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Power-Tipps von TI, Teil 3 Dämpfen eines Eingangsfilters

| Autor / Redakteur: Robert Kollman* / Johann Wiesböck

Schaltregler werden häufig anstelle von Linearreglern eingesetzt, weil sie eine Eingangsspannung mit hohem Wirkungsgrad in eine Form umwandeln können, die für die Last am besten geeignet ist.

(Bild: Vogel Business Media)

Bei diesen Stromversorgungen kommen zahlreiche Topologien zur Anwendung, aber bei allen von ihnen ist der Wirkungsgrad über den Bereich der Eingangsgröße hinweg im Wesentlichen konstant. Somit ist die Eingangsleistung über dem Eingangsspannungsbereich annähernd konstant.

Bild 1 zeigt die Eingangsspannung in Abhängigkeit vom Eingangsstrom. Wird die Spannung verringert, so nimmt der Strom zu. Die Steigung dieser Kennlinie entspricht der dynamischen Impedanz der Stromversorgung, und diese ist negativ.

Bild 1: Stromversorgungen mit Schaltreglern haben eine negative Impedanz
Bild 1: Stromversorgungen mit Schaltreglern haben eine negative Impedanz
(Bild: Texas Instruments)

Algebraisch ausgedrückt, ist die Steigung dieser Kurve gleich dem negativen Wert der Eingangsspannung, geteilt durch den Eingangsstrom. Das ist natürlich stark vereinfacht dargestellt, da der Regelkreis Einfluss auf den Frequenzgang der Eingangsimpedanz hat. In vielen Fällen aber genügt diese vereinfachte Betrachtung, wenn eine stromgesteuerte Regelung angewandt wird.

Schaltregler haben eine diskontinuierliche Stromaufnahme

Schaltregler haben eine diskontinuierliche Stromaufnahme, was zu einer Unterbrechung des Systembetriebs führen kann, wenn keine geeigneten Filtermaßnahmen getroffen werden. Die meisten Stromversorgungssysteme sind daher mit einem Filter ausgestattet, das einen Frequenzgang wie in Bild 2 aufweist. Der Kondensator stellt für den Schaltstrom in der Leistungsstufe eine niedrige Impedanz dar. Die Induktivität stellt für die resultierende überlagerte Wechselspannung über dem Kondensator dagegen eine hohe Impedanz dar.

Bild 2: Bei der Resonanzfrequenz wird ein Filter zu einer resistiven Quellimpedanz
Bild 2: Bei der Resonanzfrequenz wird ein Filter zu einer resistiven Quellimpedanz
(Bild: Texas Instruments)

Diese hohe Impedanz minimiert den zur Quelle fließenden Schaltstrom. Betrachtet man den Frequenzgang der Quellimpedanz des Filters, so sieht man, dass diese bei niedrigen Frequenzen gleich dem Widerstand der Induktivität ist. Mit steigender Frequenz erhöht sich die Impedanz der Induktivität. Bei sehr hohen Frequenzen wird die Impedanz vom Ausgangskondensator überbrückt.

Im mittleren Frequenzbereich geraten Kondensator und Induktivität in Resonanz

Im mittleren Frequenzbereich geraten Kondensator und Induktivität in Resonanz, bei der eine hohe Quellimpedanz entsteht. In den meisten Fällen lässt sich der Spitzenwert durch Berechnen der charakteristischen Impedanz des Filters (Zout) abschätzen. Diese ist gleich der Quadratwurzel aus der Induktivität, dividiert durch die Kapazität. Hierbei handelt es sich um die Impedanz entweder der Induktivität oder des Kondensators bei der Resonanzfrequenz.

Addieren Sie als nächstes den Kondensator-Ersatzserienwiderstand (ESR) und den Widerstand der Induktivität, und berechnen Sie die Güte Q der Schaltung. Nun können Sie den Spitzenwert der Quellimpedanz abschätzen, indem Sie Zo mit dem Q der Schaltung multiplizieren. Diese Arbeit können Sie natürlich auch einem Computer überlassen.

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