Ein „Hack“ ist eine clevere oder elegante Lösung, die etwas für einen Zweck verwendet, für den es ursprünglich nicht gedacht war. In der Regel geschieht dies aus Spaß, aber auch, um eine Lösung zu realisieren, die sonst nicht möglich wäre. Aber wie kann man etwas so Einfaches wie ein AC/DC-Wandlermodul oder eine AC/DC-Stromversorgung „hacken“? In diesem Artikel werden am Beispiel einer platinenmontierten AC/DC-Stromversorgung fünf mögliche AC/DC-Wandler-Hacks vorgestellt, die auch für andere Anwendungen in der Leistungselektronik genutzt werden können.
Nehmen wir an, Sie haben eine Stromüberwachungsanwendung in einer Ladeanwendung für Elektrofahrzeuge (EV), in der die Hilfsstromversorgung mehrere Eingangsoptionen haben muss: Dreiphasen- oder Einphasen-Wechselstrom oder Hochspannungs-Gleichstrom oder Niederspannungs-Gleichstrom. Außerdem muss die Ladeanwendung in der Lage sein, bipolare (±10V) Ausgangsspannungen zu erzeugen, um die kalibrierten Strom- und Spannungssensoren und -verstärker zu versorgen (Abbildung 1).
Abb. 1: EV-Ladesystem mit universeller AC- oder DC-Versorgung.
Sie prüfen die Datenblätter des Herstellers und stellen fest, dass es ein AC/DC-Netzteil mit all diesen speziellen Eingangs- und Ausgangsspannungskombinationen nicht als Standardprodukt gibt. Was können Sie tun? Sie müssen anfangen, Ihr AC/DC-Netzteil gezielt zu hacken.
Hack #1: Verwendung von Dropper-Dioden in AC/DC-Wandlern
Abb. 2: Dropper-Diode
AC/DC-Wandler mit geringer Leistung bieten in der Regel keine einstellbaren Ausgangsspannungen. Der Grund dafür ist einfach: Im Gegensatz zu einem 24V/5V isolierten DC/DC-Wandler, der einen Transformator mit einem Windungsverhältnis von 5:1 haben kann, benötigt ein entsprechender AC/DC-Wandler mit 230VAC-RMS-Eingang und 5V-Ausgang einen Transformator mit einem Windungsverhältnis von etwa 65:1. Ursache dafür ist, dass die gleichgerichtete Wechselspannung deutlich höher ist als die gewünschte Ausgangsspannung.
Der Regelkreis eines AC/DC-Wandlers ist so ausgelegt, dass er einen breiten Eingangsspannungsbereich von typischerweise 85VAC bis 264VAC bei fester Ausgangsspannung stabil regelt. Wäre die Ausgangsspannung zusätzlich einstellbar, könnte die ungünstigste Kombination aus Eingangs- und Ausgangsspannung in Verbindung mit dem hohen Windungsverhältnis leicht zu einem instabilen Betrieb des AC/DC-Wandlers führen.
Offensichtlich ist es möglich, positive und negative Spannungs-LDO-Linearregler an einem AC/DC-Wandler mit ±12V-Ausgängen einzusetzen, um auf ±10V herunterzuregeln, aber gibt es einen billigeren und einfacheren Hack? Siliziumdioden haben einen typischen Durchlassspannungsabfall von 0,6V bis 0,7V. Drei in Reihe geschaltete Dioden ergeben damit einen Spannungsabfall von etwa 2,1V (Abbildung 2). Die Wärmeableitung in den Dioden muss sorgfältig berücksichtigt werden; bei einem Ausgangsstrom von 500mA beträgt die Verlustleistung etwa 350mW, sodass Dioden mit entsprechendem Nennstrom und ausreichender Leistungsreserve erforderlich sind.
