Prototypenentwicklung für eine kontaktlose Leistungsübertragung

Projekt beheizbare Fußmatte VW

Das Prinzip des Sperrwandlers ist, dass eine kleine Menge Energie im Magnetfeld eines Trafos, bestehend aus dem idealen Übertrager L₁ und L₂ und der Hauptinduktivität L_h, gespeichert wird. Die 1. Phase ist das „Laden“ der Hauptinduktivität und die 2. Phase, das „Entladen“ über die Sekundärseite. Dieser Zyklus wird mit Schaltfrequenz einige Tausend Mal pro Sekunde durchlaufen, so dass ein quasi kontinuierlicher Energiefluss von der Erzeuger- zur Verbraucherseite entsteht.

Die 1. Phase ist die Leitphase mit geschlossenem, die 2. Phase die Sperrphase mit geöffnetem Schalter S.

Während der Leitphase (0…t₁) sperrt die Diode D (Plus an Kathode), und es fließt nur ein Strom durch die Hauptinduktivität L_h welcher durch die Eingangsspannung U_e verursacht wird. Die Wicklung L₂ ist stromlos. Es baut sich im Luftspalt der Spule eine magnetische Spannung auf. In dieser Phase gibt es keine Energieübertragung, die Ausgangsspannung wird nur durch den Kondensator C gehalten.

Öffnet sich der Schalter S, so beginnt die Sperrphase (t₁…T) . Der Strom I₁ wird durch den offenen Schalter schlagartig zu null, da aber der Strom durch die Hauptinduktivität L_h nicht springen kann, fließt er über den idealen Übertrager, also L₁ und L₂, und über die Diode D zum Ausgang. Dort lädt er den Kondensator C auf die Ausgangsspannung U_a auf. Dieser Strom nimmt linear ab und wird im lückenden Betrieb schließlich null, wenn alle Energie aus der Spule abgeflossen ist, die Spule also „entladen“ ist (t₂). Danach schließt der Schalter wieder, die Leitphase beginnt wieder, und der Zyklus beginnt von neuem. Der eigentliche Energietransport auf die Sekundärseite findet während der Sperrphase statt, weshalb diese Schaltung als Sperrwandler bezeichnet wird.

Eine nicht ideale Spule verfügt über Wicklungskapazitäten, die zu Beginn der Sperrphase ebenfalls aufgeladen wurden. Die dort gespeicherte Energie führt mit der Spule zusammen zu einer gedämpften Eigenresonanzschwingung (Schwingkreis), nachdem die Spule ihren gesamten Strom abgegeben hat (t₂…T).

In der Praxis wird als Schalter S ein Transistor eingesetzt, wobei die Schaltfrequenz üblicherweise über 16 kHz (knapp über dem Hörbereich zur Vermeidung von Störgeräuschen) bis über 500 kHz gewählt werden – höhere Frequenzen erlauben die Verwendung kleinerer Spulen, bedingen aber höhere Verluste im Schaltelement und der Diode.

Der „Speichertransformator“

Magnetisch gekoppelte Spulen, wie sie bei dem Sperrwandler eingesetzt werden, ähneln Transformatoren. Sie unterscheiden sich jedoch wesentlich von Transformatoren, da die gesamte übertragene Energie zwischen den einzelnen Zuständen im Magnetfeld zwischengespeichert wird. Bei gewöhnlichen Transformatoren wird wegen der gleichzeitigen Leistungsaufnahme und -abgabe nur wenig magnetische Energie im Kern gespeichert. Der Magnetkern weist bei herkömmlichen Transformatoren keinen Luftspalt auf, wohingegen die Kerne bei Sperrwandlern immer einen Luftspalt wie bei Spulen aufweisen, in dem ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldenergie durch die dort auftretende hohe magnetische Spannung gespeichert wird. Je nach Bauform wird der Luftspalt beispielsweise bei E-Kernen im Bereich des Mittelschenkels angebracht und ist von außen nicht mehr sichtbar.

Bei Schaltnetzteilen nach dem Sperrwandler-Prinzip ist der Speichertransformator dank der hohen Arbeitsfrequenz dennoch viel kleiner und leichter als ein 50-Hz-Transformator. Er ist jedoch größer als der Transformator bei anderen Schaltnetzteil-Topologien; dafür ist für Sperrwandler keine weitere Speicherdrossel erforderlich