Schaltnetzteile - Cheatsheet

Definition und Funktion von Schaltnetzteilen

Definition:

Elektronische Bauteile zur Umwandlung und Regelung von Spannungen. Nutzt Schalttransistoren statt linearer Regler.

Details:

• Eingangsspannung (AC oder DC) wird in eine hohe Frequenz umgewandelt.
• Verwendung von Transformatoren zur Spannungsanpassung.
• Ausgangsspannung wird durch Rückkopplung und PWM (Pulsweitenmodulation) geregelt.
• Hoher Wirkungsgrad (typischerweise 80-90%).
• Kleinere, leichtere Bauweise im Vergleich zu linearen Netzteilen.
• Sorgt für weniger Wärmeverlust und höhere Effizienz.
• Beispiel: \text{P} = \text{U} \times \text{I}
• \text{Wirkungsgrad}\thinspace (\text{η}) = \frac{\text{P}_{\text{out}}}{\text{P}_{\text{in}}}

Buck- und Boost-Konverter

Definition:

Buck- und Boost-Konverter sind Schaltregler, die die Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung reduzieren (Buck) oder erhöhen (Boost).

Details:

• Buck-Konverter: Senkt die Eingangsspannung (V_in) auf eine niedrigere Ausgangsspannung (V_out).
• Boost-Konverter: Erhöht die Eingangsspannung (V_in) auf eine höhere Ausgangsspannung (V_out).
• Buck: Hauptkomponenten - Transistor, Diode, Spule, Kondensator.
• Boost: Hauptkomponenten - Transistor, Diode, Spule, Kondensator.
• Arbeitsweise basiert auf dem Umschalten des Transistors, um Energie in der Spule zu speichern und freizugeben.
• Buck: \( V_{out} = V_{in} \times D \), wobei \(D\) das Tastverhältnis ist.
• Boost: \( V_{out} = \frac{V_{in}}{1 - D} \), wobei \(D\) das Tastverhältnis ist.

PWM (Pulsweitenmodulation) und PFM (Pulsfrequenzmodulation)

Definition:

PWM: Methode zur Regulierung der Leistung durch Variieren der Pulsbreite bei konstanter Frequenz. PFM: Methode zur Regulierung der Leistung durch Variieren der Pulsfrequenz bei konstanter Pulsbreite.

Details:

• PWM: Konstante Frequenz, variable Pulsbreite
• PFM: Konstante Pulsbreite, variable Frequenz
• PWM: \[\text{Duty Cycle} = \frac{t_{\text{on}}}{T} \] bei konstanter Periode \(T\)
• PFM: Variable Periode bei konstanter \(t_{\text{on}}\)
• PWM: Effiziente Steuerung bei konstanten Lastbedingungen
• PFM: Effiziente Steuerung bei variierenden Lastbedingungen

Feedback-Mechanismen und Stabilitätsanalyse

Definition:

Feedback-Mechanismen: Systeme zur Regelung der Ausgangsgröße basierend auf der Differenz zwischen Ist- und Sollwert. Stabilitätsanalyse: Untersuchung, ob ein System im Gleichgewicht bleibt oder ausbricht.

Details:

• Regelkreis: Besteht aus Sensor, Regler und Stellglied.
• Stabilität: Ein System ist stabil, wenn die Ausgangsgröße nach einer Störung wieder den Sollwert erreicht.
• Bode-Diagramm: Darstellung der Frequenzabhängigkeit von Amplitude und Phase zur Stabilitätsanalyse.
• Nyquist-Kriterium: Analyseverfahren zur Überprüfung der Stabilität in der Frequenzdomäne.
• Wichtige Parameter zur Stabilitätsbewertung: Phasenrand und Amplitudenrand.
• Typische Methoden: Wurzelortskurve, Bodediagramm, Nyquist-Diagramm.
• Pol-Nullstellen-Diagramm: Verfahren zur Untersuchung der Stabilität im Zeitbereich.
• Beispiele: PID-Regler, Lead-Lag-Compensation.
• Formeln: \(H(s) = \frac{Y(s)}{X(s)}\) für Übertragungsfunktion, \(|H(j\omega)|\) und \(\text{arg}(H(j\omega))\) für Bode-Diagramm, \(1 + H(j\omega)\) für Nyquist-Kriterium.

Kühlkörperdesign und -materialien

Definition:

Kühlkörper leiten Wärme von elektronischen Bauteilen ab, um Überhitzung zu vermeiden.

Details:

• Materialien: Aluminium, Kupfer (hohe Wärmeleitfähigkeit)
• Struktur: Rippen, Finnen zur Oberflächenvergrößerung
• Design: Minimierung des thermischen Widerstands \theta_{ja} = \theta_{jc} + \theta_c + \theta_{cs} + \theta_{sa}
• Montagemethoden: Verschrauben, Clips, Wärmeleitpaste
• Luftstrom: Passiv (natürlich) vs. Aktiv (Lüfter)

Thermische Analyse und Simulationstechniken

Definition:

Thermische Analyse und Simulationstechniken dienen zur Bewertung der Wärmeentwicklung und -verteilung in elektronischen Schaltungen wie Schaltnetzteilen.

Details:

• Ziel: Vermeidung thermischer Überlastung, Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Verlängerung der Lebensdauer.
• Methoden: Finite-Elemente-Analyse (FEA), Computational Fluid Dynamics (CFD)
• Werkzeuge: ANSYS, COMSOL Multiphysics
• Parameter: Temperaturverteilung, Wärmewiderstand, Kühleffizienz
• Formel: \[ R_{th} = \frac{ \Delta T}{ P } \] für den thermischen Widerstand

Vergleich der Effizienz unterschiedlicher Topologien

Definition:

Vergleich der Effizienz von Schaltnetzteil-Topologien basierend auf Faktoren wie Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Komplexität.

Details:

• Wirkungsgrad: Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung (\frac{P_{out}}{P_{in}}\times 100\text{%}). Wichtige Topologien: Buck, Boost, Buck-Boost, Flyback, Forward.
• Leistungsdichte: Leistung pro Volumeneinheit (\frac{P}{Volumen}). Hohe Leistungsdichte oft bei Resonanzwandlern.
• Komplexität und Kosten: Mehr Bauteile und Schaltungsdesign können Effizienz verbessern, aber Kosten und Komplexität erhöhen.
• Verlustquellen: Schaltverluste, Leitungsverluste, Kernverluste bei Transformatoren und Drosseln.
• Typische Anwendungsszenarien und Anforderungen beeinflussen Wahl der Topologie.

Energieeffizienz und Wirkungsgrad

Definition:

Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung in Schaltnetzteilen.

Details:

• Energieeffizienz beschreibt die Effizienz im Umgang mit Energie.
• Wirkungsgrad \( \eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \) quantifiziert dies.