Sperrwandler
Ein Sperrwandler (Flyback- Converter) erzeugt aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung und gehört damit zu den Wechselrichtern. Die Wechselspannung kann dann einfach über einen Transformator hoch- oder heruntertransformiert werden. Sperrwandler werden zum Beispiel in Autos verwendet, um 230V~ - Geräte am 12V-Bordnetz zu verwenden. Sperrwandler "zerhacken" die Gleichspannung, so dass eine Wechselspannung entsteht. Schaltnetzteile sind zum Beispiel Sperrwandler.
Funktionsweise
a) Leitphase
b) Sperrphase
c) Sperrwandler mit Transistor Q und Wandlertrafo T
Die Funktion des Sperrwandlers wird in zwei Phasen eingeteilt. Einmal die Sperrphase mit geöffneten und der Leitphase mit geschlossenem Schalter S.
Während der Leitphase (Abb. 1a) sperrt die Diode D (Plus an Katode) und es fließt ein Strom IL durch die Spule L. Dadurch baut sich ein Magnetfeld auf. Der Kondensator, der vorher durch die Sperrphase aufgeladen wurde entlädt sich zur selben Zeit über den Verbraucher RL und versorgt ihn mit Strom.
Öffnet sich der Schalter S, so tritt die Sperrphase ein (Abb. 1b). Die Eingangsspannung Ue, die die Spule vorher versorgt hat bricht sofort zusammen. Dies betrifft aber nicht IL, da der Strom bei Induktivitäten der Spannung 'hinterherhinkt'. Dadurch wirkt die Spule jetzt wie eine Spannungsquelle und lädt den Kondensator neu auf und versorgt gleichzeitig den Verbraucher mit Strom. Dabei ist die Diode leitend. Der Strom IL fließt dabei von der Spule über den Kondensator C, dieser ist keine Unterbrechung, da er zu diesem Zeitpunkt noch nicht vollständig aufgeladen ist, und über den Verbraucher (Ia) sowie über die Diode D zurück in die Spule. Der Schalter öffnet sich jetzt wieder, wenn C aufgeladen ist und das Spiel beginnt wieder von vorne. Während der Sperrphase findet der eigentliche Energietransport statt, deshalb wird diese Schaltung als Sperrwandler bezeichnet.
In der Praxis wird statt eines Schalters Transistoren eingesetzt (Abb. 1c). Diese werden mit einer Rechteckspannung mit einer Frequenz im Kilohertzbereich angesteuert. Statt einer Spule werden Transformatoren verwendet, um verschiedene Ausgangsspannungen zu erreichen. Dazu kommt noch, da Sperrwandler beziehungsweise Schaltnetzteile im Netzbetrieb laufen, die wichtige galvanische Trennung zwischen Primiärbereich und Sekundärbereich. Da der Trafo mit einer viel höheren Frequenz läuft reicht eine kleinere Ausführung als bei Transformatoren die mit 50 Hz arbeiten. Dies spart Herstellungskosten sowie Gewicht.
Die Benutzung eines Transistors als Schalter ermöglicht die Regelung des Sperrwandlers. Die Regelung ist notwendig, da die Eingangsspannung besonders bei Netzbetrieb schwanken kann. Auch der Verbraucher kann auf den Sperrwandler eine Laständerung ausüben. Um diese Einflüsse zu Kompensieren bringt man eine Messwicklung auf den Trafo auf und vergleicht die Spannung aus dieser Wicklung mit einem Referenzwert. Das Ergebnis wird dann einem Steuer-IC zugeführt, der den Transistor Q nachregelt (Tastverhältnis). Statt einer Messwicklung ist es auch möglich Optokoppler einzusetzen, um die notwendige galvanische Trennung beizubehalten.
Um einen Sperrwandler am Stromnetz zu betreiben ist es notwendig die Wechselspannung über eine Graetzbrücke gleichzurichten und über einen Elektrolytkondensator zu glätten. An diesem Kondensator liegen über 300V- (= Ue). Deshalb ist es sehr wichtig vor Reparatur den Kondensator zu entladen um Stromschläge zu vermeiden. Die Reparatur sollte deshalb nur einem Fachmann überlassen werden.
Vor- und Nachteile
Vorteile:
- Keine direkte Belastung der Spannungsquelle Ue
- Keine Überlastung der Spannungsquelle Ue möglich
- Kostenersparnis bei den Trafos möglich
- hohe Ausgangsströme bei kleinem Trafo möglich
Nachteile: