1 Schaltregler

Praktikum Schaltungstechnik
Versuch 2: Schaltregler und Schaltverstärker
Prof. Dr. T. Wolf
1 Schaltregler
1.1 Prinzip
V
Bei hohen Leistungen werden für die Spannungsstabilisierung Schaltregler
verwendet. In Bild 1.1 ist das Prinzip eines Abwärtswandlers dargestellt:
Pulsspannung mit
variabler Pulsdauer
Regler
(stellt Pulsdauer so
ein, dass
Uref  Ua)
Uref  5.1V
USt
L
UG
UP
IL
Potentiometer
zum Einstellen
der Ausgangsspannung
Ia
RL
C
Ua
Ua
Bild 1.1
Die Gleichrichterspannung UG wird mit einem MOSFET ein- und ausgeschaltet. Dadurch entsteht nach dem MOSFET eine rechteckförmige Pulsspannung UP mit einer
Frequenz von typ. 100kHz. Die Höhe der Pulse beträgt bei idealem MOSFET UG, die
Spannung zwischen den Pulsen beträgt bei idealer Diode 0. Die Dauer tein der Pulse
wird durch die Steuerspannung USt des MOSFETs festgelegt.
Diese Pulsspannung wird mit einem LC-Filter gefiltert, dessen Grenzfrequenz so
niedrig liegt, dass nur der Gleichanteil der Pulsspannung UP als Ausgangsspannung
Ua an den Lastwiderstand RL gelangt. Für diesen Gleichanteil gilt, wenn TS die
Periode der Pulsspannung (typ. 10s) ist:
Ua 
t ein
 UG
TS
Die Ausgangsspannung kann also bei konstanter Periode TS durch die Pulsdauer tein
geregelt werden, ohne dass der MOSFET einen anderen als den voll eingeschalteten
oder voll ausgeschalteten Zustand annehmen muss. Dadurch ist ein Wirkungsgrad
von über 95% möglich. Die Diode ist eine Freilaufdiode für den Strom in der
Induktivität.
Belastungsänderungen wirken sich statisch bereits ohne Regler kaum auf die
Ausgangsspannung aus (im Idealfall gar nicht). Änderungen der Gleichrichterspannung gehen dagegen auch statisch direkt in die Ausgangsspannung ein und
müssen durch einen Regler ausgeglichen werden. Der Regler stellt die Pulsdauer so
ein, dass ein Bruchteil  der Ausgangsspannung gleich einer Referenzspannung Uref
wird. Der Regler kann digital als Mikrocontroller ausgeführt sein oder als analoge
Regelschaltung. Im zweiten Fall gibt es integrierte Schaltregler, die den MOSFET,
den Taktgenerator, den Regler und Schutzschaltungen gegen Übertemperatur und
Überstrom enthalten.
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1.2 Untersuchung eines integrierten Schaltreglers
Wir wollen im folgenden einige Messungen an einem integrierten Schaltregler L296
durchführen, der als Abwärtswandler konfiguriert ist. Da eine Taktfrequenz von
100kHz bei den relativ großen Strömen in einem Steckbrettaufbau erhebliche
Probleme verursachen würde, ist der Schaltregler bereits fertig auf einer Platine
aufgebaut (Schaltplan s. Anhang). Der Schaltregler L296 ist in der Lage max. 4A bei
einer max. Ausgangsspannung von 40V zu liefern.
P 1.2.1 Legen Sie die Platine auf das Steckbrett mit den Hochlastwiderständen und
stecken Sie die Bananenstecker der Platine in die Buchsen des Steckbrettes
(rot: Pluspol der Spannungsversorgung, schwarz: Minuspol der
Spannungsversorgung  Masse, blau: geregelte Ausgangsspannung).
Schließen Sie zwischen der geregelten Ausgangsspannung und Masse einen
10-Hochlastwiderstand (50W) an und ordnen Sie den zweiten 10Hochlastwiderstand (50W) so an, dass er bei Bedarf zum ersten parallel
geschaltet werden kann. Verbinden Sie das HAMEG-Netzgerät mit dem
Steckbrett und stellen Sie die Versorgungsspannung am Netzgerät
(Strombegrenzung: 1.5A) so ein, dass die Spannung UG hinter der Schutzdiode D1 an der Messbuchse B 10V beträgt (s. Schaltplan im Anhang).
Messen Sie die Ausgangsspannung Ua mit dem HAMEG-Digitalmultimeter.