Abb. 3: Erhaltungsladegerät mit Dropper-Dioden-Batterie
Eine ähnliche Lösung kann bei einem AC/DC-Modul mit einem Ausgang angewandt werden, um beispielsweise eine Ausgangsspannung von 15V auf etwa 13,6V bis 13,8V abzusenken und damit eine 12V-Batterie zu erhaltungsladen, indem zwei Dioden in Reihe mit dem +V-Ausgang geschaltet werden (Abbildung 3). Solche Erhaltungsladegeräte sind nützlich für Anwendungen wie Notbeleuchtung oder Feuermelder, die normalerweise mit Netzstrom versorgt werden, aber auch unabhängig von der Wechselstromversorgung betrieben werden müssen.
Die Verwendung von Dropper-Dioden ist eine „schnelle und schmutzige“ Lösung, die jedoch aufgrund der Verlustleistung in den Dioden energetisch nicht besonders effizient ist. Das Hinzufügen von Ausgangsschaltreglern ist deutlich effizienter und ermöglicht zudem eine präzise Einstellung der Ausgangsspannung. Genau hier setzt der nächste Hack an:
Hack #2: Einstellbare bipolare Ausgangsschienen für AC/DC-Module
Abb. 4: Einstellbare bipolare (±) Ausgangsschienen von einem AC/DC-Wandler mit einem Ausgang
Negative Spannungsregler sind nicht billig und erfordern eine bipolare Ausgangsstromversorgung. Ist es möglich, ein Dual-Rail-Netzteil mit nur einem AC/DC-Ausgang aufzubauen? Der nächste Hack zeigt, wie das funktioniert. Nicht isolierte Schaltregler erfüllen grundsätzlich die gleiche Funktion wie lineare Regler, und es sind mehrere pin-kompatible Module erhältlich, zum Beispiel die R-78-Serie von RECOM. Intern unterscheiden sie sich jedoch deutlich im Aufbau und in der Arbeitsweise. Wenn der Ausgang eines Schaltreglers mit Masse verbunden wird, wird der GND-Pin des Schaltreglers auf ein negatives Potential gezogen. Das Ergebnis ist ein Plus-Minus-Regler (Abbildung 4).
Abbildung 4 zeigt eine Stromversorgung mit mehreren Ausgängen (+12V, einstellbar +1V bis +10V und einstellbar -1V bis -10V), die nur drei kosteneffiziente Hauptkomponenten verwendet. Das RAC05-12SK ist ein 5W AC/DC-Netzteil mit universellem AC-Eingang von 85VAC bis 264VAC für die Leiterplattenmontage, das trotz seiner nur 1“ x 1“ großen Grundfläche keine externen Komponenten benötigt. Dies ist möglich, da sowohl die Sicherung als auch der EMI-Filter der Klasse B bereits integriert sind.
Abb. 5: Dreifach-Ausgangs-AC/DC-Layout mit SMD-Bauteilen, die auf der Unterseite der Leiterplatte montiert sind, um die Grundfläche von 25,4 x 25,4 mm (1“ x 1“) nicht zu überschreiten.
Zwei RPX-1.0 SMD-Schaltreglermodule erzeugen die einstellbaren Ausgangsschienen, wobei eines in der Plus-Minus-Konfiguration betrieben wird. Das RPX-1.0 ist eine vollständige DC/DC-Stromversorgung mit integrierter Induktivität. Obwohl es einen Ausgangsstrom von 1A liefern kann, misst das Gehäuse lediglich 5mm x 3mm bei einer niedrigen Bauhöhe von 1,6mm. Die gesamte Mehrfach-Ausgangsstromversorgung lässt sich auf einer Leiterplattenfläche von 1” x 1” unterbringen, indem die SMD-Komponenten auf der Unterseite der Leiterplatte in der Nähe der Ausgangspins montiert werden (Abbildung 5).
