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DC/DC Book of Knowledge

RECOM's DC/DC Book of Knowledge ist eine detaillierte Einführung in die verschiedenen Arten von DC/DC Wandlern, Feedback Schleifen (Analog und Digital), Tests und Messungen, Schutz, Filter, Sicherheit, Verlässlichkeit, Konstantstrom-Treiber und DC/DC Anwendungen. Der Inhalt ist notwendigerweise sehr technisch, aber trotzdem sowohl für Entwickler und Designer als auch für Studenten leicht lesbar.

Ein AC/DC- oder DC/DC-Wandlermodul erfüllt eine oder mehrere der folgenden Aufgaben:

  • Anpassung der sekundären Stromversorgung an die Primärversorgung
  • Trennung von Primär- und Sekundärkreisen
  • Schutz vor Fehlfunktionen, Kurzschlüssen und Überhitzung
  • Vereinfachung der Einhaltung von Sicherheits- und Leistungsstandards sowie der Vorgaben der EMV-Gesetzgebung

 

Viel Spaß beim Lesen.

Kap. 1: Spannungsregler

Moderne AC/DC- und DC/DC-Wandler sind so ausgerichtet, dass sie eine effiziente Spannungsumsetzung gewährleisten und eine geregelte, sichere und konstante Gleichstromspeisung für verschiedene elektronische Instrumente, Geräte und Systeme bereitstellen. Vor nicht allzu langer Zeit waren Transformatoren, Gleichrichter und lineare Spannungsregler die Haupttechnologie in der Spannungsumsetzung; aber so wie LEDs langsam die Glühbirne ersetzen, verdrängt auch der DC/DC-Wandler allmählich den Linearspannungsregler, und primärgetaktete Netzteile ersetzen den einfachen 50-Hz-Netztransformator. 

Kap. 2: Feedbackschleifen

Einige der wichtigsten Entwicklungtskriterien in der Konstruktion von DC/DC-Wandlern sind Berechnungen und Methodiken, die zur Auslegung der Rückkopplungsschleifen der Regelung eingesetzt werden. Werden Schleifenparameter nicht korrekt berechnet, kann der Wandler Instabilität und Regelungsfehler aufweisen. Die Funktion einer Rückkopplungsschleife in einem DC/DC-Wandler besteht darin, den Ausgang bei einer fixen Größe, die nur vom Referenzwert abhängt, zu halten, d.h. sie ist unabhängig von Last-, Eingangsspannungs- oder Umweltabweichungen.

Kap. 3: Datenblatt Parameter richtig verstehen

Jeder seriöse Hersteller liefert mit seinem Produkt ein technisches Datenblatt, das wenigstens wesentliche Performanceparameter, Abmessungen und die Pinbelegung detailiert aufzeigt. Jedoch ist für den Vergleich zweier verschiedener DC/DC-Wandler anhand der Datenblatt-Informationen häufig mehr Interpretation gefragt, als ein einfacher Vergleich von Zahlenwerten.

Kap. 4: DC/DC-Wandler-Schutzmaßnahmen

Wie im Vorwort erwähnt, besteht eine der Funktionen des DC/DC-Wandlers darin, die Anwendungen zu schützen. Im einfachsten Fall erfolgt dieser Schutz durch eine Anpassung der Last an die primäre Stromquelle und einer Stabilisierung der Ausgangsspannung gegen Eingangsüber- und Unterspannung. der DC/DC-Wandler ist aber auch ein wesentliches Element, das den Kurzschlussschutz des Systems gewährleistet. Die Begrenzung einer Ausgangsüberlastung und Kurzschlussschutz beispielsweise schützen nicht nur den Wandler.

Kap. 5: Befilterung von Wandlereingang und -ausgang

Alle DC/DC-Wandler haben eine Restwelligkeit in der Ausgangsspannung infolge des Auf- und Entladens des Ausgangskondensators mit jedem Taktimpuls des internen Oszillators. Diese Ausgangswelligkeit hat je nach Topologie eine Frequenz, die entweder dieselbe oder doppelte Wandlerschaltfrequenz ist und in der Regel im 100-bis 200-kHz-Bereich liegt. Der Welligkeit überlagert sind Schaltspannungsspitzen mit einer viel höheren Frequenz, üblicherweise im MHz-Bereich.

Kap. 6: Sicherheit

Die Hauptziele verschiedener Sicherheitsstandards und -Vorschriften bestehen darin Sach- oder Personenschaden zu vermeiden, indem man Schutzgrade gegen folgende potentielle Gefahren definiert: Elektrischer Stromschlag, gefährliche Energie, Brand und Rauchentwicklung, Körperverletzung, Gefährdung durch Strahlung und Chemikalien.

Kap. 7: Betriebszuverlässigkeit

Fast seit Beginn der Nutzung der Elektrotechnik ist es für den Anwender notwendig, zu wissen, wie lange die Geräte ordnungsgemäß arbeiten werden. Da niemand die Zukunft vorhersagen kann, wurden statistische Verfahren entwickelt, um die Betriebszuverlässigkeit von Bauteilen, Komponenten, Baueinheiten oder Geräten vorauszusagen.

Kap. 8: LED Charakteristiken

Im Krieg lautet die erste Soldatenpflicht "Du musst wissen, wer Dein Feind ist". Dasselbe Prinzip gilt für die Festkörperbeleuchtung (SSL = Solid State Lighting) - wenn man nicht  versteht, wie sich die LED (Leuchtdiode) verhält, darf man sich nicht wundern, wenn die Anwendung nicht gelingt.

Kap. 9: DC/DC-Anwendungsideen

Viele Anwendungen erfordern eine DC/DC-Spannungswandlung. So viele, dass nach Einschätzungen der Weltmarkt bis zum Jahre 2020 die 35-Milliarden-Dollar-Marke überschritten haben wird. Für viele Anwendungs-Entwickler ist aber der DC/DC-Wandler eine "Blackbox", eine Komponente zur Erfüllung einer Funktion.

Kap. 10: Magnetische Felder

Das 10. Kapitel deckt die Grundlagen von Trafomagnetismus inklusive Fachausdrücke, Kernsättigung, Induktivitäten mit Luftspalt, Kerngeometrien, Kernverluste, Skin Effekt und Proximity Effekt ab. In Anwendungsbeispielen von buck & boost- DC/DC Wandler-Designs wird gezeigt, wie magnetische Komponenten korrekt dimensioniert und Verluste im Magnetischen Kern und in Schaltelementen berechnet werden.