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 anzubieten, die sonst nicht möglich wäre. Aber wie kann man etwas so Einfaches wie ein AC/DC-Wandlermodul „hacken“? In diesem Artikel werden am Beispiel einer platinenmontierten Stromversorgung fünf mögliche AC/DC-Wandler-„Hacks“ vorgestellt, die auch für verschiedene andere Anwendungen verwendet werden könnten.
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 (±10 V) 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 Netzteil mit all diesen speziellen Eingangs- und Ausgangsspannungskombinationen nicht als Standardprodukt gibt. Was können Sie tun? Sie müssen anfangen, Ihr AC/DC zu hacken!
Hack Nr. 1: Verwenden Sie Dropper-Dioden
AC/DC-Wandler mit geringer Leistung bieten normalerweise keine einstellbaren Ausgangsspannungen. Der Grund dafür ist einfach: Im Gegensatz zu einem isolierten 24-zu-5-V-DC/DC-Wandler, der einen Transformator mit einem Windungsverhältnis von 5:1 haben könnte, benötigt ein entsprechender AC/DC-Wandler mit 230VAC RMS-Eingang zu 5V Ausgang einen Transformator mit einem Windungsverhältnis von 65:1. Der Grund dafür ist, dass die gleichgerichtete Wechselspannung wesentlich höher ist als die Ausgangsspannung. Der Regelkreis in einem AC/DC-Wandler ist so optimiert, dass er einen breiten Bereich von Eingangsspannungen (typischerweise 85-264VAC) und eine feste Ausgangsspannung kompensieren kann. Wäre die Ausgangsspannung ebenfalls einstellbar, könnte die ungünstigste Kombination aus Eingangs- und Ausgangsspannung in Verbindung mit dem hohen Windungsverhältnis leicht zu einem instabilen Betrieb des Wandlers führen.
Abb. 2: Dropper-Diode
Offensichtlich ist es möglich, positive und negative Spannungs-LDO-Linearregler auf einen AC/DC mit ±12V-Ausgängen zu setzen, um die Spannungen auf ±10V herunterzuregeln, aber gibt es einen billigeren und einfacheren Hack?
Siliziumdioden haben einen typischen Durchlassspannungsabfall von 0,6V-0,7V. Drei in Reihe geschaltete Dioden haben also einen Spannungsabfall von 2,1 V (Abbildung 2).
Die Wärmeableitung in den Dioden muss richtig gehandhabt werden; bei einem Ausgangsstrom von 500 mA beträgt die Verlustleistung 350 mW, so dass Dioden mit entsprechendem Nennwert erforderlich sind.
Abb. 3: Erhaltungsladegerät mit Dropper-Dioden-Batterie
Eine ähnliche Lösung kann bei einem AC/DC-Modul mit einem Ausgang angewandt werden, um z. B. eine Ausgangsspannung von 15 V auf etwa 13,6-13,8 V abzusenken, um eine 12-V-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 arbeiten müssen.
Die Verwendung von Dropper-Dioden ist eine „schnelle und schmutzige“ Lösung, die jedoch aufgrund der Verlustleistung in den Dioden nicht besonders effizient ist. Das Hinzufügen von Ausgangsschaltreglern ist nicht nur effizienter, sondern ermöglicht auch die Einstellung der Ausgangsspannung. Dies ist ähnlich wie der nächste Hack:
Hack Nr. 2: Einstellbare positive und negative Ausgangsspannungsschienen
Abb. 4: Einstellbare bipolare (±) Ausgangsschienen von einem AC/DC-Wandler mit einem Ausgang
Negative Spannungsregler sind nicht billig und sie erfordern eine bipolare Ausgangsstromversorgung. Ist es möglich, ein Dual-Rail-Netzteil mit einem einzigen AC/DC-Ausgang zu bauen? Der nächste Hack zeigt, wie das geht.
Nicht isolierte Schaltregler haben die gleiche Grundfunktion wie lineare Regler, und es sind mehrere Pin-kompatible Module erhältlich (z. B. die R-78-Serie von RECOM). Intern sind sie jedoch sehr unterschiedlich. Wenn der Ausgang eines Schaltreglers mit Masse verbunden ist, wird der GND-Pin des Schaltreglers gezwungen, negativ zu werden. Das Ergebnis ist ein Plus-Minus-Regler.(Abbildung 4).