P 1.2.2 Verbinden Sie nun die BNC-Buchse auf der Platine mit dem Kanal 1 des
Oszilloskops und triggern Sie auf Kanal 1. Am Oszilloskop wird nun die
Pulsspannung UP nach dem MOSFET und vor dem LC-Filter dargestellt.
P 1.2.3 Variieren Sie mit dem Potentiometer P2 die Ausgangsspannung Ua und
beobachten Sie am Oszilloskop wie der Regler das Tastverhältnis tein/T
verändert, so dass sich jeweils die gewünschte Ausgangsspannung ergibt.
Messen Sie die kleinstmögliche Ausgangsspannung und nehmen Sie das
zugehörige Oszillogramm der Pulsspannung auf.
A 1.2.4 Berechnen Sie den Gleichanteil der aufgenommenen Pulsspannung und
vergleichen Sie mit der gemessenen Ausgangsspannung.
P 1.2.5 Bestimmen Sie bei der minimal möglichen Ausgangsspannung durch
Erniedrigen der Spannung am Netzgerät (Achtung: Die Spannung UG muss
dabei wegen der Schutzdiode D1 an der Messbuchse B gemessen werden!)
die Drop-Out-Spannung des Reglers. Beobachten Sie beim Verstellen auch
das Tastverhältnis am Oszilloskop.
P 1.2.6 Stellen Sie die Spannung UG an der Messbuchse B auf 8V bzw. 12V ein und
messen Sie dabei jeweils die Spannung Ua.
P 1.2.7 Stellen Sie an der Messbuchse B UG  10V ein und notieren Sie den vom
Netzgerät abgegebenen Strom. Schalten Sie vorübergehend den zweiten
10-Hochlastwiderstand (50W) parallel und messen Sie die Ausgangsspannung Ua und den vom Netzgerät abgegebenen Strom.
A 1.2.8 Berechnen Sie den Stabilisierungsfaktor, den Ausgangswiderstand und den
Wirkungsgrad des Reglers.
P 1.2.9 Ein Nachteil von Schaltreglern ist, dass die Ausgangsspannung wegen der
begrenzten Filterwirkung des LC-Filters noch Reste der 100kHzRechteckspannung enthält. Nehmen Sie die Ausgangsspannung am Kanal 2
mit AC-Kopplung und möglichst hoher Empfindlichkeit auf.
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P 1.2.10 Entfernen Sie den Jumper an einem der beiden Ausgangskondensatoren C4
bzw. C5 und nehmen Sie wieder den Ausgangsripple auf.
A 1.2.11 Berechnen Sie die Variation der Ausgangsspannung mit den im Skript
angegebenen Formeln für ein LC- und ein LR-Filter. Nehmen Sie dabei für
jeden der beiden Ausgangskondensatoren einen ESR von 100m an.
Vergleichen Sie die Ergebnisse mit 1.2.9 und 1.2.10.
2 Schaltverstärker
2.1 Prinzip
V Das Schaltregler-Prinzip kann auch für Verstärker mit sehr hohem Wirkungsgrad
genutzt werden. Dazu wird die feste Referenzspannung durch die Signalspannung
Ue ersetzt:
Ue
Regler
(stellt Pulsdauer so
ein, dass
Ue  Ua)
VT+
Pulsspannung mit
variabler Pulsdauer
Spannungsteiler zum
Einstellen der
Verstärkung
USt
L
IL
Ia
C
UP
RL
Ua
Ua
Bild 2.1
Das LC-Filter muss beim Schaltverstärker so dimensioniert werden, dass seine
Grenzfrequenz mindestens gleich der höchsten Signalfrequenz fmax ist. Dadurch
können die hochfrequenten Anteile bei der Taktfrequenz fS und ihren Vielfachen nicht
beliebig stark unterdrückt werden. Da fS aus praktischen Gründen begrenzt ist,
schränkt dies auch den nutzbaren Frequenzbereich fmax ein.
Im Folgenden soll zunächst ein Schaltverstärker ohne Regler aufgebaut werden.
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2.2 Pulsweitenmodulation (PWM)
V Ohne Regler muss mit einer analogen Schaltung eine periodische Rechteckspannung USt erzeugt werden, deren Tastgrad proportional zur Spannung Ue ist.
Dabei ist vorausgesetzt, dass sich die Spannung Ue während einer Periode der
Spannung USt nur wenig ändert, d.h. die höchste Frequenz fmax, die in Ue enthalten
ist, ist viel niedriger als die Grundfrequenz fS  1/TS der Rechteckspannung.
