Die AC/DC und DC/DC Books of Knowledge

RECOM's AC/DC und DC/DC Books of Knowledge sind eine detaillierte Einführung in die verschiedenen Arten von Wandlern, Feedback Schleifen (Analog und Digital), Tests und Messungen, Schutz, Filter, Sicherheit, Verlässlichkeit, Konstantstrom-Treiber und Anwendungen. Der Inhalt ist notwendigerweise sehr technisch, aber trotzdem sowohl für Entwickler und Designer als auch für Studenten leicht lesbar.

Ein AC/DC- oder DC/DC-Wandlermodul erfüllt eine oder mehrere der folgenden Aufgaben:
  • Anpassung der sekundären Stromversorgung an die Primärversorgung
  • Trennung von Primär- und Sekundärkreisen
  • Schutz vor Fehlfunktionen, Kurzschlüssen und Überhitzung
  • Vereinfachung der Einhaltung von Sicherheits- und Leistungsstandards sowie der Vorgaben der EMV-Gesetzgebung

Viel Spaß beim Lesen.

Kapitel

Kap. 1: Spannungsregler
Moderne AC/DC- und DC/DC-Wandler sind so ausgerichtet, dass sie eine effiziente Spannungsumsetzung gewährleisten und eine geregelte, sichere und konstante Gleichstromspeisung für verschiedene elektronische Instrumente, Geräte und Systeme bereitstellen. Vor nicht allzu langer Zeit waren Transformatoren, Gleichrichter und lineare Spannungsregler die Haupttechnologie in der Spannungsumsetzung; aber so wie LEDs langsam die Glühbirne ersetzen, verdrängt auch der DC/DC-Wandler allmählich den Linearspannungsregler, und primärgetaktete Netzteile ersetzen den einfachen 50-Hz-Netztransformator.

Kap. 2: Feedbackschleifen
Einige der wichtigsten Entwicklungtskriterien in der Konstruktion von DC/DC-Wandlern sind Berechnungen und Methodiken, die zur Auslegung der Rückkopplungsschleifen der Regelung eingesetzt werden. Werden Schleifenparameter nicht korrekt berechnet, kann der Wandler Instabilität und Regelungsfehler aufweisen. Die Funktion einer Rückkopplungsschleife in einem DC/DC-Wandler besteht darin, den Ausgang bei einer fixen Größe, die nur vom Referenzwert abhängt, zu halten, d.h. sie ist unabhängig von Last-, Eingangsspannungs- oder Umweltabweichungen.

Kap. 3: Datenblatt Parameter richtig verstehen
Jeder seriöse Hersteller liefert mit seinem Produkt ein technisches Datenblatt, das wenigstens wesentliche Performanceparameter, Abmessungen und die Pinbelegung detailiert aufzeigt. Jedoch ist für den Vergleich zweier verschiedener DC/DC-Wandler anhand der Datenblatt-Informationen häufig mehr Interpretation gefragt, als ein einfacher Vergleich von Zahlenwerten.

Kap. 4: DC/DC-Wandler-Schutzmaßnahmen
Wie im Vorwort erwähnt, besteht eine der Funktionen des DC/DC-Wandlers darin, die Anwendungen zu schützen. Im einfachsten Fall erfolgt dieser Schutz durch eine Anpassung der Last an die primäre Stromquelle und einer Stabilisierung der Ausgangsspannung gegen Eingangsüber- und Unterspannung. der DC/DC-Wandler ist aber auch ein wesentliches Element, das den Kurzschlussschutz des Systems gewährleistet. Die Begrenzung einer Ausgangsüberlastung und Kurzschlussschutz beispielsweise schützen nicht nur den Wandler.

Kap. 5: Befilterung von Wandlereingang und -ausgang
Alle DC/DC-Wandler haben eine Restwelligkeit in der Ausgangsspannung infolge des Auf- und Entladens des Ausgangskondensators mit jedem Taktimpuls des internen Oszillators. Diese Ausgangswelligkeit hat je nach Topologie eine Frequenz, die entweder dieselbe oder doppelte Wandlerschaltfrequenz ist und in der Regel im 100-bis 200-kHz-Bereich liegt. Der Welligkeit überlagert sind Schaltspannungsspitzen mit einer viel höheren Frequenz, üblicherweise im MHz-Bereich.

Kap. 6: Sicherheit
Die Hauptziele verschiedener Sicherheitsstandards und -Vorschriften bestehen darin Sach- oder Personenschaden zu vermeiden, indem man Schutzgrade gegen folgende potentielle Gefahren definiert: Elektrischer Stromschlag, gefährliche Energie, Brand und Rauchentwicklung, Körperverletzung, Gefährdung durch Strahlung und Chemikalien.

