Stabilized DC power supplies

Geregelte Gleichstromversorgungen haben elektronische Regelschaltungen, um die Gleichspannung am Ausgang, möglichst konstant auf einen bestimmten Wert zu halten. Einflüsse wie die Schwankung der Eingangsspannung oder unterschiedliche Belastung des Ausgangs werden im zuge­wiesenen Funktionsbereich elektrisch ausgeregelt.

Die Welligkeit der Ausgangsspannung bei geregelten Gleich­stromversorgungen liegt im Millivolt-Bereich und ist weitgehend nur von der Belastung am Ausgang abhängig.

Geregelte Gleichstromversorgungen können durch unterschiedliche Funktionsprinzipien realisiert werden. Die gebräuchlichsten Schaltungsarten sind:

• Längsgeregelte Netzteile
• Magnetische Spannungskonstanthalter
• Sekundär getaktete Schaltnetzteile
• Primär getaktete Schaltnetzteile

Welches der nachfolgend beschriebenen Schaltungsprinzipien letztendlich für den entsprechenden Anwendungsfall am besten geeignet ist, hängt sehr stark vom jeweiligen Einsatzfall ab. Ziel ist es, eine möglichst preiswerte und gute Nachbildung einer Gleichspannung für die Versorgung der jeweiligen Verbraucher zu erzeugen.

Längs geregelte Netzteile

Prinzipschaltbild: Längsregler

Der Längsregler, auch Linearregler genannt, funktioniert nach einem konventionellen Prinzip. Die Versorgung erfolgt aus dem Wechselspannungsnetz (Ein-, Zwei-, oder Drei-Leiter-Netz).

Die Anpassung an die jeweiligen Sekundärspannung geschieht über einen Transformator.

Die gleichgerichtete und gesiebte Sekundärspannung wird in einem Regelteil in eine geregelte Spannung am Ausgang umge­formt. Das Regelteil besteht aus einem Stellglied und dem Regelverstärker. Die Differenz zwischen geregelter Ausgangs­spannung und ungeregelter Spannung am Siebkondensator wird im Stellglied in Verlustwärme umgesetzt. Das Stellglied wirkt dabei wie ein schnell veränderbarer ohmscher Wider­stand. Die entstehende Verlustwärme ist jeweils das Produkt aus Ausgangsstrom und Spannungsabfall über dem Stellglied.

Dieses System ist sehr anpassungsfähig. Es sind auch ohne Weiteres mehrere Ausgangsspannungen möglich. In der Regel werden bei Mehrfachausgängen die einzelnen Sekundärkreise aus jeweils getrennten Sekundärwicklungen des Eingangstrafos generiert. Manche Anwendungen lassen sich nur nach diesem Schaltungsprinzip lösen. Vor allem, wenn hohe Regelgenauig­keit, geringe Restwelligkeit und schnelle Ausregelzeiten gefor­dert sind.

Allerdings ist der Wirkungsgrad schlecht, sowie Gewicht und Volumen sehr groß. Deshalb ist der Längsregler nur bei kleinen Leistungen eine preisliche Alternative.

Vorteile:

• Einfaches bewährtes Schaltungskonzept
• Gute bis beste Regeleigenschaften
• Schnelle Ausregelzeit

Nachteile:

• Relativ hohes Gewicht und großes Bauvolumen durch den 50-Hz-Transformator
• Schlechter Wirkungsgrad, Entwärmungsprobleme
• Geringe Speicherzeit

Magnetische Konstanthalter

Prinzipschaltbild: Magnetische Konstanthalter

Der komplette Wandler setzt sich aus zwei Komponenten zu­sammen. Dem sog. „Ferroresonator“ und einem nachgeschalte­ten Zusatzreglerteil. Die Eingangswicklung und die Resonanzwicklung des magnetischen Konstanthalters sind durch Streuluftspalte weitgehend entkoppelt. Der magnetische Konstanthalter für sich liefert eine gut stabilisierte Wechselspan­nung. Diese wird gleichgerichtet und gesiebt. Der Wandler selbst wird im Sättigungsbereich betrieben.

Dem Ferroresonator ist zur Erreichung besserer Regelgenauig­keiten im Ausgang oftmals ein Längsregler nachgeschaltet. Häufig werden auch sekundär getaktete Schaltregler nachge­schaltet.

Die Technik der magnetischen Konstanthalter ist zuverlässig und robust, allerdings auch großvolumig, schwer und relativ teuer.

Vorteile:

• Gute bis beste Regeleigenschaften in Verbindung mit nachgeschalteten Längsreglern
• Wesentlich besserer Wirkungsgrad als reine Längsregler

Nachteile:

• Frequenzabhängigkeit des Ferroresonators
• Die Netzteile sind großvolumig und schwer durch die magnetischen Bauteile

Sekundär getaktete Schaltnetzteile (SGS)

Prinzipschaltbild: Sekundär getaktete Schaltnetzteile

Die Netztrennung erfolgt hier über einen 50-Hz-Transformator. Nach Gleichrichtung und Siebung wird über einen Schalttransis­tor impulsweise die Energie in den Sieb- und Speicherkreis am Ausgang geschaltet. Durch den Transformator im Eingang, der als gutes Filter wirkt, sind die Netzrückwirkungen gering.
Der Wirkungsgrad dieser Schaltung ist sehr gut.