Abbildung 4 zeigt eine Stromversorgung mit mehreren Ausgängen (+12V, einstellbar +1 bis +10V und einstellbar -1 bis +-10V), die nur drei kosteneffektive Hauptkomponenten verwendet. Das RAC05-12SK ist ein 5-W-Netzteil mit universellem AC-Eingang (85VAC bis 264VAC) für die Leiterplattenmontage, das trotz seiner nur 1 „x1“ großen Grundfläche keine externen Komponenten benötigt. Dies liegt daran, dass die Sicherung und 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.
Negative Spannungsregler sind nicht billig und sie erfordern eine bipolare Ausgangsstromversorgung. Ist es möglich, ein Dual-Rail-Netzteil mit einem einzigen AC/DC-Ausgang zu bauen? Der nächste Hack zeigt, wie das geht.
Nicht isolierte Schaltregler haben die gleiche Grundfunktion wie lineare Regler, und es sind mehrere Pin-kompatible Module erhältlich (z. B. die R-78-Serie von RECOM). Intern sind sie jedoch sehr unterschiedlich. Wenn der Ausgang eines Schaltreglers mit Masse verbunden ist, wird der GND-Pin des Schaltreglers gezwungen, negativ zu werden. Das Ergebnis ist ein Plus-Minus-Regler.(Abbildung 4).
Abbildung 4 zeigt eine Stromversorgung mit mehreren Ausgängen (+12V, einstellbar +1 bis +10V und einstellbar -1 bis +-10V), die nur drei kosteneffektive Hauptkomponenten verwendet. Das RAC05-12SK ist ein 5-W-Netzteil mit universellem AC-Eingang (85VAC bis 264VAC) für die Leiterplattenmontage, das trotz seiner nur 1 „x1“ großen Grundfläche keine externen Komponenten benötigt. Dies liegt daran, dass die Sicherung und der EMI-Filter der Klasse B bereits integriert sind.
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 bieten die gleichen Ausgangsspannungen bei symmetrischen Lasten. Es gibt jedoch Unterschiede zwischen ihnen, wenn unsymmetrische Lasten verwendet werden. Der Vorteil der Regelung der kombinierten Ausgangsspannung besteht darin, dass die Summe aus negativer und positiver Schiene konstant bleibt, während die Regelung nur des positiven oder nur des negativen Ausgangs weniger Schwankungen auf dieser speziellen Schiene bietet. Eine Universallösung gibt es nicht.
Wenn jedoch Schaltregler zur Nachregelung der Ausgänge verwendet werden, wie in Abbildung 4 gezeigt, bleiben beide Ausgangsspannungen über alle Lastkombinationen hinweg stabil, sogar bis hin zu Leerlauf/Volllastbedingungen.
Die Verwendung von Schaltreglern an den Ausgängen hat einen weiteren Vorteil: Sie liefern auch eine konstante Leistung. Je niedriger die Ausgangsspannung, desto höher der Ausgangsstrom. Wenn im Beispiel von Abbildung 4 die geregelten Ausgänge auf ±3,3 V eingestellt würden, könnte der maximale Ausgangsstrom pro Schiene bis zu 1,5 A betragen, solange die Gesamtlast weniger als 5 W beträgt. Dies ist wesentlich höher als der nominale Ausgangsstrom des AC/DC von 416mA. Dies ist sinnvoll, da die meisten Mehrschienenanwendungen auf einer Schiene deutlich mehr Strom benötigen als auf den anderen (Hauptlast + Hilfslasten), was jedoch bei der Verwendung von Schaltreglern kein Problem darstellt. In Abb. 4 wären beispielsweise +12V @ 0,1A, +3,3V @ 1A und -3,3V @ -0,15A möglich, wenn alle Ausgangsspannungen streng geregelt würden.
Bisher haben wir uns nur mit dem Hacken des Ausgangs eines AC/DC-Moduls beschäftigt, aber was wäre, wenn wir alternative Stromquellen nutzen wollten? Hier geht es um Hack Nr. 3.
Hack Nr. 3: Externe Gleichstromversorgung am AC/DC-Ausgang
Bei einigen spezifischen Anwendungen im Feld ist es notwendig, entweder eine Wechselstrom- oder eine Gleichstrombatterieversorgung zu verwenden, je nachdem, welche verfügbar ist.
