Überlegungen erster Ordnung ob Sperr-, Fluss- oder Gegenaktwandler
Worum es in diesem Artikel geht: Der Blitzkondensator für die Xenon-Röhre soll in einer möglichst kurzen Zeit aufgeladen werden.
Die Blitzröhre ist eine mit Xenon gefüllte Lichtbogenlampe, sie ist so gebaut, dass nur ein Impulsbetrieb stattfinden darf. In der Schaltung liegt die Röhre parallel zum Blitzkondensator und wird über einen von außen angelegten Impuls gezündet. Der Abbrand der im Kondensator gespeicherten Energie erfolgt blitzartig, die Dauer der Leuchterscheinung liegt im Millisekundenbereich, ist jedoch lang genug, so dass ein Kameraverschluss damit synchronisiert werden kann.
Die im Kondensator gespeicherte Energie berechnet sich nach der bekannten Formel W = C/2 * U². Z.B. haben wir einen Blitzkondensator mit 660 µF und dieser ist auf 300 V aufgeladen. Die Blitzenergie ergibt sich zu rund 30 Ws.
Zum Aufladen des Kondensators brauchen wir eine bestimmte Leistung, die wiederum errechnet sich als Momentanwert zu P = U * I. Wir werden gleich sehen, dass die zu erbringende Leistung nicht konstant ist, sondern mit der Spannung am Kondensator wächst. Mehr noch: Die Leistungskurve geht durch den Nullpunkt, denn an einem Kondensator gibt es keine Spannungssprünge, die Spannung am Kondensator ist anfangs Null, also ist auch die Leistung Null.
Wir nehmen uns vor, den Kondensator mit einem konstanten Strom zu laden, wenn das in der Praxis nicht der Fall sein sollte, ist das auch nicht weiter tragisch, dann ist die Kurve eben krumm. Untenstehend der Fall mit konstantem Strom:
Spannung ^
U | /
300 V | /
| /
| /
|/
+-----> Zeit t
Wir wollen am Ende des Ladevorgangs eine Spanung von U = 300 V und das in einer Zeit von, sagen wir 30 Sekunden. Hieraus ergibt sich der am Lade-Ende vorliegende Strom I und damit die Leistung, die unser Transverter aufbringen muss.
Aus dieser Überlegung heraus wird sofort klar, dass der Wandlertyp kein Fluss- oder Gegentakt-Flusswandler sein kann, denn diese Wandlertypen arbeiten mit einer konstanten Leistung. Die richtige Wahl fällt somit auf einen Sperrwandler.
Die Leistung ist ein Momentanwert, die Energie ist das Integral der Leistung über die Zeit. Der Einfachheit halber betrachten wir auch die Leistungskurve als eine Gerade (linearer Anstieg) und können die Leistung berechnen aufgrund der Endenergie von 30 Ws. Damit gewinnen wir die Erkenntnis, dass unser Transverter eine Endleistung von fast 12 W aufbringen muss (Rechnung über Pythagoras).
Grundsätzlich liegen keine Sinusförmigen Schwingungen vor. Steigen wir ein in das hochinteressante Gebiet der Impulstechnik und lernen die Wechselwirkung zwischen Spule und Kondensator aus der Sicht eines Impulstechnikers kennen.
Der Übertrager ist also kein gewöhnlicher Transformator, sondern überträgt Impulse. Für unserer Belange ist ein solcher Übertrager vergleichbar mit dem 'Zeilentransformator' in einem Fernsehgerät, tatsächlich habe ich für meinen Blitztransverter einen ausgedienten 'Zeilentrafo' umgewickelt. Doch zunächst zur Theorie: Wir legen eine Gleichspannung von 12 V an die Primärwicklung, was passiert?
An einer Spule darf die Spannung sprunghaft ansteigen, der Strom folgt verzögert und beginnt bei Null. Bei konstanter Spannung steigt der Strom linear an einer Spule. Theoretisch bis ins Unendliche, aber wir begrenzen den Strom sowieso schon vorher mit unserer noch zu bauenden Schaltung, noch bevor das Eisen (Spulenkern, Ferrit) in die Sättigung geht, schalten wir den Strom ab.
Oha, was haben wir mal gelernt: Der Strom darf an einer Spule nicht springen! Richtig, wenn wir den Strom einfach abschalten, würde die Spannung ins Unendliche ansteigen und den Transformator zerstören. Genau das passiert jedoch nicht, denn wir haben ja eine Sekundärwicklung und dort als Last einen Kondensator.
Das mit dem Impuls aufgebaute Magnetfeld baut sich nun so ab, dass der in der Spule eingespeiste und gespeicherte Strom sekundärseitig in den Kondensator abfließt. Das Übersetzungsverhälnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung bestimmt auch hier, den Naturgesetzen folgend, die sekundär maximal zu erreichende Spannung und die zu- bzw. abfließenden Stromstärken.
Nun können wir die Stromstärken abschätzen, sekundär haben wir nach dem Ohmschen Gesetz bei einer Leistung von 12 W bei 300 V eine Stromstärke von P/U ≅ 40 mA. Wegen dem Impulsbetrieb im Primärkreis haben wir jedoch fast 3A Spitzenstrom, das muss unser Schalttransistor abkönnen und selbstverständlich muss auch der Akku diesen Strom, zumindest kurzzeitig als Impuls, liefern können. Über die Leistung (12W) ergibt sich primärseitig ein gemittelter Strom von 1A (Effektivwert) bei 12V und 12W. Der exakte Wert für den Spitzenstrom ergibt sich über die Formel für den Effektivwert einer Rechteckschwingung.
