Was ist der Unterschied zwischen ungeregelten und geregelten Netzteilen?

4. Februar 2020 verfasst von Ron Stull

Was ist der Unterschied zwischen ungeregelten und geregelten Netzteilen?

Eine der Hauptfunktionen einer Stromversorgung besteht darin, eine Eingangsspannung in eine gewünschte Ausgangsspannung umzuwandeln. Wie genau diese Spannung ist und wie stark sie unter sich ändernden Bedingungen variiert, hängt davon ab, ob und in welchem Maße der Ausgang geregelt wird. Bei der Auswahl eines Netzteils ist es wichtig zu wissen, welche Bestimmung gilt und ob sie für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist oder nicht.

Hintergrund

Eine Regelung ist die Handlung, etwas zu kontrollieren. Bei Stromversorgungen bedeutet dies in der Regel die Steuerung der Ausgangsspannung. Betrachten Sie zunächst die Schaltung in Abbildung 1, um ihre Bedeutung und Funktionsweise zu verstehen.

Diagramm einer linearen ungeregelten DC/DC-Wandlerschaltung
Abb. 1: Lineare ungeregelte DC/DC-Wandlerschaltung

Die Schaltung in Abbildung 1 zeigt einen einfachen linearen ungeregelten DC/DC-Wandler, der folgendermaßen funktioniert:

  • Die Eingangswechselspannung wird an die Primärwicklung von T1 angelegt
  • Der Transformator gibt die Sekundärspannung Vsec aus, die gleich Vac multipliziert mit dem Windungsverhältnis n ist (Gleichung 1) ist.
  • Die Kombination von D1 und Cout konvertieren Vsec in eine Gleichstromspannung Vdc, die gleich der Spitze von Vsec ist.
  • Die Ausgangsspannung Vout ist dann gleich Vdc minus den Verlusten bei Rout aufgrund von Iout (Gleichung 2)

Vsec = Vac * n
Gleichung 1: Sekundäre Spannung

Vout = √2 * Vsec - Iout * Rout
Gleichung 2: Ungeregelte Ausgangsspannung

Das Erste, was bei diesen Gleichungen zu beachten ist, ist, dass jede Änderung der Eingangsspannung sich direkt auf die Ausgangsspannung auswirkt. Wenn Rout ignoriert wird, dann ist Vout gleich der Spitze von Vin mal dem Windungsverhältnis. In Anwendungen mit einem variierenden Eingang kann dies zu großen Änderungen bei der Ausgangsspannung führen. Zum Beispiel: Wenn Vout 12 V ist, mit einem Wechselstromeingang von 120 V, und wir den Eingang auf 240 V verdoppeln, würde sich Vout auch auf 24 V verdoppeln.

Die Last ist nicht nur von Änderungen am Eingang betroffen, sondern beeinflusst auch die Ausgangsspannung. Rout (aufgrund von Elementen wie Verkabelung, Leiterbahnen, Transformatorimpedanzen usw.) verursacht einen Spannungsabfall zwischen Vdc und Vout, der proportional zum Laststrom ist. Ohne Last, bei 0A, ist Vdc gleich Vout, doch wenn Iout ansteigt, steigen auch die Spannungen über Rout, wodurch Vout abfällt. Zum Beispiel: Wenn Vdc 12 V ist und Rout 1 Ohm ist, wenn Iout sich von 0 bis auf 1 A erhöht, würde die Spannung über Rout von 0 V auf 1 V ansteigen und Vout würde dadurch von 12 V auf 11 V abfallen.

Die Abhängigkeiten von Eingangsspannung und Lastbedingungen, die in den Datenblättern als Leitungs- bzw. Lastregelung angegeben sind, führen zu starken Schwankungen der Ausgangsspannung, wenn sich die Bedingungen ändern. Einige Anwendungen sind möglicherweise in der Lage, damit umzugehen, aber viele erfordern engere Toleranzen unter einer Vielzahl von Bedingungen. Für diese Anwendungen ist eine Bestimmung erforderlich.

Abbildung 2 zeigt einen vereinfachten Linearregler, der zwischen der Last und Rout von Abbildung 1 eingefügt werden kann und zur Regelung der Ausgangsspannung von Abbildung 1 verwendet wird.

Diagramm des Linearreglers
Abb. 2: Linearregler

Dieser Regler der Abbildung 2 funktioniert wie folgt. Vout ist gleich der Eingangsspannung minus dem Spannungsabfall an Kollektor und Emitter von Q1, Vce (Gleichung 3). Der Operationsverstärker vergleicht Vout mit einer Referenzspannung Vref und verstärkt dann die Differenz (Gleichung 4).

Vout = Vin - Vce
Gleichung 3: Ausgangsspannung des Reglers

Vbase = Verstärkung * (Vref- Vout)
Gleichung 4:Ausgangsspannung des Operationsverstärkers

Dies erzeugt eine negative Rückkopplungsschleife. Die Gleichung 4 zeigt, dass wenn Vout größer als Vref ist, Vbase negativ wird, wodurch Q1 ausgeschaltet und ein größerer Spannungsabfall an Q1 verursacht wird. Durch Erhöhen des Abfalls über Q1 wird Vout auf die Referenzspannung abgesenkt. Wenn die Spannung dann unter die Referenzspannung abfällt, wird Vbase positiv und schaltet Q1 wieder ein, wodurch die Spannung darüber verringert und Vout wieder angehoben wird. Auf diese Weise kann der Regler ein konstantes Vout unter sich ändernden Leitungs- und Lastbedingungen aufrechterhalten.

