ZVS
Zero-Voltage-Switching: Vermeidet Schaltverluste, die vor allem bei hohen Frequenzen zu großen Verlusten führen können. Die einzige enstehende Verlustleistung stammt daher vom Einschaltwiderstand der MOSFETs.
Die Schaltung liefert über 100W Ausgangsleistung, eventuell sogar bis zu 1kW und ist deshalb sehr gefährlich ! Ich rate jedem der noch sich nicht gut auskennt von dieser Schaltung ab !
Dies
ist die klassische ZVS Schaltung wie man sie Vielfach im Internet findet. Sie
ist Fremdgesteuerten Schaltungen weit überlegen, da sie sich automatisch
an Resonanzfrequenzänderungen anpasst.
Durch die Widerstände bekommen die MOSFETs ihre Gatespannung aus der Betriebsspannung.
Um die empfindlichen Gates zu schützen, wird die Spannung durch die Z-Dioden
auf 12V begrenzt. Wählt man diese Spannung größer, werden die
MOSFETs zwar (ein kleinwenig) niederohmiger, dafür ist aber die durch die
Gateladung größer da die benötigte Energie im Quadrat zur Spannung
steigt. 12V ist also ein guter Kompromiss:
Ebenso muss man bei den Widerständen einen Kompromiss eingehen: Je kleiner
die Widerstände sind, desto schneller schaltet der MOSFET und desto geringer
sind die Schaltverluste. Dafür steigt aber der Strom und somit die Verlustleistung
in den MOSFETs. Je nach Spannung und Frequenz sind 200-1000Ohm eine gute Wahl.
Da diese Schaltung einen sauberen Sinus erzeugt, die MOSFETs aber nur als Schalter
betrieben werden, benötigt man die Spule in der Betriebsspannungsleitung,
die die Differenz aus Sinus und Rechteck schluckt. Der Effektivwert der Ausgangsspannung
ist etwa doppelt so hoch wie der der Eingangsspannung. 12V Betriebsspannung
erzeugen also einen Sinus mit etwa 25Veff, also rund 70Vss. Die Spannungserhöhung
hat zwei Gründe: Erstens erzeugt eine Gegentaktschaltung aufgrund des Trafos
mit Mittelanzapfung die doppelte Spannung, zweitens liefert die Spule in der
Zuleitung eine höhere Spitzenspannung.
Ein
Nachteil der Schaltung ist die Oszillatorspule mit Mittelabgriff für die
Betriebsspannung. Da in dieser Spule sehr hohe Ströme fließen, ist
diese ofmals nicht einfach zu wickeln, vor allem da sie auch noch symmetrisch
sein sollte, also möglichst bifilar gewickelt. Dies kann man umgehen, indem
man die Spule in der Zuleitung in zwei Spulen aufteilt die den Strom direkt
an die beiden Mosfets weitergibt.
Weiterhin lassen sich so auch die Gatewiderstände optimieren: Legt man
hier eine Spule in Reihe, dann kann man die Widerstände etwas kleiner wählen,
da die Spule einen Teil der Spannung übernimmt.
Bei hohen Frequenzen kann man so eine deutliche Verbesserung des Gate Signals
erziehlen, da die Spule beim Einschalten des MOSFETs eine zusätzliche Spannung
induziert, die sich zur Betriebsspannung addiert und so das Gate schneller aufläd.
Diese Schaltung hat den Vorteil, dass man nur noch 2 Leitungen zwischen Elektronik
und LC Schwingkreis braucht, auf denen nur ein moderater Strom fließt.
Bei
diesem Testaufbau findet man alle Bauteile aus dem Schaltplan wieder, außerdem
lassen sich leicht die MOSFETs und der LC Schwingkreis austauschen, das die
Schaltung optimal für Versuche macht:
An sich kann man die Schaltung spiegelbildlich aufbauen, da beide Hälften
symmetrisch sind. Dazu müsste man aber auch einen Mosfet drehen, was bei
einem gemeinsamen Kühlkörper für Mosfets ungünstig ist.
Hier nochmal einige Fakten der Schaltung zusammengefasst:
- Im LC Schwingkreis
selbst fließen Ströme von einigen 10 bis 100A, je nach L/C Verhältnis.
Der Kondensator sollte also geringe Verluste bei hohen Frequenzen und einen
sehr niedrigen Innenwiderstand haben. FKP Kondensatoren eignen sich hier besonders
gut.