Für Netzteile mit vielen verschiedenen Ausgangsspannungen bietet dieses Konzept insgesamt große Vorteile.

Zum Schutz der angeschlossenen Verbraucher muss allerdings Vorsorge getroffen werden, weil für den Fall, dass der Schalt­transistor durchlegiert, die volle ungeregelte Gleichspannung des Siebkondensators ansteht. Diese Gefahr besteht allerdings auch bei Linearregler-Netzteilen.

Vorteile:

• Einfacher Aufbau und guter Wirkungsgrad
• Mehrfachausgänge, auch galvanisch voneinander getrennte, sind sehr leicht durch Aufbringen mehrerer Sekundärwick­lungen möglich
• Geringere Entstörprobleme als bei primär getakteten Schalt­reglern

Nachteile:

• Durch den 50-Hz-Trafo werden die Geräte relativ groß und schwer
• Die Ausgangswelligkeit (Spikes) entspricht der eines PGS

Primär getaktete Schaltnetzteile (PGS)

In der Literatur findet man auch häufig den Begriff SMPS-Netzteil (abgeleitet von Switch Mode Power Supply) oder Primärschalt­regler.

Prinzipschaltbild: Eintakt-Durchfluss-Wandler

Den Primärschaltregler gibt es in sehr vielen Schaltungsvari­anten. Die wichtigsten Grundschaltungen sind Eintakt-Durch­flusswandler, Sperrwandler, Halbbrückenwandler, Vollbrücken­wandler, Gegentaktwandler und Resonanzwandler.

Am Prinzipschaltbild des Eintakt-Durchflusswandlers wird die grundsätzliche Wirkungsweise des Primärschaltreglers be­schrieben:

Die ungeregelte Netzspannung wird zunächst gleichgerichtet und gesiebt. Die Kapazität des Kondensators am Zwischenkreis bestimmt die Speicherzeit des Netzteils bei Ausfall der Ein­gangsspannung. Die Spannung am Zwischenkreis beträgt bei einem 230-V-Netz ca. DC 320 V. Aus dieser Gleichspannung wird nun ein Eintaktwandler versorgt, der mit Hilfe eines Impuls­weiten-Reglers und bei hoher Schaltfrequenz die Primärenergie über einen Transformator auf die Sekundärseite überträgt. Der Schalttransistor hat in seiner Funktion als Schalter geringe Verlustleistung, sodass die Leistungsbilanz je nach Ausgangs­spannung und Strom bei einem Wirkungsgrad zwischen > 70 % bis über 90 % liegt.

Das Trafovolumen ist wegen der hohen Schaltfrequenz im Verhältnis zu einem 50-Hz-Trafo klein, weil die Trafogröße im Verhältnis zur höheren Schaltfrequenz geringer wird. Mit modernen Halbleitern lassen sich ohne Weiteres Taktfrequenzen von 100 kHz und mehr erreichen. Allerdings steigen bei zu hohen Taktfrequenzen auch die Schaltverluste, sodass man im Einzelfall einen Kompromiss wählen muss zwischen hohem Wirkungsgrad und größtmöglicher Taktfrequenz. In den über­wiegenden Anwendungen liegen die Taktfrequenzen bei ca. 20 kHz ... 250 kHz je nach Ausgangsleistung.

Die Spannung der Sekundärwicklung wird gleichgerichtet, gefil­tert und gesiebt. Die Regelabweichung am Ausgang wird über Optokoppler auf den Primärkreis zurückgemeldet. Über die Steuerung der Impulsbreite (Leitphase des Schalttransistors im Primärkreis) wird die benötigte Energie auf die Sekundärseite übertragen und die Ausgangsspannung geregelt. Während der nicht leitenden Phase des Schalttransistors wird über eine Hilfs­wicklung der Transformator wieder entmagnetisiert. Es wird immer nur so viel Energie übertragen, wie am Ausgang entnom­men wird. Die maximale Pulsbreite für das Tastverhältnis beträgt bei diesen Schaltungen < 50 %.

Vorteile:

• Kleine magnetische Bauteile (Trafo, Speicherdrossel, Filter) durch die hohe Betriebsfrequenz
• Hoher Wirkungsgrad durch Impulsweitenregelung
• Kompakte Geräteeinheiten
• Bis in den kW-Bereich keine forcierte Kühlung notwendig
• Hohe Speicherzeiten bei Netzausfall möglich durch Erhöhung der Kapazität im Zwischenkreis
• Großer Eingangsspannungsbereich möglich

Nachteile:

• Hoher Schaltungsaufwand, viele aktive Bauteile
• Hoher Entstöraufwand notwendig
• Der mechanische Aufbau muss nach HF-Kriterien erfolgen

Primär getaktete Netzteile haben sich in den letzten Jahren gegenüber den anderen Schaltungsprinzipien mehr und mehr durchgesetzt. Vor allem wegen der geringen Baugröße, dem geringen Gewicht, dem hohen Wirkungsgrad und dem guten Preis/Leistungsverhältnis.

Zusammenfassung

Die für den Anwender wesentlichen Eigenschaften der vor­beschriebenen Schaltungen sind in der Tabelle kurz zusammen­gefasst.

Vergleichskriterien der Grundschaltungsvarianten