Das lineare Netzteil und der Regler wurden aus Gründen der Einfachheit für die vorherigen Beispiele ausgewählt. Sie werden jedoch aufgrund ihrer Ineffizienz häufig durch komplexere Schaltnetzteile ersetzt. Trotz der zusätzlichen Komplexität bei Schaltnetzteilen ist die grundsätzliche Art und Weise, wie sie geregelt werden, dieselbe. Der Hauptunterschied bei ihrer Regelung ist die Steuervariable. Sowohl Linearregler als auch Schaltregler vergleichen den Ausgang mit einer Referenz und verwenden diese Informationen, um einen bestimmten Aspekt der Schaltung zu steuern. Im Fall des Linearreglers wurde die Spannung an einem Transistor zum Regeln von Vout verwendet. Bei vielen Schaltreglern wird das Tastverhältnis (Verhältnis von Einschaltdauer zu Gesamtschaltdauer) geregelt. In anderen Topologien, wie der LLC-Resonanz, wird die Schaltfrequenz gesteuert.

Da die zur Erstellung der Rückkopplungsschleife und der Referenzen verwendeten Komponenten nicht perfekt sind, ist die Bestimmung auch nicht perfekt. Datenblätter für Stromversorgungen, einschließlich der nicht geregelten, enthalten Informationen, die den Benutzer darüber informieren, wie stark sich die Ausgangsspannung voraussichtlich unter verschiedenen Bedingungen ändern wird. Manchmal wird eine einzelne Zahl als Gesamtbestimmung oder einfach als Bestimmung angegeben, die alle Bedingungen umfasst. Es ist auch üblich, die beiden getrennt aufzulisten, um anzuzeigen, wie stark sich der Ausgang in Bezug auf eine einzelne Bedingung (d. h. Eingangsspannung oder Last) ändert.

Wenn Sie nun wissen, was die Bestimmung bewirkt und wie sie funktioniert, woher wissen Sie dann, welche Sie für Ihre Anwendung benötigen?

Geregelt

Wie bereits erwähnt, hängt die Leistung ungeregelter Stromversorgungen stark von den Betriebsbedingungen ab. Die einzige Möglichkeit, die Toleranz für den Ausgang zu verbessern, besteht darin, den Bereich der Betriebsbedingungen zu begrenzen. Für Anwendungen, die eine Vielzahl von Bedingungen erfüllen müssen, z. B. ein Netzteil mit Universaleingang (90 bis 265 Vac) und/oder solche, die eine enge Toleranz für die Ausgangsspannung erfordern, ist eine Bestimmung erforderlich.

Auch bei Anwendungen mit engen Umgebungsbedingungen können Unterschiede in den Bauteiltoleranzen und der Temperatur von Wandler zu Wandler zu Unterschieden in der Ausgangsspannung führen. Dies wird in der Regel in Datenblättern als Sollwertgenauigkeit angegeben. Selbst wenn die Bedingungen konstant sind und sich die Ausgangsspannung nicht ändert, kann die Ausgangsspannung ohne Regelung immer noch außerhalb des erforderlichen Toleranzbereichs liegen.

Ungeregelt

Anwendungen mit einem engen Bereich von Betriebsbedingungen und/oder mit einem weiten Spannungsbereich können von der Verwendung eines ungeregelten DC/DC-Wandlers profitieren. Die beiden Hauptvorteile eines ungeregelten DC/DC-Wandlers im Vergleich zu einem geregelten Wandler sind Größe und Kosten; ungeregelte Wandler sind häufig kleiner und billiger als gleichwertige geregelte Wandler. Dies ist das Ergebnis der zusätzlichen Komponenten, die zum Erstellen der Rückkopplungsschleife erforderlich sind.

Bei der Auswahl eines ungeregelten DC/DC-Wandlers wird der Hersteller häufig Diagramme bereitstellen, um die Beziehung zwischen dem Ausgang sowie den Leitungs- und Lastbedingungen anzuzeigen. Der Benutzer sollte diese Diagramme überprüfen und sicherstellen, dass die Spannung unter allen Betriebsbedingungen innerhalb ihrer Grenzen liegt. Das Diagramm in Abbildung 3 ist ein solches Diagramm und zeigt drei Kurven. Die Min- und Max-Linien geben die Sollwertgenauigkeit an. Ein einzelner Konverter fällt zwischen diese Linien, wobei eine Lastlinie parallel zu diesen Kurven verläuft. Die Lastlinie zeigt, wie stark sich die Ausgangsspannung voraussichtlich ändern wird, wenn die Last von Min. auf Max. wechselt.

Grafik mit ungeregelten Lastkurven
Abb. 3: Ungeregelte Lastkurven

Fazit

Eine genau kontrollierte Spannung ist bei vielen Anwendungen wichtig. Geregelte DC/DC-Wandler können unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen enge Toleranzen für Ausgangsspannungen bereitstellen. Für Anwendungen, bei denen eine streng kontrollierte Spannung nicht erforderlich ist, kann es jedoch vorteilhaft sein, einen ungeregelten DC/DC-Wandler zu verwenden. In diesen Fällen kann der Designer möglicherweise Größe und Kosten reduzieren, indem er einen ungeregelten DC/DC-Wandler verwendet.

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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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