Ein Vorteil von nachgeschalteten Reglern auf der Ausgangsseite besteht darin, dass die Ausgangsspannungen auch bei stark asymmetrischen Lasten konstant bleiben. Ein AC/DC-Wandler mit bipolarer Ausgangsspannung besitzt zwei Ausgangsspannungen, doch wie lassen sich entgegengesetzte Spannungen mit nur einer Rückkopplungsschleife regeln? Es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder wird die Gesamtdifferenz zwischen positivem und negativem Ausgang geregelt und der gemeinsame Anschluss, also der Mittelabgriff, bleibt potentialfrei (Abbildung 6), oder es wird nur der negative Ausgang geregelt und der positive bleibt frei schwebend, beziehungsweise umgekehrt. Bei asymmetrischer Belastung, beispielsweise Volllast auf einer Schiene und 10% Last auf der anderen, verhalten sich auch die Ausgangsspannungen asymmetrisch (Tabelle 1).
Abb. 6: Asymmetrische Ausgänge mit asymmetrischen Lasten (Regelung über +ve und -ve Ausgänge)
Tabelle 1: Vergleich der bipolaren Regelungsmethoden (typische Werte für ±12 V Nennausgang). Der geregelte Ausgang ist in blau dargestellt.
Alle diese Regelungsmethoden liefern bei symmetrischer Belastung identische Ausgangsspannungen. Unterschiede zeigen sich jedoch bei unsymmetrischen Lasten. Der Vorteil der Regelung der kombinierten Ausgangsspannung liegt darin, dass die Summe aus negativer und positiver Schiene konstant bleibt, während bei der Regelung nur des positiven oder nur des negativen Ausgangs die jeweils geregelte Schiene stabiler bleibt und die andere stärker abweichen kann. Eine universell optimale Lösung gibt es nicht. Wenn jedoch Schaltregler zur Nachregelung der Ausgänge eingesetzt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt, bleiben beide Ausgangsspannungen über alle Lastkombinationen hinweg stabil, selbst unter Leerlauf- und Volllastbedingungen.
Die Verwendung von Schaltreglern an den Ausgängen bietet einen weiteren Vorteil: Sie arbeiten mit nahezu konstanter Leistung. Je niedriger die Ausgangsspannung, desto höher kann der verfügbare Ausgangsstrom sein. Werden die Ausgänge in Abbildung 4 beispielsweise auf ±3,3V eingestellt, sind bis zu 1,5A pro Schiene möglich, solange die Gesamtleistung unter 5W bleibt. Das liegt deutlich über dem nominalen Ausgangsstrom des AC/DC-Wandlers von 416mA. Gerade bei Mehrschienenanwendungen, bei denen eine Schiene die Hauptlast und andere nur Hilfslasten versorgen, ist dies vorteilhaft. In Abbildung 4 wären etwa +12V bei 0,1A, +3,3V bei 1A und -3,3V bei -0,15A problemlos realisierbar, sofern alle Ausgänge sauber geregelt sind. Bisher haben wir uns ausschließlich mit dem Hacken des Ausgangs eines AC/DC-Moduls beschäftigt. Doch was passiert, wenn alternative Stromquellen eingebunden werden sollen? Genau darum geht es in Hack Nr. 3.
Hack #3: Externe Gleichstromversorgung am AC/DC-Ausgang anschließen
Bei einigen spezifischen Anwendungen im Feld ist es notwendig, entweder eine Wechselstrom- oder eine Gleichstrom-Batterieversorgung zu verwenden, je nachdem, welche verfügbar ist. Wie in Abbildung 7 zu sehen ist, verhindert beim Anschluss einer externen Gleichstromversorgung an den Ausgang eines abgeschalteten AC/DC-Wandlers die Ausgangsdiode D den Rückfluss des externen Stroms durch die Ausgangswicklung des Transformators. Der Shunt-Regler IC1 ist jedoch weiterhin in Betrieb. Wenn die externe Spannung den Sollwert des Shunt-Reglers überschreitet, beginnt dieser zu leiten und führt Strom durch die Optokoppler-LED.
