Schaltregler-Bauteile

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Leistungs-MOSFET

Ein Kernstück eines jeden Schaltreglers ist der elektronische Schalter, normalerweise ein Transistor der im Schaltbetrieb arbeiten muss. Schaltbetrieb bedeutet, er muss abwechselnd den Stromfluss vollständig sperren oder ideal leiten.

Als Schalttransistoren können bipolare Typen (npn, pnp) oder unipolare MOSFETs (N-Kanal, P-Kanal) verwendet werden.

Die bipolaren Transistoren sind Stromverstärker. Für eine bestimmte Stromstärke, die in den Basis-Anschluss eingespeist wird erlauben sie ein bestimmtes Vielfaches an Stromfluss vom Kollektor-Anschluss zum Emitter-Anschluss. Der Stromverstärkungsfaktor (h21, ß) ist bei Leistungstransistoren mit Werten unter 100 recht gering. Darlington-Transistoren (2 verschaltete Transistoren in einem Gehäuse) erreichen aber Verstärkungen über 1000. Zwischen Kollektor und Emitter eines "eingeschalteten" bipolaren Transistors gibt es immer einen Spannungsabfall, der normalerweise mindestens 0,2 V beträgt, aber auch deutlich größer sein kann.

MOSFETs benötigen keinen Steuerstrom, sondern eine Steuerspannung. Diese Spannung am Gate-Anschluss steuert den Innenwiderstand zwischen Drain-Anschluss und Source-Anschluss. Bei 0V-Gate-Spannung beträgt der Innenwiderstand einige Megaohm, der MOSFET sperrt. Bei Spannungen um 12 V erreicht der Innenwiderstand seinen Minimalwert, weit unter 1 Ohm. Der MOSFET leitet. Spezielle LL-Typen (logic level) sind schon bei TTL-High-Pegel durchgesteuert.

Nebenstehendes Foto zeigt links einen unipolaren 150-W-Darlington-Transistor und rechts einen 105-W-LL-N-Kanal-MOSFET.

Das Sperren ist für Transistoren aller Art normalerweise kein Problem. Der nicht angesteuerte Transistor muss dabei lediglich die auftretende Spannung verkraften können. Bei Schaltreglern, die nicht direkt an der Netzspannung arbeiten sind das einige 10 V ansonsten ca. 400 V. Sollte dabei der Transistor einen kleinen Leckstrom durchlassen, so führt das zu Verlusten, die sich in Wärmeentwicklung ausdrücken. Doch solche Probleme treten normalerweise nicht auf.

Viel schwieriger ist das Leitverhalten des angesteuerten Transistors.
Ein normaler bipolarer Transistor hat auch im vollständig durchgeschalteten Zustand immer eine Kollektor-Emitterspannung (Uce) von ca. 0,2 V. Bei hohem Kollektorstrom (Ic) kann dieser Wert auch 1 V deutlich überschreiten. (BD239: 0,7V bei 1A; 2SC2625: 1,2V bei 4A; BUL510: 1,5V bei 5A; MJE13007: 3V bei 5A; aber BUF672: nur 0.2V bei 5,5A) Damit treten hohe Verluste auf, bei Ic = 10 A und Uce = 1V wird der Transistor mit 10 Watt aufgeheitzt. Das ruft schon nach einem mittlerem Kühlkörper.
Ein MOSFET hat keinen prinzipbedingten Spannungsabfall, sondern nur einen Innenwiderstand Ri. Spitzentypen erreichen im voll angesteuerten Zustand einen Innenwiderstand von weniger als 10 Milliohm. Ein Strom von 10 A bewirkt hier einen Spannungsabfall von 0,1 V und folglich eine Verlustleistung von nur 1W. Schaltet man zwei solche MOSFETs parallel, halbiert sich der Gesamtinnenwiderstand (5 Milliohm), was die Verlustleistung auf insgesamt 0,5 W reduziert. Auf jeden MOSFET entfallen also nur 0,25 W. Eine Kühlung ist überflüssig.

Der MOSFET ist dem bipolaren Transistor, bei hohen Strömen also deutlich überlegen.

Der Schalttransistor muss ständig (mehrere tausend mal pro Sekunde) zwischen leitendem und sperrendem Zustand umgeschaltet werden. Im Umschaltmoment ändert sich der Innenwiderstand eines MOSFET von ~0 auf ~unendlich. In dieser Übergangszeit treten gleichzeitig hohe Ströme und Spannungen entlang der Drain-Source-Strecke des MOSFET auf. Das führt zu Verlusten und zur Erwärmung des MOSFETs.