- Das gleiche gilt für die Spule: Verwendet man hierfür z.B. Ringkernspulen
aus einem PC Netzteil verheizt diese im Leerlauf einige 10Watt und die Spule
lässt sich innerhalb von Sekunden nicht mehr anfassen. Die Spulen sollten
daher für HF geeignet sein (Kernmaterial, Skin Effekt) und einen ausreichend
niedrigen Widerstand haben.
- Für die Funktion der Schaltung ist eine Spule mit Mittelanzapfung nicht
unbedingt notwendig. Die beiden Spulen in der Zuleitung benötigen daher
keine magnetische Kopplung.
- Die Spulen in der Gateleitung sind nicht unbedingt notwendig, verbessern den
Wirkungsgrad aber ein klein wenig.
- Die Schaltung hat den Vorteil, dass nur die Energie nachgeliefert muss, die
verbraucht wurde: Im Leerlauf liegt die Stromaufnahme bei einem guten LC Schwingkreis
daher nur bei rund 100mA, davon wird der größte Teil für die
Gateansteuerung benötigt. Betreibt man dieser Schaltung z.B. einen Zeilentrafo
benötigt die Schaltung im Leerlauf oder bei einem Kurzschluss am Ausgang
fast keine Leistung. Nur wenn wirklich Energie entnommen wird (z.B. bei einen
Lichtbogen) geht die Stromaufname schnell in den zweistelligen Amperebereich.
Die erziehlbare Ausgangsleistung geht also in Richtung 1kW, vorausgesetzt die
Bauteile und das Netzteil verkraften diese Leistung. Bei dieser Schaltung ist
also vorsicht geboten, vor allem wenn ein Gleichrichter verwendet wird, denn
Gleichströme von 100mA sind tödlich !
Immer
nur Hochspannung ist auf Dauer langweilig (obwohl diese Schaltung Lichtbögen
von bis zu 10cm aus einem Zeilentrafo erzeugen kann, was doch nicht so ganz
alltäglich ist !!!)
Mit dieser Schaltung kann man jedenfalls noch mehr machen, wie z.B. einen kleinen
Induktionsofen zu bauen.
Dazu schließt man als Schwingkreis eine Spule aus 10Wdg mit 5cm Durchmesser
und einem Kondensator von etwa 500nF an. Da hier sehr hohe Ströme fließen
sollte der Draht der Spule mindestens 2,5mm² haben, besser noch aus dünnem
Kupfer Rohr bestehen (aufgrund der hohen Ströme und der hohen Frequenz
ist es egal ob der Draht hohl oder ausgefüllt ist: Skineffekt).
Der Kondensator muss diesen hohen Strom auf vertragen, weshalb man am besten
mehrere kleine parallel schaltet.
Bei meinem Aufbau lag die Stromaufnahme bei 25V bei rund 1,5A was auf hohe Verluste
im Schwingkreis hindeutet. Der Draht wird auch nach wenigen Sekunden schnell
heiß. Legt man einen Metallgegenstand in die Spule steigt die Stromaufnahme
auf 5-10A und der Gegenstand wird innerhalb kürzester Zeit heiß und
fängt an zu glühen.
Die Spannung liegt bei etwa 30Vss/Windung was 300Vss bzw 75Veff für die gesamte Spule ergibt. Der Strom der durch den Schwingkreis fliegt liegt bei etwa 50A. Dies ergibt eine Blindleistung von rund 3,75kW !
Für
solch einen Lichtbogen benötigt man einiges an Leistung. Ein 15V 50A Trafo
bietet genügend Leistung. Leider ist eine Betriebsspannung von 20V etwas
gering. Wenn der Lichtbogen auf die volle Länge von 10cm gezogen wird,
bricht die Spannung auf etwa 16V zusammen, da ein Strom von rund 20A fließt.
Die Leistung beträgt über 300W !
Steigert
man die Betriebsspannung auf 30V, kann man den Lichtbogen auf über 15cm
Länge ziehen. Die Spannung bricht bei dem Strom von bis zu 25A auf 25V
zusammen. Die Leistungsaufnahme liegt somit bei maximal 600W ! Lang macht das
der Zeilentrafo nicht mit, immerhin liefert der dabei einen Strom von etwa 50mA
und eine Ausgangsspannung von bis zu 10kV.
Zum Schluss noch ein paar Messergebnisse an einem DDR Zeilentrafo ÜH82:
Die
Primärwicklung hat 30 Windungen, die Kapazität des Schwingkreises
beträgt 660nF.