Da der AC/DC-Wandler inaktiv ist, gibt es keinen Mechanismus, der diesen Optokopplerstrom begrenzt oder regelt. Aus diesem Grund kann die Optokoppler-LED leicht beschädigt werden. Daher ist es nicht ratsam, eine externe Spannung direkt an den Ausgang eines AC/DC-Wandlers anzulegen. Die Verwendung von zwei OR-Dioden kann in Betracht gezogen werden, um jeweils die höhere Versorgungsspannung an die Anwendung weiterzuleiten, ohne dass sich die beiden Versorgungen gegenseitig beeinflussen (Abbildung 8).
Fig. 7: Typical output stage of an AC/DC converter.
Abb. 8: OR-Verknüpfung von Dioden für eine AC- oder eine externe DC-Versorgung.
Dieser Hack ist zwar einfach, hat jedoch zwei wesentliche Nachteile. Erstens liegt die Ausgangsspannung stets um den Diodenabfall unter der Versorgungsspannung. Zweitens steigt bei höheren Stromlasten die Verlustleistung in den Dioden deutlich an, im in Abbildung 8 gezeigten Beispiel auf 3,5W. Das bedeutet, dass große und entsprechend teure Leistungsdioden mit gegebenenfalls zusätzlichen Kühlkörpern erforderlich sind. Außerdem verkürzt die in der Diode D2 umgesetzte Verlustleistung die Lebensdauer der Batterie. Ein besserer Ansatz ist die Verwendung eines ICs mit idealen Dioden, beispielsweise des LM71300 von Texas Instruments, der über integrierte FETs verfügt und eine sehr kompakte sowie verlustarme Lösung darstellt (Abbildung 9).
Diese Lösung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Batterie durch die UVLO-Funktion vor einer schädlichen Tiefentladung geschützt wird und die Anwendung durch die dVdt-Steuerung gegen hohe Einschalt- und Stoßströme der Batterie abgesichert ist. Außerdem kann der Laststrom beider Quellen über die Imon-Ausgänge überwacht werden.
Abb. 9: IC-Steuergeräte mit idealen Dioden für AC- oder DC-batteriegespeiste Geräte.
Hack #4: AC-Phasen-Redundanz
Abb. 10: Phasenredundanz unter Verwendung eines Einweg-Drehstromgleichrichters.
Bislang haben sich alle Hacks mit der Ausgangsseite des AC/DC-Wandlers befasst. Das ist nachvollziehbar, da das Wechselstromnetz eine gefährliche Spannung darstellt und entsprechend sorgfältig behandelt werden muss. Betrachtet man jedoch die eingangs erwähnte Spezifikation unseres EV-Ladegeräts, kann dieses mit einphasigen, mehrphasigen oder Hochspannungs-Gleichstromversorgungen betrieben werden. Der folgende Hack konzentriert sich daher auf die Eingangsseite.
Die in Abbildung 10 gezeigte halbwellengleichgerichtete dreiphasige Eingangsschaltung liefert eine Gleichspannung von etwa 1,17 x Vphase, also rund 270V bei einer einphasigen Nennspannung von 230V. Für einen Standard-AC/DC-Wandler mit einer Eingangsspannung von 230V ±10 % ist das sehr hoch, für einen AC/DC-Wandler, der für den Betrieb bis 277VAC ausgelegt ist, jedoch akzeptabel. Das entspricht der Phase-Phase-Spannung in 115VAC-Netzen.
Die Schaltung schützt jede Phase im Falle eines Ausfalls der Dioden durch Eingangssicherungen und nutzt einen Metalloxid-Varistor (MOV) zur Absorbierung von Spannungsspitzen. Der Einsatz eines MOV ist optional, wenn der Wandler über interne Sicherungen verfügt, kann jedoch aufgrund örtlicher Verkabelungsvorschriften erforderlich sein. Die Eingangsdioden müssen für eine ausreichend hohe Sperrspannung ausgelegt sein.