Diese Umschaltverluste sind oft höher als die Verluste im leitenden Zustand. Um sie so klein wie möglich zu halten, muss das Umschalten so schnell wie möglich erfolgen. Beim Ausschalten ist das Gate zunächst wie ein Kondensator mit Elektronen geladen. Diese müssen in kürzester Zeit aus dem Gate "gesaugt" und nach Masse abgeleitet werden. Die dafür nötige Zeit (die Ausschaltzeit) wird von der Gate-Kapazität und dem Innenwiderstand der Ansteuerstufe bestimmt. (Dazu kommt noch die Kapazität zwischen Gate und Drain, die gleichzeitig geladen werden muss, und dabei versucht, die Gate-Spannung anzuheben.) Diese Ansteuerstufen sind deshalb recht kräftig ausgelegt. Wer also an die oft gepriesene leistungsfreie Ansteuerung von MOSFETs glaubt und sich über scheinbar viel zu aufwendige Ansteuerschaltungen wundert, dem sei gesagt: um einen großen MOSFET blitzschnell abzuschalten, sind beachtliche Gateströme nötig, wenn auch nur für einen kurzen Augenblick.

Die Gate-Ansteuerung muss also niederohmig erfolgen. Bewährt haben sich Gegentakttreiber (z.B. in dieser Schaltung), es gibt auch MOSFET-Ansteuerschaltkreise (z.B. MIC442x) die 1,5A Ausgangsstrom bereitstellen und damit ein Gate mit 1nF Kapazität in 25 ns schalten können.

Gates reagieren empfindlich auf Überspannungen, deshalb sind sie mit 18-V-Z-Dioden zu schützen, falls am Gate höhere Spannungen auftreten können.

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Speicherspule

Im Schaltregler werden Spulen und Kondensatoren als Ladungsspeicher benutzt. Beide verhalten sich ähnlich. Würde man in der Mechanik nach Äquivalenten zu Kondensator und Spule suchen, dann entspräche der Kondensator wohl einer Feder, die man zusammendrücken kann oder einer Pressluftflasche (Kapazität=Volumen, Spannung=Druck), die man aufpumpt. Die Spule ähnelt am ehesten einem Schwungrad (Induktivität =Masse, Strom=Drehzahl).

Kondensator

Spule

Der Kondensator speichert Energie intern in einem elektrischen Feld.	Die Spule speichert Energie intern in einem magnetischen Feld.
Schließt man einen leeren Kondensator an eine Stromquelle an, so lädt er sich auf, die Spannung über dem Kondensator steigt langsam an.	Schließt man eine leere Spule an eine Spannungsquelle an, so lädt sie sich auf, der Strom durch die Spule steigt langsam an.
Die gespeicherte Energiemenge ist proportional dem Quadrat der Spannung am Kondensator.	Die gespeicherte Energiemenge ist proportional dem Quadrat des Stromflusses durch die Spule.
Bringt man die Spannung künstlich auf 0 V (z.B. durch einen Kurzschluss), so entlädt sich die Energie schlagartig mit einer Stromspitze. Der Entladestrom hat die umgekehrte Polarität wie der Ladestrom.	Bringt man den Strom künstlich auf 0 A (z.B. durch Unterbrechen des Stromkreises), so entlädt sich die Energie schlagartig mit einer Spannungsspitze. Die Spannung an der Spule beim Entladen hat die umgekehrte Polarität wie die Ladespannung.
Die im Kondensator gespeicherte Energie ist W = ¹/₂ * C * U² (C=Kapazität, U=Spannung)	Die in der Spule gespeicherte Energiemenge ist W = ¹/₂ * L * I² (L=Induktivität, I=Strom)

Verbindet man eine Spule mit einer Spannungsquelle, so beginnt ein Stromfluss durch die Spule, der bei 0 beginnend gleichmäßig ansteigt. Die Geschwindigkeit des Stromanstiegs hängt von der Induktivität der Spule ab. Je größer die Induktivität, um so langsamer der Stromanstieg. Es gilt:

I = U * t / L (wenn U und L konstant)

Eine Spule mit der Induktivität von 1 Henry erreicht nach 1 Millisekunde an einer 10-V-Spannungsquelle einen Strom von 10 Milliampere und nach 1 Sekunde einen Strom von 10 Ampere.
Nun ist eine Spule von 1 H in etwa genauso unpraktisch groß wie ein Kondensator von 1 F. Die praktischere Spule mit einer Induktivität von 100 µH erreicht nach 1 ms an der 10-V-Spannungsquelle schon einen Strom von 100 A. Höchste Zeit zum Abschalten.