Die Sekundärwicklung hat etwa 1200 Windungen und einen Widerstand von 200Ohm.
Normalerweise reichen etwa 5-10 Windungen für die Primärspule, um
Ausgangsspannungen von 20kV zu erreichen. Um die Messungen aber sicher mit vorhandenen
Lastwiderständen durchführen zu können, habe ich mehr Windungen
verwendet.
Die Resonanzfrequenz des Trafos ohne Last liegt übrigends bei etwa 34kHz ! Der Trafo ist also bestens als SSTC mit Frequenzen im 30kHz Bereich geeignet. Unterhalb dieser Frequenz ist bis hinunter zu 10kHz geeignet. Ich betreibe diesen für die Messungen mit 17kHz.
Der Al Wert des Kerns beträgt übrigends etwa 140nH/Wdg²
Zunächst einige Messungen an einer konstanten Last:
Der
Lastwiderstand von 90kOhm wurde gewählt, da dieser eine Optimale Leistungsanpassung
an mein 40V 5A Netzteil bietet. Wie man erkennen kann, liegt der Wirkungsgrad
im Spannungsbereich von etwa 5-40V bei >75%. Für einen einfachen einfachen
Hochspannungstrafo ein erstaunlich hoher Wirkungsgrad.
Die
Ausgangsspannung nimmt linear mit der Eingangsspannung zu, ebenso die Stromaufnahme.
Die Schaltung verhält sich also linear.
Auch
bei einem niedrigeren Lastwiderstand ist der Wirkungsgrad ähnlich hoch.
Allerdings kann mein Netzteil nichtmehr die volle Leistung liefern.
Auch
hier sind Ausgangsspannung und Eingangsstrom linear.
Und nun einige Messungen mit konstanter Betriebsspannung:
Bei
10V Betriebsspannung kann die Schaltung ihr volle Leistung bei weitem nicht
enfalten: Es sind gerade mal 15W Ausgangsleistung bei optimaler Leistungsanpassung
möglich.
Wie man erkennen kann, hat die Schaltung über einen weiten Lastbereich einen hervorragenden Wirkungsgrad und bietet einen sicheren Kurzschlusschutz: Bei niedriegen Lastwiderständen arbeitet sie aufgrund des Innenwiderstands durch die Streuinduktivität als Konstantstromquelle. Der Kurzschlussstrom liegt bei etwa 25mA
Bei
20V Betriebsspannung sieht es schon besser aus: Aufgrund der doppelten Ausgangsspannung
ist etwa die vierfache Ausgangsleistung möglich.
Auch hier arbeitet die Schaltung bei kleinen Lastwiderständen als Stromquelle und auch hier zeigt sich das lineare Verhalten: Der Kurzschlusstrom ist doppelt so hoch wie beim Betrieb an 10V, nämlich 50mA.
Bei
40V Betriebsspannung ist die Schaltung an der Grenze angelangt:
Fazit:
Aus diesen vielen Diagrammen kann
man folgendes erkennen:
- Die Schaltung verhält sich
linear: Die Ausgangsspannung ist proportional der Eingangsspannung.
- Der Ausgangsstrom ist proportional der Eingangsspannung. Für einen dicken
Lichbogen sollte man also eine möglichst hohe Betriebsspannung und/oder
eine kleine Primärwindungszahl verwenden.
- Der Innenwiderstand ist weitesgehend konstant, da dieser von der Frequenz
abhängt die sich je nach Last leicht ändert (vor allem mit induktiven/kapazitiven
Lasten). Der Innenwiderstand lässt sich leicht berechnen: Die maximale
Ausgangsspannung an 40V beträgt 5kV, der Kurzschlussstrom 100mA. Also ist
der Innenwiderstand etwa 50kOhm groß. Alternativ kann man diesen auch
über den Punkt maximaler Leistung ausrechnen: Die maximale Leistung an
40V wird bei etwa 3200V erreicht. Dann fließen 60mA. Der Lastwiderstand
beträgt somit etwa 53kOhm. Die maximale Ausgangsleistung wird erreicht
wenn der Lastwiderstand genausogroß ist, wie der Innenwiderstand. Der
Innenwiderstand wäre mit diesem Rechenweg also 53kOhm groß, was gut
mit dem anderen Ergebnis übereinstimmt. Der ohmsche Innenwiderstand der
Wicklungen ist also im Vergleich zum induktiven vernachlässigbar klein.