Bild 1: Schaltplan.Texas Instruments
Die einfachste Möglichkeit zur Erzeugung einer isolierten Spannung besteht in der Verwendung einer Topologie mit einem Übertrager und primärseitiger Regelung. Auf diese Weise kommt man ohne Optokoppler aus, so dass weniger Platz benötigt wird und die Kosten sinken. Zwar hat dieses Konzept erhebliche Auswirkungen auf die Lastregelungs-Eigenschaften, doch wenn die Anforderungen des Verbrauchers an die Stabilität der Versorgungsspannung nicht übermäßig hoch sind, kommt eine primärseitig geregelte isolierte Stromversorgung durchaus in Frage. Aber auch wenn eine recht genau geregelte Spannung bei geringer Leistung gewünscht wird, ist es immer noch billiger, die soeben beschriebene Konfiguration durch einen Linearregler (beispielsweise aus der TLV704xx-Serie) zu ergänzen, als eine primärseitige Regelung mit Optokoppler zu implementieren.
Bild 2: Wirkungsgrad.Texas Instruments
Im vorliegenden Fall wird eine Ausgangsspannung von etwa 15,0 V bei einem Strom von 20 mA benötigt. Die Eingangsspannung ist auf +15,0 V festgelegt. Da Ein‑ und Ausgangsspannung somit identisch sind, kann ein Übertrager mit einem Windungsverhältnis von 1:1 verwendet werden, denn dies sorgt für eine gute Kopplung zwischen Primär‑ und Sekundärwicklung und verbessert dadurch die Regelgenauigkeit der Ausgangsspannung.
Als einfachste Topologie für diesen Zweck empfiehlt sich ein Sperrwandler mit dem Universal-Controller MC34063A. Dieser Reglerbaustein mag ein wenig aus der Mode gekommen sein und in Sachen Performance nicht mit modernen Reglern mithalten können, in Sachen Kosteneffektivität kann er aber immer noch punkten.
Die Schaltung
Bild 3: Lastregelung.Texas Instruments
Der Schaltplan des isolierten Gleichspannungswandlers ist in Bild 1 zu sehen. Der MC34063A ist hier als Spannungsinverter konfiguriert, wobei der Miniatur-Übertrager (Würth 760370102; 1500 V AC) die Drossel ersetzt. Die Spannung wird primärseitig geregelt und kann mit den Widerständen R4 und R5 eingestellt werden. Die von diesen beiden Widerständen gebildete geringe Last wirkt sich außerdem günstig auf das Lastregelverhalten aus, da die Gleichrichterdiode für Spitzenwertgleichrichtung konfiguriert ist. Wäre in dieser Konfiguration keine Last vorhanden, würden Rauschen und Spannungsspitzen gleichgerichtet und im Ausgangskondensator aufsummiert und ließen die Ausgangsspannung über den Sollwert hinaus ansteigen.
Die sekundärseitige Gleichrichtung erfolgt mit der Diode D1. Ein kleiner Keramik-Kondensator von 10 µF puffert die Spannung, und R2 dient hier ebenfalls als Last, ohne die ein unzulässiges Ansteigen der Spannung zu befürchten wäre. Die Z-Diode D2 bietet zusätzlichen Schutz, sollte die Ausgangsspannung aus irgendwelchen Gründen über 16 V ansteigen.
Messungen
Bild 4: Ansicht der Schaltung.Texas Instruments
Es überrascht nicht, dass der Wirkungsgrad recht gering ist. Hauptursachen hierfür sind der Gleichstromwiderstand des Übertragers und der hier als Schalter verwendete, integrierte NPN-Bipolartransistor des MC34063A. Bei der eingesetzten Darlington-Konfiguration beträgt die Sättigungsspannung rund 1 V.
Die Einfachheit der Schaltung muss nicht zuletzt mit Abstrichen an der Lastregelung erkauft werden. Die Ausgangsspannung schwankt zwischen 15,6 V bei 2 mA und 14,2 V bei 20 mA, also um etwa 10 %.
Bei einseitiger und nicht zu dichter Bestückung kann die Schaltung auf einer nur 40 x 10 mm großen Leiterplatte aufgebaut werden, jedoch ist in Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen eine weitere Optimierung möglich. Bei beidseitiger Bestückung erscheint eine Halbierung der Leiterplattenfläche durchaus realistisch.
Matthias Ulmann
(jj)