Die Induktivität L einer Spule ist proportional dem Quadrat ihrer Windungszahl N. Das bedeutet, dass eine doppelte Windungszahl zu einer vierfachen Induktivität führt.

Da eine Spule aus Draht gewickelt ist, und dieser Draht einen ohmschen Widerstand besitzt, hat natürlich auch die Spule einen Widerstand, der zur Erwärmung und somit zu Verlusten führt. Um die in Grenzen zu halten, sollte man dicken Draht, oder mehrere parallele Drähte verwenden. Eine Spule, die mit 5A betrieben wird sollte nicht mehr als 50 Milliohm DC-Widerstand haben (1,25 W Verlust). So eine Spule kann also nur wenige Windungen mit dickem Draht haben.
Hinweis: Ein 1m langer Draht mit 1qmm Querschnitt hat etwa 18 mOhm Widerstand.

Jede Spule hat Kernverluste. Man kann sich das stark vereinfacht so vorstellen, dass ein Kern aus Millionen kleiner Magneten besteht, die durch das Magnetfeld der Spule bewegt werden (entlang der Magnetfeldlinien ausgerichtet). So eine Bewegung verbraucht Energie, die letztendlich im Kern in Form von Wärme freigesetzt wird. Ein konstantes Magnetfeld bewegt natürlich nichts mehr, sondern nur ein sich änderndes Magnetfeld. Deshalb steigt der Kernverlust mit der Amplitude des AC-Stroms durch die Spule und mit der Frequenz dieses Stromes. Für jeden Kern gibt es deshalb auch eine maximale Betriebsfrequenz, die man einhalten sollte, um den Kern nicht zu überhitzen.

Eine Spule ohne Kern (Luftspule) hat eine sehr kleine Induktivität. Da der geforderte kleine Innenwiderstand nur wenige Windungen erlaubt, versieht man die Spule mit einem Kern aus magnetisierbarem Material (z.B. Ferrit oder Eisenpulver-Kern), dieser vervielfacht die Induktivität der Spule. Die Magnetisierbarkeit des Kerns ist aber begrenzt. (Sättigung des Kerns) Mit steigender Magnetfeldstärke wirkt sich der Kern immer weniger aus, und bei einer bestimmten Feldstärke ist der Kern gesättigt (gewissermaßen am Anschlag). Von hier an wirkt nur noch die Induktivität der Drahtwindungen ohne den Kern. Das bedeutet, eine Spule mit Kern hat mit steigendem Stromfluss eine abnehmende Induktivität. Deshalb ist die Wahl des richtigen Kernmaterials entscheidend.

Die Sättigung des Kerns tritt bei einer bestimmten magnetische Flussdichte (B) ein, die wiederum in etwa proportional zum Produkt aus Strom (I) und Windungszahl (N) ist:

B = I * N * x (x ist eine kernabhängiger Proportionalitätsfaktor)

Damit lässt sich folglich für jeden Kern ausgehend vom Spulen-Spitzenstrom eine höchstzulässige Windungszahl errechnen.

Beispiel:
Wird eine 100 µH-Spule, deren Kern z.B. bei 5 A in Sättigung gerät, an eine Spannungsquelle angeschlossen, erzeugt sie einen Stromfluss, der bei 0 beginnend zunächst ziemlich gleichmäßig ansteigt, bis er den Wert 5 A erreicht hat. Nun steigt der Strom aber fast schlagartig an, da die Induktivität nur noch einen Bruchteil des ursprünglichen Wertes beträgt. Das kann zur Zerstörung des Schalttransistors führen. Außerdem ist natürlich die in der Spule gespeicherte Energiemenge geringer, als wenn der Kern erst bei 10 A in Sättigung geraten wäre.

Halbiert man die Zahl der Windungen dieser Spule, dann tritt die Sättigung erst beim doppelten Strom auf. Man kann die Spule nun bis zu 10A einsetzen. Allerdings hat sie nun nur noch eine Induktivität von 25µH. Schließt man die Spule nun wieder an die gleiche Spannungsquelle an, so steigt der Strom durch die Spule nun 4 mal schneller als im ersten Versuch an. Er erreicht aber gleichmäßig ansteigend 10A, bevor er schlagartig weiter ansteigt. Die Spule kann nun bis 10A eingesetzt werden, allerdings muss die Schaltfrequenz mindestens doppelt so hoch sein, wie sie es in der 5A-Auslegung mindestens sein musste. Es wird im Kern also immer die gleiche Maximalenergiemenge gespeichert.