Selbst bei Ausfall einer Phase bleibt der Stromwandler in Betrieb. Dies ist nützlich für Anwendungen zur Dreiphasenüberwachung und für Warnmeldungen bei Ausfall einzelner Phasen. Die RECOM /277-Serie unterstützt 85–305 VAC. Daher können alle AC/DC-Wandler des Typs /277 in dieser Konfiguration eingesetzt werden, sofern ein Nullleiteranschluss vorhanden ist. Ohne Nullleiter ist die Spannung zwischen zwei Phasen (√3 x Vrms oder etwa 400V bei einer einphasigen Spannung von 230V) für viele AC/DC-Wandler zu hoch, sofern diese nicht speziell für solche Eingänge ausgelegt sind, z.B. die Serie /480 mit einem Eingangsspannungsbereich von 85–528VAC oder 120–745VDC.
Wie in der Einleitung erwähnt, sollte dieser Hack mit besonderer Vorsicht umgesetzt werden, da hier mit gefährlichen Netzspannungen gearbeitet wird. Zudem können Sicherheitsvorschriften zusätzliche Schutzmaßnahmen wie größere Kriech- und Luftstrecken oder eine höhere Isolationsspannungsfestigkeit verlangen, sodass eine solche Lösung unter Umständen nicht zulässig ist. So muss beispielsweise jeder fest mit dem Stromnetz verdrahtete Stromkreis die Sicherheitsanforderungen der Überspannungskategorie III oder IV erfüllen. Damit kommen wir zum letzten Hack: der Erdung des Ausgangs eines AC/DC-Wandlers aus Sicherheitsgründen.
Hack #5: Ausgangserdung bei AC/DC-Wandlern richtig umsetzen
Abb. 11: Empfohlener Eingangsnetzfilter, wenn der Ausgang geerdet ist.
AC/DC-Wandler sind galvanisch isoliert und verfügen über potentialfreie Niederspannungs-Gleichstromausgänge. Sie können als positive oder negative Versorgung dienen. Eine typische Bus-Versorgungsspannung in Kommunikationssystemen beträgt beispielsweise -48VDC und kann von jedem AC/DC-Wandler mit 48V- oder ±24V-Ausgang bereitgestellt werden, indem +Vout mit 0V verbunden und -Vout als Versorgungsschiene verwendet wird.
Bei einigen Anwendungen ist es vorteilhaft oder sogar notwendig, einen der Ausgangspins zu erden. Auch wenn dies einfach erscheinen mag, umfassen die Vorschriften für AC/DC-Wandler auch EMV-Aspekte. Zirkulierende oder induzierte Ströme, die über die Isolationskapazitäten fließen, können Störungen verursachen und zu einer nicht bestandenen EMV-Prüfung führen. Auch die Erdung eines Ausgangs erzeugt in der Regel eine unbeabsichtigte Stromschleife. Bei einem Gerät der Klasse B kann bereits ein Schleifenstrom von einigen zehn Mikroampere ausreichen, um die Grenzwerte zu überschreiten.
Um die EMV-Grenzwerte bei einem geerdeten Ausgang einzuhalten, muss ein externer Netzfilter mit einer Gleichtaktdrossel eingebaut werden (Abbildung 11). Die beiden Y-Kondensatoren schaffen einen niederohmigen Pfad für zirkulierende Störströme zurück zur Erde, während die Gleichtaktdrossel CMC Gleichtaktstörungen unterdrückt, die gleichzeitig an den VAC(L)- und VAC(N)-Pins auftreten. Dadurch werden diese Störungen vom Eingangsfilter des AC/DC-Moduls nicht erfasst. Der X-Kondensator am Eingang trägt in Kombination mit der Streuinduktivität der CMC zur Dämpfung von Differentialmodenstörungen bei. Der hochohmige Widerstand über Cx ist optional und dient zur Entladung des Kondensators nach dem Abschalten der Stromversorgung, was von einigen Sicherheitsnormen gefordert wird. Vorgefertigte AC-Netzfilter sind von zahlreichen Anbietern einschließlich RECOM erhältlich.
