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Negativer Widerstand und warum Ihr DC/DC-Wandler möglicherweise nicht ordnungsgemäß funktioniert

30. März 2021 von Bruce Rose – Lesezeit: 7 Minuten

Negativer Widerstand und warum Ihr DC/DC-Wandler möglicherweise nicht ordnungsgemäß funktioniert

Zusammenfassung

Wenn Ihr DC/DC-Wandler nicht funktioniert und Sie die offensichtlichen Probleme überprüft haben (nicht eingesteckt, nicht eingeschaltet, Eingangssicherung durchgebrannt usw.), könnte das Problem die durch einen negativen Widerstand verursachte Eingangsimpedanz sein. Eine übliche Lösung besteht darin, entweder einen Widerstand in den Stromkreis einzukoppeln oder den Widerstand aus dem Stromkreis zu sperren. Dies kann erreicht werden, indem man den richtigen Kondensator so nahe wie möglich an die Eingangspole des Gleichspannungswandlers platziert.

Einführung

Viele von uns haben die Erfahrung gemacht, dass wir einen DC/DC-Wandler gekauft haben und dieser perfekt funktioniert hat. Im Idealfall ist dies die Norm. Leider haben die meisten von uns auch schon die Erfahrung gemacht, dass ein DC/DC-Wandler nicht richtig funktioniert und wir die Quelle des Problems und eine geeignete Lösung ermitteln müssen. Das Problem kann einfach sein: Der Konverter ist nicht eingesteckt, die Stromversorgung ist nicht eingeschaltet oder die Eingangssicherung ist durchgebrannt. Die grundlegenden Probleme lassen sich alle relativ einfach finden und lösen. Bei Schaltnetzteilen mit Gleichstromeingang ist die Situation allzu oft komplexer. Alles ist richtig angeschlossen, die einfachen Probleme wurden beseitigt, aber der Wandler erzeugt immer noch nicht die richtige Ausgangsspannung. In solchen Fällen kann das Problem die Eingangsimpedanz des DC/DC-Wandlers sein, die mit der Ausgangsimpedanz der Quelle interagiert, die den Wandler mit Strom versorgt. Wenn dieses Impedanzproblem besteht, hat die Ausgangsspannung des Wandlers eine signifikante Wechselstromkomponente und die Eingangsspannung am Wandler weist ebenfalls ein merkliches Wechselstromsignal auf.

Diagramm einer typischen DC/DC-Wandleranwendung
Abb. 1: Typische DC/DC-Wandleranwendung

Um diese Diskussion zu vereinfachen, betrachten wir eine Last mit konstanter Impedanz, die am Ausgang des DC/DC-Wandlers anliegt. Die an die Last mit konstanter Impedanz abgegebene Leistung ist ebenfalls konstant, da die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers konstant ist. Die konstante Leistung, die der Ausgangslast zugeführt wird, bedeutet, dass am Eingang des Wandlers eine konstante Leistung aufgenommen wird. Jetzt fängt der Spaß an! Wir haben eine Leistungslast (den DC/DC-Wandler mit konstanter Ausgangsleistung) geschaffen, die unabhängig von der angelegten Spannung eine konstante Leistung aufnimmt (die Belastung des DC/DC-Wandlers ist konstant und der Wirkungsgrad der Stromwandlung ist konstant, daher ist die am Eingang des Wandlers aufgenommene Leistung konstant). Wie wir sehen werden, ist es eine interessante Situation, eine Last zu haben, die unabhängig von der angelegten Spannung konstante Leistung zieht.

Diagramm einer Last mit konstanter Impedanz an einem DC/DC-Wandler
Abb. 2: Last mit konstanter Impedanz an einem DC/DC-Wandler

Negativer Widerstand

Bei dieser Art von Last sinkt der Eingangsstrom, wenn die am DC/DC-Wandler anliegende Eingangsspannung steigt, und der Eingangsstrom steigt, wenn die am Wandler anliegende Eingangsspannung fällt. Die Situation, dass sich der Inkrementalstrom und die Spannung in entgegengesetzte Richtungen bewegen, ist das Verhalten eines negativen Inkrementalwiderstands. Bei einem bekannteren positiven Inkrementalwiderstand führt ein Anstieg der angelegten Spannung zu einem Anstieg des angelegten Stroms und ein Abfall der angelegten Spannung zu einem Abfall des angelegten Stroms.

Diagramm des positiven und negativen Widerstands
Abb. 3: Positiver und negativer Widerstand

Schwingungen

Wir werden nun eine der möglichen Auswirkungen eines negativen inkrementellen Eingangswiderstands besprechen. Es wird hilfreich sein, das Verhalten einer Schaltung zu verstehen, die aus einem Kondensator und einem Induktor besteht. Wenn Energie an den Kondensator- und Induktorstromkreis angelegt wird, wird die Energie zwischen dem elektrischen Feld, das dem Kondensator zugeordnet ist (Spannung über dem Kondensator) und dem magnetischen Feld, das dem Induktor zugeordnet ist (Strom durch den Induktor), ausgetauscht. Dieses Austauschen der Energie erscheint als sinusförmige Spannung über den Elementen und dem Strom, der durch die Elemente fließt – das Verhalten eines Schwingkreises.

 Diagramm der idealen L-C-Schaltung und zugehörige Spannungs- bzw. Stromkurve (kontinuierliche Sinuskurve)
Abb. 4: Ideale L-C-Schaltung und zugehörige Spannungs- bzw. Stromkurve (kontinuierliche Sinuskurve)

In realen Schaltungen mit Kondensatoren und Induktoren gibt es auch einen parasitären Widerstand, der mit den Komponenten verbunden ist. Durch diesen parasitären Widerstand wird Energie abgeleitet und die Schwingung hört schließlich auf.

