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Design mit Netzteilen mit mehreren Ausgängen

17. März 2020 von Ron Stull – Lesezeit: 6 Minuten

Design mit Netzteilen mit mehreren Ausgängen

Einführung

Viele elektronische Anwendungen erfordern mehrere Spannungen, um ihre verschiedenen internen Schaltkreise zu versorgen. Von Lüftern und Motoren bis hin zu Logik und Verarbeitung können die Spannungen von 48 V oder mehr bis zu 1 V oder weniger reichen. Anstatt für jede dieser Schienen ein einzelnes Netzteil oder einen DC/DC-Wandler zu verwenden, kann es vorteilhaft sein, ein einzelnes Netzteil mit mehreren Ausgängen zu verwenden. Dies kann in einigen Anwendungen Zeit, Platz und Geld sparen. Um festzustellen, ob ein Konverter mit mehreren Ausgängen für eine bestimmte Anwendung die richtige Wahl ist, müssen Sie wissen, wie mehrere Ausgänge erzeugt werden und welche Konfigurationen sie haben.

Methoden zum Gestalten mehrerer Ausgänge

Netzteile können auf verschiedene Arten zusätzliche Ausgänge erzeugen. Abhängig von der Methode zum Erstellen mehrerer Ausgaben variiert die Machbarkeit je nach Anwendung und basiert auf Leistung und Kompatibilität.

Transformatoren mit Sekundärwicklungen

Die einfachste Methode, um mehrere Ausgänge zu erhalten, besteht darin, dem Transformator oder der Drossel Sekundärwicklungen hinzuzufügen. Die Spannung der Sekundärwicklungen (Vsec) an einem Transformator hängt von der Primärspannung (Vpri) und dem Windungsverhältnis (n) ab; dies ist das Verhältnis der Anzahl der Sekundärwindungen (Ns) zur Anzahl der Primärwindungen (Np). Dies ist in Gleichung 1 und 2 dargestellt.

Vsec = Vpri * n
Gleichung 1
n = Ns / Np
Gleichung 2
Diagramm eines Transformators mit Einzelausgang
Abb. 1: Transformator mit Einzelausgang

Wenn zum Beispiel die Primärspannung 120 V und das Windungsverhältnis der Sekundärspannung 0,1 beträgt, würde die Sekundärspannung 12 V betragen. Ein zweiter Ausgang von 24 V könnte durch Hinzufügen einer zusätzlichen Sekundärwicklung mit einem Windungsverhältnis von 0,2 erzeugt werden.

Gekoppelte Drosseln mit Sekundärwicklungen

In Topologien, die eine gekoppelte Drossel anstelle eines Transformators verwenden, wie beispielsweise der Flyback, folgt die Beziehung zwischen Primär- und Sekundärteil nicht der Gleichung 1. Die Beziehung zwischen Sekundärspannungen und Windungsverhältnissen macht es jedoch genauso einfach, zusätzliche Ausgänge hinzuzufügen. Wenn wir die Hauptausgangsspannung (Vout1) in Gleichung 1 für Vpri und unsere gewünschte Spannung für einen zusätzlichen Ausgang (Voutn) einsetzen, können wir das erforderliche Windungsverhältnis immer noch berechnen, obwohl sich die Primär- zur Sekundärbeziehung geändert hat (Gleichung 3).

Voutn = Vout1 * (Nn/N1)
Gleichung 3

Regler und zusätzliche Konverter

Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Regler oder einen isolierten DC/DC-Wandler hinzuzufügen, der vom Hauptausgang gespeist wird. Da der Eingang eines solchen Schemas bereits von der Primärwicklung isoliert und die Spannung bereits herabgesetzt wurde, können zusätzliche Wandler kleiner und kostengünstiger werden als die Umwandlung einer zusätzlichen Spannung von der Primärwicklung.

Zwei Bilder zeigen den Regler, mit dem eine zusätzliche Schiene erstellt wurde, und einen DC/DC-Wandler, mit dem ein neuer Ausgang erzeugt wurde, der vom anderen isoliert ist
Abb. 2: (Oben) Regler zur Erzeugung einer zusätzlichen Schiene (unten) DC/DC-Wandler zur Erzeugung eines neuen Ausgangs, der vom anderen Ausgang isoliert ist

Überlegungen und Machbarkeit

Abhängig davon, wie die zusätzlichen Ausgänge abgeleitet wurden, gibt es verschiedene Details, die sich darauf auswirken können, wie sich mehrere Ausgänge in einer Anwendung verhalten oder ob eine bestimmte Methode überhaupt verwendet werden sollte.