Ein Solcher erzeugt die Impulse von selbst, Kenngrößen sind Impulsdauer und das Tastverhältnis. Wir wollen noch einmal kurz in die Theorie einsteigen, die Impulse können wir uns in etwa so vorstellen:
_ _ _
_| |_| |_| |_
und das wäre ein Tastverhältnis von 1:1. Bei einer Frequenz von 10kHz haben wir eine Impulslänge von 5µs, die Periode beträgt 10µs. Bei diesem Tastverhältnis arbeitet ein Sperrwandler mit seiner maximalen Leistung, das liegt darin begründet, dass die Pausen zwischen den Impulsen nicht kürzer sein dürfen als die Impulsdauer, weil sonst keine Zeit mehr ist, das Magnetfeld abzubauen.
Der selbstschwingende Sperrwandler pulst also in die Primärwicklung mit einer konstanten Pulslänge von 5µs. Sofern der sekundärseitige Kondensator noch leer ist, dauert es relativ lange, bis das Magnetfeld abgebaut ist und ein selbstschwingender Wandler erzeugt den nächsten Impuls erst dann, wenn das Magnetfeld abgebaut ist. Er regelt sich sozusagen selbst in seiner Leistung, anfangs rücken die Impulse weiter auseinander, was eine niedrigere Frequenz zur Folge hat. Da diese Frequenz kleiner als 10kHz ist und somit in den hörbaren Bereich fällt, ergibt sich beim Einschalten des Transverters ein wahrnehmbares Pfeifen, was in der Tonhöhe ansteigt.
Die Endabschaltung habe ich über ein Relais mit Reedkontakt gebaut. In Sachen Energiebilanz haben sich meine Abschätzungen als brauchbar erwiesen, mein Blitztransverter lieferte 300 Blitze aus einem Kleinakku, was für knapp 10 Filme reichte und ein zügiges Arbeiten mit Leitzahl 22 ermöglichte, oft richtete ich den Blitzer an die Decke, was eine erstklassige Ausleuchtung der Fotos ergab. Das Gerät muss noch irgendwo rumliegen, Foto folgt.
Damalige Kleinakkus hatten eine Kapazität von 0.5Ah, als Batterie für 12V zusammengestellt, ergibt sich eine theoretische Energiemenge von 6Wh, das sind 21600 Ws. Bei einer Blitzenergie von 30 Ws ergeben sich theoretisch 720 Blitze, was freilich, aufgrund unvermeidlicher Verluste nicht erreichbar ist. Immerhin sind jedoch 300 Blitze ein beachtliches Ergebnis, das kann sich sehen lassen.
Flusswandler haben eine Entmagnetisierungswicklung, was den Leerlauf ermöglicht. Eine solche Wicklung kann genausogut ein Sperrwandler bekommen, es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass ein Tastverhältnis von 1:1 maximal gegeben ist, das ist die eigentliche Aufgabe einer Entmagnetisierungswicklung. Eine Entmagnetisierungswicklung ermöglicht auch den Leerlauf für den Sperrwandler. Für den Flusswandler hingegen, ist ein sekundärseitiger, spanungsloser Kondensator ein Kurzschluss, es wäre durch geeignete Schaltungsmaßnahmen dafür zu sorgen, dass dieser Fall nicht auftritt, was sich meistens in einer sehr viel schlechteren Energiebilanz, die für tragbare Geräte entscheidend ist, niederschlägt.
Tatsächlich gab es Bastelanleitungen für Blitztransverter mit Flusswandler, da wurde für den Schalttransistor ein Kühlkörper empfohlen, der Akku lässt grüßen. Mit Quenching wird eine Technik beschrieben, welche die Blitzentladung vorzeitig abbricht. Dadurch verringert sich die Blitzlichtmenge, aber die Energiebilanz wird dadurch auch nicht besser.
Speziell für Schaltnetzteile wurde in der DDR ein Schaltkreis entwickelt (A 260). Als Elektronik-Ingenieur an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena habe ich mit diesem Schaltkreis Transverter gebaut für sehr hohe Spannungen von einigen Kilovolt, die überdies noch sehr stabil und regelbar sein mussten (Verwendung für piezoelektrische Verstelleinheiten feinoptischer Geräte).
Für den Laborbereich habe ich damals (um 1983) auch ein Schaltnetzteil 12V * 10A => 120W entwickelt und gebaut. Dieses Schaltnetzteil war ein Sperrwandler, womit ich auch die weit verbreitete Ansicht, dass Sperrwandler nur für kleine Leistungen taugen, komplett wiederlegt habe. Für Blitzlicht-Stroboskope (Bühnentechnik) habe ich Sperrwandler entworfen mit Leistungsumsätzen im Kilowatt-Bereich.
An Messtechnik hatten wir alles zur Verfügung, bis hin zu einem Speicher-Oszillographen, der Nanosekunden auflösen konnte, Technik vom Feinsten. Die Schaltfrequenzen lagen damals im Bereich von 20kHz und die Mehrfach-Diffusions-Technologie für Hochvolt-Schalttransistoren war weit entwickelt, sie wurden in Frankfurt/Oder gefertigt.
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