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05 2020 Elektronik 17 Power Der Artikel beschreibt die isolierte Stromversorgungsstufe speicherprogrammierbarer Steuerungen Sperrwandler Flyback Converter mit einem weiten Eingangsspannungsbereich und der Eignung für mehrere Ausgänge eignen sich ideal für SPS mit einer tiefen Anwendungsintegration Insbesondere dann wenn die Zahl der Kanäle und die Funktionsdichte der SPS steigt und der verfügbare Platz sinkt Konventionelle Sperrwandler mit primäroder sekundärseitiger Regelung In Bild 1a ist ein herkömmlicher sekundärseitig geregelter Sperrwandler Secondary Side Regulation SSR zu sehen in dem ein Optokoppler für die Isolation des Rückkopplungssignals sorgt Bei den meisten Optokopplern kommt es allerdings zu Schwankungen des Gleichstrom-Übertragungsverhältnisses Current Transfer Ratio CTR und die Lebensdauer sinkt bei hohen Temperaturen Die CTR-Schwankungen sind eine ernste Einschränkung für Sperrwandler-Designs in industriellen Anwendungen wo leicht Betriebstemperaturen bis zu 125 °Cvorkommen Außerdem entsteht durch den Optokoppler eine zusätzliche Polstelle im Rückkopplungskreis welche die erzielbaren Einschwingeigenschaften einschränkt Ein weiterer Nachteil ist dass sich das Biasing und die Kompensation der Sekundärseite bei Ausgangsspannungen unter 3 3 Vanspruchsvoll gestalten Die primärseitige Regelung PSR basiert auf Beobachtung und schätzt die Ausgangsspannung eines Sperrwandlers mithilfe einer auf die Primärseite bezogenen Hilfswicklung Es gibt verschiedene Beobachtungs-Regeln für Sperrwandler die im Lückbetrieb Discontinuous Conduction Mode DCM und oder im nichtlückenden Betrieb Continuous Conduction Mode CCM arbeiten 5 6 Die PSR-Technik wird häufig in Anwendungen mit Leistungen unter 20 Wangewandt welche im Quasiresonanz-Modus im Lückbetrieb arbeiten Der traditionelle PSR-Sperrwandler in Bild 1b erhält über die Spannung an einer Hilfswicklung auf indirektem Weg eine Information über die Ausgangsspannung Die Vorteile des PSR-Verfahrens für den Bauteileaufwand liegen darin dass auf die sekundärseitige Referenz und den Fehlerverstärker häufig mit einem Shunt-Regler des Typs TL431 implementiert ebenso verzichtet werden kann wie auf die Widerstände und Kondensatoren für den Rückkopplungsteiler und die Kompensation Auch der Optokoppler für die Rückmeldung von der Sekundärzur Primärseite kann entfallen Als einziges Bauteil überbrückt der Übertrager die Isolationsbarriere Mit der PSR-Technik verschwinden auch die Biasing-Verluste im Zusammenhang mit dem Optokoppler und dem TL431 Bild 1 Unterschiede sekundärseitig und primärseitig geregelter Sperrwandler a Konventioneller SSR-Sperrwandler mit Rückkopplung über Optokoppler b PSR-Sperrwandler mit Rückkopplung über eine Hilfswicklung Bild Texas Instruments Konventionelle vs primärseitig geregelte Sperrwandler In einem konventionellen Sperrwandler dienen ein Übertrager und ein Optokoppler zur galvanischen Isolation der Leistungsstufe bzw des Rückkopplungssignals Grundsätzlich ist ein Optokoppler eine durchaus zweckmäßige Lösung um die Information über den Ausgangsspannungsfehler zu übertragen Die Übertragungsfunktion ist jedoch stark nichtlinear und ändert sich mit der Zeit und der Temperatur Damit ist der Wandler nur bis zu einer bestimmten Betriebstemperatur geeignet und braucht viel Platz Ein ohne Optokoppler auskommendes Design könnte also erhebliche Verbesserungen für die Leistungsfähigkeit und den Platzbedarf eines Systems bringen Ein Sperrwandler mit primärseitiger Regelung Primary Side Regulation PSR und ohne Hilfswicklung kann das Design der magnetischen Bauelemente vereinfachen und die Leistungsfähigkeit der statischen Ausgangsspannungs-Regelung verbessern 4 Das Erfassen der Ausgangsspannung auf magnetischem Weg erlaubt zudem den Verzicht auf den Optokoppler sodass unter dem Strich eine kosteneffektive Lösung mit weniger Bauteileaufwand und höherer Zuverlässigkeit entsteht