Eine häufig verwendete analoge PWM-Schaltung besteht aus einem Sägezahngenerator und einem Komparator:
Ue
USZ
t
Ue
USZ
USt
USt
Bild 2.2
t
P 2.2.1 Verbinden Sie den Agilent-Pulsgenerator mit dem Kanal 1 des Oszilloskops
und stellen Sie eine Sägezahnspannung ein (Ramp, f  100kHz UL  0V,
UH  5V, Symmetry 100%, externe Triggerung durch Agilent-PG).
P 2.2.2 Bauen Sie die Schaltung gemäß Bild 2.3 auf und legen Sie die Spannung USt
an den Kanal 2 des Oszilloskops. Variieren Sie die Spannung Ue und nehmen
Sie das Oszillogramm für Ue  1.5V auf:
Bild 2.3
10k
HAMEGNetzgerät
Ue  0...5V
Imax0.3A
Rpull-up
470
1k
LM393
USZ
Agilent-PG
4
USt
C1
1F
HAMEGNetzgerät
VT+  10V
Imax0.3A
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2.3 Ungeregelter Schaltverstärker
P 2.3.1 Bauen Sie die Schaltung gemäß Bild 2.4 um und legen Sie die Spannung UP
an den Kanal 2 des Oszilloskops. Das Vertauschen der Eingänge am
Komparator gleicht die Invertierung durch den MOSFET aus, so dass der
Tastgrad von UP wieder proportional zur Spannung Ue ist:
Bild 2.4
1k
Agilent-PG
470
LM393
10k
USZ
USt
HAMEGNetzgerät
Ue  0...5V
UP
C1
C2
HAMEG1F
47F Netzgerät
SPP08
VT+  10V
470H
100//
100 Ua
4W
10F
1N4148
P 2.3.2 Nehmen Sie das Oszillogramm für Ue  2V auf und messen Sie den Tastgrad
D der Spannung UP und die Spannung Ua (Multimeter) für die in der Tabelle
angegebenen Werte von Ue:
Ue/V
0.5
1
2
2.5
3
4
4.5
D
Ua/V
A 2.3.3
Tragen Sie die Spannung Ua als Funktion von Ue auf (Übertragungskennlinie). Welchen Zusammenhang erwartet man theoretisch? Wodurch
werden die Abweichungen verursacht?
P 2.3.4 Verbinden Sie den Toellner-Funktionsgenerator mit dem Kanal 1 des
Oszilloskops und stellen Sie eine Sinusspannung ein (f  100Hz UL  1.5V,
UH  3.5V, DC-Offset benutzen, Extern triggern durch Toellner-FG).
P 2.3.5 Legen
Sie
die
Sinusspannung
des
Funktionsgenerators
als
Eingangsspannung Ue über den 10k-Widerstand an den invertierenden
Komparatoreingang, legen Sie die Spannung Ua an den Kanal 2 des
Oszilloskops und nehmen Sie das Oszillogramm auf:
P 2.3.6 Bestimmen Sie die Grenzfrequenz des Schaltverstärkers (  Frequenz, bei der
die Amplitude von Ua auf 1 2 ihres Wertes bei niedrigen Frequenzen
abgenommen hat.
A 2.3.7 Wodurch wird die Grenzfrequenz bestimmt und wie hoch ist sie theoretisch?
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2.4 Geregelter Schaltverstärker
Mit einem OPV kann die Ausgangsspannung Ua auf den Wert der Eingangsspannung Ue geregelt werden.
P 2.4.1 Bauen Sie den OPV entsprechend Bild 2.5 ein, erhöhen Sie am ToellnerFunktionsgenerator die Amplitude und den Offset so, dass Ue zwischen 3V
und 7V liegt und nehmen Sie das Oszillogramm von Ue und Ua für f  10Hz
und f  100Hz auf.
RK1  10k
VT+
Bild 2.5
CK2
100nF
Toellner-FG
Ue
CK1
100nF
TS952
RK2  10k
1k
LM393
470
10k
USZ
Agilent-PG
USt
UP
C1
C2
1F
47F
SPP08
470H
1N4148
10F
HAMEGNetzgerät
VT+  10V
100//
100 Ua
4W
Die Widerstände RK1, RK2 und die Kapazitäten CK1, CK2 sind notwendig, damit die
Regelung stabil ist (Frequenzgangkompensation). Ihre Funktion wird im Versuch 3
eingehender untersucht. Ihre Dimensionierung wird in Kap. 3 der Vorlesung
besprochen.
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17.11.2001 19:39:54 C:\Daten\Eagle\projects\Wi_prakt\Tss\Tiefsetzsteller.sch (Sheet: 1/1)

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