Wie in Abbildung 7 zu sehen ist, würde bei Anschluss einer externen Gleichstromversorgung an den Ausgang eines abgeschalteten AC/DC-Wandlers die Ausgangsdiode D den out Rückfluss des externen Stroms durch die Ausgangswicklung des Transformators verhindern.
Der Shunt-Regler, IC1, wäre jedoch immer noch in Betrieb. Wenn die externe Spannung den Sollwert des Shunt-Reglers übersteigt, würde dieser leiten und den Strom durch die Optokoppler-LED leiten.
Da der AC/DC-Wandler inaktiv ist, gibt es keinen Mechanismus, der diesen Optokopplerstrom kontrollieren würde. Aus diesem Grund könnte die Opto-LED leicht durchbrennen. Daher ist es nicht ratsam, eine externe Spannung direkt an den Ausgang eines AC/DC-Wandlers anzulegen.
Die Verwendung von zwei OR-Dioden könnte in Erwägung gezogen werden, um die jeweils 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 aber zwei große Nachteile. Erstens ist die Ausgangsspannung immer einen Diodenabfall niedriger als die Versorgungsspannung. Zweitens wird bei höheren Stromlasten die Verlustleistung in den Dioden beträchtlich (in dem in Abbildung 8 gezeigten Beispiel 3,5 W). Dies bedeutet, dass große, teure Leistungsdioden mit möglicherweise zusätzlichen Kühlkörpern erforderlich sind. Außerdem würde die in der Diode D2 verschwendete Leistung die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen.
Ein besserer Hack wäre die Verwendung eines ICs mit idealen Dioden, z. B. des LM71300 von Texas Instruments, der über integrierte FETs verfügt und eine sehr kompakte Lösung darstellt (Abbildung 9).
Diese Lösung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Batterie durch die UVLO-Funktion (Under Voltage Lockout) vor einer schädlichen Tiefentladung und die Anwendung durch die dVdt-Steuerung vor der hohen Stoßstromfähigkeit der Batterie geschützt ist. Außerdem kann der Laststrom aus beiden Quellen über die Imon-Ausgänge überwacht werden.
Abb. 9: IC-Steuergeräte mit idealen Dioden für AC- oder DC-batteriegespeiste Geräte.
Hack Nr. 4: AC-Phasen-Redundanz
Bis jetzt haben sich alle Hacks mit der Ausgangsseite befasst. Das ist vernünftig, wenn man bedenkt, dass das Wechselstromnetz eine gefährliche Spannung ist und mit dem größten Respekt behandelt werden sollte. Um jedoch auf die in der Einleitung erwähnte Spezifikation unseres EV-Ladegeräts zurückzukommen, kann es vermutlich mit einphasigen, mehrphasigen oder Hochspannungs-Gleichstromversorgungen funktionieren. Der folgende Hack bezieht sich daher auf die Eingangsseite.
Die in Abbildung 10 gezeigte halbwellengleichgerichtete dreiphasige Eingangsschaltung hat eine gleichgerichtete Gleichspannung von ca. 1,17 x Vphase, d.h. ca. 270 V bei einer einphasigen Nennspannung von 230V. Dies ist extrem hoch für einen Standard-AC/DC-Wandler mit 230V±10% Eingangsspannung, aber akzeptabel für einen AC/DC-Wandler, der für den Betrieb mit bis zu 277VAC (die Phase-Phase-Spannung für 115VAC-Netze) ausgelegt ist. Die in Abbildung 10 dargestellte Schaltung verwendet Eingangssicherungen, um die dreiphasige Versorgung zu schützen, falls eine der Dioden ausfällt, und den Metalloxidvaristor (MOV), um übermäßige Spannungsspitzen zu absorbieren, die den Wandler beschädigen könnten. Der MOV ist optional, da der Wandler selbst intern abgesichert ist, er kann jedoch gemäß den örtlichen Verdrahtungsvorschriften erforderlich sein. Die Eingangsdioden müssen für eine geeignete Sperrspannung ausgelegt sein.
Abb. 10: Phasenredundanz unter Verwendung eines Einweg-Drehstromgleichrichters.