 Diagramm der R-L-C-Schaltung und zugehörige Spannungs- oder Stromwellenform (abklingende Sinuskurve)
Abb. 5: R-L-C-Schaltung und zugehörige Spannungs- oder Stromwellenform (abklingende Sinuskurve)

Negativer Widerstand und Schwingungen

Wenn ein negativer Widerstand zum R-L-C-Schaltkreis hinzugefügt wird, kann er den positiven Widerstand aufheben und einen Schaltkreis mit Null-Widerstand erzeugen. Die Schwingung kann fortgesetzt werden. Die Schaltung mit Kapazität, Induktivität und Nullwiderstand kann unter bestimmten Betriebsbedingungen richtig (oder falsch) am Eingang von DC/DC-Wandlern erfolgen. Die Schwingung wird aufrechterhalten, wenn die negative Eingangsimpedanz des DC/DC-Wandlers die positive Impedanz der zugehörigen Kapazität und Induktivität aufhebt.

 Diagramm der R-L-C-Schaltung mit negativem und positivem Widerstand und zugehöriger Spannungs- bzw. Stromkurve
Abb. 6: R-L-C-Schaltung mit negativem und positivem Widerstand und zugehöriger Spannungs- oder Stromkurve (kontinuierliche Sinuskurve)

Es sollte klar sein, dass die Kapazität und die Induktivität der Schaltung physikalische Elemente sein können (gewollt oder parasitär) oder durch die Ausgangsimpedanz der Stromquelle und die Eingangsimpedanz des DC/DC-Wandlers synthetisiert werden können. Der synthetisierte negative Widerstand und eventuell synthetisierte reaktive Elemente haben eine solche Charakteristik, sodass sich bei Änderung der Systembetriebsbedingungen auch die Werte der synthetisierten Elemente ändern. Eine Herausforderung in dieser Situation ist, dass es schwierig ist, das mit dem DC/DC-Wandler verbundene System genau zu modellieren, um zu bestimmen, unter welchen Betriebsbedingungen die Schwingung auftritt. Eine weitere Herausforderung bei dieser Situation ist das Auftreten der Schwingung unter bestimmten Betriebsbedingungen, während die Schwingung unter anderen Betriebsbedingungen nicht vorhanden ist.

Positiver Widerstand zur Dämpfung von Schwingungen

Obwohl es schwierig sein kann, die Betriebsbedingungen vorherzusagen, die die Schwingung verursachen, ist es relativ einfach, einen positiven Widerstand zwischen dem Ausgang der Stromquelle und dem Eingang des DC/DC-Wandler hinzuzufügen, sodass eine Schwingung nicht aufrechterhalten wird. Zwei Möglichkeiten, einen Widerstand hinzuzufügen, bestehen darin, ein Widerstandselement in Reihe zwischen die Stromquelle und den DC/DC-Wandler zu schalten oder ein Widerstandselement in Nebenschluss über den Ausgang der Stromquelle und den Eingang des DC/DC-Wandlers zu schalten. Leider ist die Verlustleistung bei diesen beiden Lösungen oft zu groß, um akzeptabel zu sein. Eine dritte Lösung, die häufig verwendet wird, besteht darin, entweder einen Widerstand in den Stromkreis einzukoppeln oder den Widerstand aus dem Stromkreis zu sperren. Der Vorteil dieser Kopplung oder Sperrung ist, dass der Widerstand Wechselstromsignale (die Schwingung) beeinflusst und Gleichstromsignale (den gewünschten Stromfluss) nicht beeinträchtigt. Eine Methode, diesen gewünschten Widerstand zu realisieren, besteht darin, einen Elektrolytkondensator mit einem großen kapazitiven Wert (einige zehn bis hunderte Mikrofarad, abhängig von den Leistungspegeln) so nahe wie möglich an den Eingangspolen des DC/DC-Wandlers zu platzieren. Der äquivalente Reihenwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR) des Kondensators ist wechselstromgekoppelt und dient dazu, genügend Energie abzuführen, um eine Dauerschwingung zu verhindern, ist aber vom Gleichstrompfad abgeschirmt und führt daher keine mit dem Gleichstromfluss verbundene Energie ab.

 Diagramm des Elektrolytkondensators in der Nähe der Eingangspole des DC/DC-Wandlers
Abb. 7: Elektrolytkondensator in der Nähe der Eingangspole des DC/DC-Wandlers

Der ESR der Kapazität muss klein genug sein, um keinen übermäßigen Leistungsverlust zu erhalten, und groß genug, um Schwingungen effektiv zu dämpfen. Die meisten handelsüblichen Elektrolytkondensatoren haben den richtigen ESR-Wert, um in dieser Anwendung zu dienen. Extrem preiswerte Elektrolytkondensatoren können einen zu hohen ESR haben und damit eine zu hohe Verlustleistung verursachen. Extrem teure Elektrolyt-, Folien- und Keramikkondensatoren haben alle ESR-Werte, die möglicherweise zu niedrig sind, um die Schwingungen richtig zu dämpfen.

Fazit

Diese Diskussion war ein praktischer Überblick darüber, wie man Schwingungen am Eingang von DC/DC-Wandlern verhindert. Theoretische Diskussionen über die Eingangsimpedanz von DC/DC-Wandlern und die Ausgangsimpedanz von Spannungsquellen finden Sie in der Quelle-Last-Impedanzanalyse von Venable Instrument.

Kategorien: Grundlagen, Prüfung und Fehleranalyse

Zusätzliche Ressourcen


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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