Bewährt haben sich Ringkernspulen mit 10 .. 20 Windungen Kupferdraht. Bei Strömen über 3 A sollte man mehrere 1-mm-Drähte parallel wickeln. Die typische Induktivität der Speicherdrossel beträgt einige 10 µH bis einige 100 µH. Sie lässt sich mit mit einem Messaufbau oder einem Messgerät messen. (Ist die Windungszahl und der AL-Wert des Kerns bekannt, lässt sich die Induktivität auch berechnen.) Ihr typischer ohmscher Widerstand beträgt höchstens einige 10 mOhm (er lässt sich messen oder berechnen).

Es ist bei der Spulenwahl darauf zu achten, dass die Spule für die im Schaltregler auftretenden Ströme ausgelegt ist, da diese Grenze nicht nur für den Draht, sondern auch für den Kern gilt (Sättigung).

Die Induktivität der Spule bei Nennstrom beträgt nur noch etwa die Hälfte der Induktivität der stromlosen Spule.

Foto-Drosselspule Bei den auf dem nebenstehenden Foto abgebildeten Spulen handelt es sich (von links nach rechts) um

eine einfache 10A-100µH-Spule für Entstörzwecke

eine kleine 3,5-µH-Spule für Step-Down-Regler mit mehreren hundet Kiloherz

eine richtige 24-µH-Speicherdrossel (Kern: 18AW 55548-A20)

Am einfachsten beschaffbar ist die billige 10-A-Drossel für Entstörzwecke. Der Kern ergibt eine Induktivität von ca. 75 nH/N² (AL = 75 nH). Die Spule hat bei 36 Windungen also eine Induktivität von 100 µH. Sie lässt sich als preiswerte Speicherspule bis ca. 5 A verwenden, wobei man mit einer Induktivität von ca. 50 µH rechnen kann.
Bei einem Kernaußendurchmesser von 31mm benötigt man für die 36 Windungen etwa 120 cm Kupferdraht. Bei einem Drahtquerschnitt von 1 qmm beträgt der ohmsche Widerstand der Spule etwa 20 Milliohm.
Die kleine Drossel aus dem Foto ist für Bastler kaum nutzbar, da man kaum im 200..500kHz-Bereich arbeiten wird. Für kleineren Frequenzen ist ihre Induktivität zu klein.

Richtige Leistungs-Speicherdrosseln kosten mindestens 15 €, bieten aber auch deutlich bessere Parameter. Ihr Innenwiderstand liegt unter 5 Milliohm. und der AL-Wert bei ca. 130nH. Die Induktivität ist etwa 24µH.

Wird der Draht von der linken Spule entfernt und werden dafür 17 Windungen dickeren Drahtes (oder auch 17 Windungen mit zwei..drei parallelen 1qmm-Drähten) aufgewickelt, dann hat man eine 20µH-Speicherdrossel für 10A mit weniger als 5 Milliohm Innenwiderstand. Allerdings sind die Kernverluste höher als mit der rechten Speicherdrossel im Bild.

Jeder Spulenkern besitzt einen AL-Wert, aus dem sich die nötige Windungszahl für eine bestimmte Induktivität errechnen lässt. Dabei gilt die Formel

L = AL * N²

wobei N die Windungszahl ist. Ein Kern mit einem AL-Wert von 1200 nH hat mit 10 Windungen eine Induktivität von

L = 1200 nH * 10² = 120000 nH = 120 µH

Wird ein Kern aus zwei Hälften zusammengesetzt (zusammengeklebt), so kann man seinen AL-Wert verkleinern, wenn man zwischen die Kernhälften Abstandsscheiben (z.B. aus Plastik) einsetzt (werden oft Beilagen genannt). Auf den ersten Blick erscheint es dumm, sich auf diese Weise die Induktivität zu verkleinern, allerdings kommt so ein Kern später in Sättigung. Deshalb werden solche Abstandsscheiben (oder auch Luftspalten im Kern) besonders dann eingesetzt, wenn eine Spule überwiegend von Gleichstrom durchflossen wird, wie es in Step-Up- oder Step-Down-Konvertern der Fall ist.

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Autor: sprut
erstellt: 2000
letzte Änderung: 30.01.2004