Wenn eine der drei Phasen ausfällt, funktioniert der Konverter trotzdem. Dieser Hack ist also besonders nützlich, um dreiphasige Überwachungsanwendungen mit Strom zu versorgen und im Falle eines Ausfalls einer einzelnen Phase einen Alarm auszulösen.
Die RECOM /277-Serie hat einen AC-Eingangsspannungsbereich von 85-305VAC. Daher können alle Stromrichter des Typs /277 in dieser Konfiguration verwendet werden, solange ein Nullleiteranschluss vorhanden ist.
Wenn kein Nullleiter vorhanden ist, ist die Spannung zwischen zwei Phasen (√3 x Vrms oder etwa 400 V bei einer einphasigen Spannung von 230 V) für viele AC/DC-Wandler zu hoch, es sei denn, sie wurden speziell für solche Zwecke entwickelt, wie z. B. die Serie /480, die einen AC-Eingangsspannungsbereich von 85-528 VAC oder einen DC-Eingangsspannungsbereich von 120 V-745 VDC hat.
Wie in der Einleitung erwähnt, sollte dieser Hack mit Vorsicht verwendet werden, da gefährliche Spannungen im Spiel sind. Außerdem können die Sicherheitsvorschriften zusätzliche Schutzmaßnahmen wie größere Kriech- oder Luftstrecken oder eine höhere Isolationswiderstandsspannung vorschreiben, so dass ein solcher Hack nicht akzeptabel wäre. So muss beispielsweise jeder Stromkreis, der fest mit dem Stromnetz verdrahtet ist, die Sicherheitsanforderungen der Überspannungskategorie III oder IV erfüllen.
Dies führt uns zum letzten Hack: Erdung des Ausgangs eines AC/DC-Geräts aus Sicherheitsgründen.
Hack Nr. 5: Ausgangserdung
Da AC/DC-Wandler isoliert sind, ist der Niederspannungs-Gleichstromausgang potentialfrei (galvanisch getrennt) von der Netzversorgung und kann entweder als positive oder negative Versorgung verwendet werden. Eine übliche Bus-Versorgungsspannung für die Kommunikation ist beispielsweise -48VDC und kann von jedem AC/DC mit 48V- oder ±24V-Ausgang geliefert werden, indem der +Vout-Pin mit 0V verbunden wird und der -Vout-Pin für die Versorgungsschiene verwendet wird.
Bei einigen Anwendungen ist es entweder vorteilhaft oder unvermeidlich, einen der Ausgangspins zu erden. Auf den ersten Blick scheint dies eine einfache Sache zu sein, ähnlich wie bei der erwähnten Anwendung eines Kommunikationsnetzteils. Bei den Vorschriften für AC/DC-Netzteile geht es jedoch nicht nur um Sicherheit, sondern auch um EMV-Überlegungen. Alle zirkulierenden oder induzierten Ströme, die durch die Isolationskapazitäten fließen, können Störungen verursachen, die dazu führen können, dass die endgültige Anwendung die EMV-Prüfung nicht besteht. Auch die Erdung des Ausgangs führt fast garantiert zu einer solchen unbeabsichtigten Stromschleife. Bei einem Gerät der Klasse B kann beispielsweise schon ein Schleifenstrom von einigen zehn Mikroampere die Prüfergebnisse über die Grenzwerte hinausschieben.
Abb. 11: Empfohlener Eingangsnetzfilter, wenn der Ausgang geerdet ist.
Um die EMV-Grenzwerte bei einem geerdeten Ausgang einzuhalten, muss ein externer Netzfilter mit einer Gleichtaktdrossel eingebaut werden (Abbildung 11).
Die beiden Y-Kappen schaffen einen niederohmigen Pfad für zirkulierende Störströme zurück zur Erde, während die Gleichtaktdrossel (CMC) Gleichtaktstörungen verhindert, die gleichzeitig an den VAC(L)- und VAC(N)-Pins auftreten. Folglich werden diese vom Eingangsfilter des AC/DC-Moduls nicht gesehen. Schließlich trägt der X-Cap über dem Eingang in Kombination mit der Streuinduktivität des CMC zur Dämpfung von Differentialmodenstörungen bei. Der hochohmige Widerstand über Cx ist optional und dient zur Entladung des Kondensators, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird (von einigen Sicherheitsstandards gefordert). Vorgefertigte AC-Netzfilter sind von vielen Anbietern, einschließlich RECOM, erhältlich.
