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Grundlagen magnetischer Kreise
Dietmar Berndt
Zur Versorgung von elektronischen Schaltungen werden zunehmend primärgetakte Schaltnetzteile verwendet. Sie haben den Vorteil, klein und leicht zu sein, aber auch ihr Vermögen, für eine geregelte Sekundärspannung die unterschiedlichen Netzspannungen zu verarbeiten, machen sie interessant. Das heisst für eine Sekundärspannnung von z.B. 8V und 100mA Last (800mW-Ausgangsleistung) können Schaltnetzteile kleiner Leistung gebaut werden, die Eingangsspannungen von 20V bis 350V (sowohl für Wechsel- als auch für Gleichspannung) ohne Umschalten des Eingangsspannungsbereiches verkraften können.
Dies wird interessant bei Messverstärkern, die als eigenständige Schaltschrankgeraete vielfältig weltweit bei unterschiedlichen Netzspannungen eingesetzt werden.
Bild.1:PT100-Messverstärker im Multimodulgehäuse für die Hutschienenmontage in Schaltschränken
In vielen Applikationen von Schaltnetzteilen werden vorrangig Massnahmen beschrieben, die auf einen hohen Wirkungsgrad , gutes Regelverhalten usw. hinweisen sollen. In bestimmten Bereichen wie in der chemischen oder petrolchemischen Industrie kommt es aber auch beim Einsatz von Schaltnetzteilen darauf an, dass die galvanische Barriere solcher elektronischen Trafos unter allen Umständen auch im Falle des Versagens IC-interner elektronischer Sicherungen standhält. Solche Geräte sind da vor allem sicherheittechnisch auszureifen, die Messungen in explosiven Bereichen (z.B. Benzintanks in Raffinarien) vornehmen. Ein Durchbrechen der galvanischen Barriere hätte hier immensen wirtschaftlichen und gesundheitlichen Schaden bei einer Explosion durch energiereiche Funken zur Folge.
Bei solchen Sicherungskonzepten setzt man lieber allzeit funktionierende Prinzipien ein, die auf physikalisch-elementaren Grundlagen statt auf elektronisch-geregelten Systemen beruhen.
Um ein Durchschmelzen des Isolationskörpers eines DC/DC-Wandlers zu verhindern, muss die Wärmeenergie am Übertrager gering gehalten oder durch eine Schmelzsicherung ganz unterbrochen werden.
Bei Netzteilen mit weiten Eingangspannungsbereich besteht jedoch das Problem, dass bei niedriger Versorgungsspannung ein relativ hoher und bei grosser Spannung ein kleiner Eingangsstrom fliessen muss, um auf die gleiche Leistung zu kommen.
Somit muss die Schmelzsicherung so dimensioniert werden, dass sie auch bei der geringsten Versorgungsspannung bei diesem hohen Strom noch nicht durchbrennt (z.B 125mA). Diese Sicherung wirkt natürlich auch bei einer Spannung von 250Veff, und damit bekommt der Entwickler solcher Weitspannungsnetzteile Schwierigkeiten, auch bei den hohen Spannungen das Netzteil sicher vor Überhitzung zu schützen.
In vielen Fällen erledigen elektronische Sicherungen in den Wandler-ICs diese Schutzfunktion der thermischen Überlastung, bei grösseren Transformatoren Thermosicherungen (Bild 2) oder Spannungsbegrenzungsschaltungen, wobei letztere wegen des weiten Eingangsbereiches entfallen. Thermosicherungen sind bei den derzeit recht kleinen Übertragern schwer in den Wickelkammern unterzubringen.
Bild2: Mit Thermosicherung geschützter Trafo eines DC/DC-Wandlers
Bei der Fa. TURCK wurde ein Sicherheitsverfahren für DC/DC-Übertrager entwickelt, welches das Verhalten magnetischer Ferrite ausnutzt, bei einer bestimmten Temperatur ihre magnetische Leitfähigkeit zu verlieren. Ab jener Temperatur, die stoffspezifisch für jeden Ferrit angegeben und als Curietemperatur bezeichnet wird, sinkt die relative Permeabilität µr schlagartig auf 1.
Bild3: Platine eines in SMD-Technologie aufgebauten PT100-Exi-Messverstärkers mit galvanischer Trennung zwischen eigensicherer Eingangs- und Ausgangsstufe sowie getrennter Versorgung über einen EF16-Ferritübertrager
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