Isolation

Als Erstes ist zu beachten, wie die Ausgänge isoliert sind, insbesondere, ob sie voneinander isoliert sind oder nicht. Eine übliche Konfiguration ist der Transformator mit Mittelabgriff. In dieser Konfiguration wird der Mittelpunkt der Sekundärwicklung herausgeführt, um zwei Spannungen zu erzeugen, die jeweils der Hälfte der Spannung entsprechen, die über die gesamte Wicklung herrscht. Dies ist eine nützliche Konfiguration, wenn positive und negative Spannungen benötigt werden, z. B. bei einem Operationsverstärker. Durch die Verwendung des Mittelabgriffs als Ausgangsmasse erhält man positive und negative Ausgänge. Während die Ausgänge dieser Konfiguration alle von der Primärseite isoliert sind, sind sie nicht voneinander isoliert. Dies bedeutet, dass sie sich auf dasselbe Erdpotential beziehen und nicht voneinander getrennt werden können, um Stromkreise zu versorgen, die zu unterschiedlichen Erdungen zurückkehren (Abbildung 3). Während die gemeinsame Masse einem Ausgang mit Mittenabgriff inhärent ist, kann die Rückführung von Wicklungen miteinander verbunden sein, wodurch diese Ausgänge nicht voneinander isoliert sind. Zum Beispiel könnten die negativen Anschlüsse von Vsec1 und Vsec2 (unten in Abbildung 3) miteinander verbunden werden, sodass sie nicht voneinander isoliert bleiben.

Diagramm der Konfiguration mit Mittelabgriff Diagramm der unabhängigen Ausgangskonfiguration
Abb. 3: (Oben) Konfiguration mit Mittelabgriff, (unten) unabhängige Ausgangskonfiguration

Während Ausgänge mit gemeinsam genutzter Erdung in einigen Anwendungen nützlich sein können, kann in anderen Anwendungen die gemeinsam genutzte Erdung Probleme verursachen. Die Stromversorgung mehrerer Schienen mit unterschiedlichen Rücklaufpotentialen erfordert eine Isolation zwischen diesen Ausgängen. Zum Beispiel erfordert der Versuch, eine Schaltung, beispielsweise eine High-Side-Gate-Ansteuerung, mit Strom zu versorgen, einen schwebenden Ausgang, dessen Referenz nicht fest ist und nicht an die Schaltungsmasse gebunden ist. Wenn in der Anwendung auch ein erdbezogener Ausgang erforderlich ist, muss der zweite Ausgang vom ersten isoliert werden, und daher kann keine Konfiguration mit Mittelabgriff verwendet werden.

Regelung

Der nächste zu beachtende Punkt ist die Regelung der Sekundärausgänge. Oft wird nur der Hauptausgang aktiv geregelt. Die Rückkopplungsschleife wird um diesen Hauptausgang geschlossen und alle anderen Ausgänge werden passiv damit verknüpft. Aus diesem Grund kann die Toleranz zusätzlicher Schienen erheblich niedriger sein als der geregelte Ausgang. Zusätzlich zum Fehlen eines geschlossenen Regelkreises werden ungeregelte Ausgänge von der Belastung des Hauptausgangs beeinflusst. Bei geringer Belastung nimmt die Kopplung zwischen den Ausgängen ab. Aus diesem Grund wird auf der Hauptschiene häufig eine Mindestlast festgelegt, um die zusätzliche Spannung innerhalb der Toleranz zu halten. Die Regelung der Mittelabgriffe kann auch durch unausgeglichene Lasten beeinflusst werden. Für eine optimale Leistung sollten die Lasten an jedem Ausgang so ähnlich wie möglich gehalten werden. Wie oben erläutert, können externe Regler oder DC/DC-Wandler an diese Ausgänge angelegt werden, um die Regelung zu verbessern (Abbildung 4).

Diagramm mit Regler am ungeregelten Ausgang Vout2 hinzugefügt
Abb. 4: Regler am ungeregelten Ausgang Vout2 hinzugefügt

Nennleistung

Die letzte Überlegung ist die Gesamtausgangsleistung. Wenn mehrere Ausgänge beteiligt sind, ist es wichtig, die Gesamtleistung aller Ausgänge zu berechnen und sicherzustellen, dass dieser Wert innerhalb der maximalen Leistungsspezifikation liegt. Abhängig von der Stromversorgung kann die Nennleistung der Hauptausgangsspannung das Laden der zusätzlichen Schienen umfassen oder nicht. Wenn die zusätzlichen Ausgänge verwendet werden, muss ihre Ausgangsleistung möglicherweise von der Nennleistung der Hauptschiene abgezogen werden.

Fazit

Moderne elektronische Systeme benötigen häufig mehrere Spannungen, um ihre verschiedenen Schaltkreise und Komponenten mit Strom zu versorgen. Anstatt mehrere Netzteile für die separate Stromversorgung jeder Schiene zu verwenden, kann die Verwendung eines Netzteils mit mehreren Ausgängen häufig Zeit, Platz und Geld sparen. Während dies in einigen Anwendungen gut funktioniert, kann es in anderen zu Problemen führen. Das Verständnis des Verhaltens und der Beziehung dieser Ausgänge ist wichtig, damit ein Design erfolgreich ist. CUI bietet eine große Auswahl an Netzteilen mit mehreren Ausgängen und kann Ihnen dabei helfen, das für Ihre Anwendung am besten geeignete zu finden.

Kategorien: Grundlagen, Produktauswahl

Zusätzliche Ressourcen


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Ron Stull

Ron Stull

Stromversorgungsingenieur

Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.

 
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