Kap. 7: Betriebszuverlässigkeit
Fast seit Beginn der Nutzung der Elektrotechnik ist es für den Anwender notwendig, zu wissen, wie lange die Geräte ordnungsgemäß arbeiten werden. Da niemand die Zukunft vorhersagen kann, wurden statistische Verfahren entwickelt, um die Betriebszuverlässigkeit von Bauteilen, Komponenten, Baueinheiten oder Geräten vorauszusagen.

Kap. 8: LED Charakteristiken
Im Krieg lautet die erste Soldatenpflicht "Du musst wissen, wer Dein Feind ist". Dasselbe Prinzip gilt für die Festkörperbeleuchtung (SSL = Solid State Lighting) - wenn man nicht versteht, wie sich die LED (Leuchtdiode) verhält, darf man sich nicht wundern, wenn die Anwendung nicht gelingt.

Kap. 9: DC/DC-Anwendungsideen
Viele Anwendungen erfordern eine DC/DC-Spannungswandlung. So viele, dass nach Einschätzungen der Weltmarkt bis zum Jahre 2020 die 35-Milliarden-Dollar-Marke überschritten haben wird. Für viele Anwendungs-Entwickler ist aber der DC/DC-Wandler eine "Blackbox", eine Komponente zur Erfüllung einer Funktion.

Kap. 10: Magnetische Felder
Das 10. Kapitel deckt die Grundlagen von Trafomagnetismus inklusive Fachausdrücke, Kernsättigung, Induktivitäten mit Luftspalt, Kerngeometrien, Kernverluste, Skin Effekt und Proximity Effekt ab. In Anwendungsbeispielen von buck & boost- DC/DC Wandler-Designs wird gezeigt, wie magnetische Komponenten korrekt dimensioniert und Verluste im Magnetischen Kern und in Schaltelementen berechnet werden.

Kap. 11: 3DPP
Das neue Kapitel zu 3DPP® erläutert die verschiedenen Methoden und Techniken, die zu diesem Paradigmenwechsel geführt haben. Neuartige Packungstechniken haben die Leistungsdichte mehr als verdoppelt, sodass jetzt ein kompletter 15W-Wandler mit nur 3x3x1,5mm Größe möglich ist.

DC/DC Design

The RECOM DC/DC book of knowledge is an extensive collection of experience and learnings necessary to implement successful DC/DC power supply designs. It is the culmination of many years of experience and numerous power supply designs from RECOM's technical guru and innovation manager, Steve Roberts.

This eLearning course is a quick overview of the book's content that you can complete in a matter of hours—as opposed to the many days (perhaps even weeks) necessary to comprehensively cover the book—so please consider this a preview of core concepts and teachings in the world of DC/DC power supply design.

Kapitel

Kapitel 1: Eine historische Einführung
Haben Sie sich schon mal gefragt, warum wir 115V AC oder 230V AC Netzspannung haben und warum 50Hz oder 60Hz? Wer hat diese Werte eigentlich festgelegt? Dieses Kapitel erzählt die Geschichte der Entwicklung des Wechselstroms.

Kapitel 2: Lineare AC/DC-Netzteile
Gibt es in der modernen Welt noch Platz für lineare AC/DC-Netzteile oder sind Schaltnetzteile die einzige Antwort?

Kapitel 3: Scheinleistung, Blindleistung und Wirkleistung
Nehmen wir die Analogie eines Bierkrugs: Wirkleistung ist das flüssige Bier, Blindleistung ist die Schaumkrone und Scheinleistung ist das volle Glas. Dieses Kapitel erklärt die mathematischen Beziehungen zwischen „nutzbarer Elektrizität” und „vergeudeter Elektrizität”.

Kapitel 4: Wechselspannungstheorie
Dieses Kapitel zur Wechselspannungstheorie umfasst Impedanzdiagramme, komplexe Koeffizienten und die Wichtigkeit der imaginären Quadratwurzel aus minus eins. Welche Verbindung gibt es zwischen polarisiertem Licht und Maxwells Feldgleichungen?

Kapitel 5: Passive Bauelemente
Die Lebensarbeitsdauer eines Netzteils wird häufig durch die Wahl der Kondensatoren begrenzt. Wann ist ein 100µF-Kondensator kein 100µF-Kondensator? Dieses Kapitel erklärt die Stressfaktoren und wie ein AC/DC-Wandler mit über 20 Jahren Lebensdauer konstruiert wird.

Kapitel 6: Aktive Bauelemente
MosFET, IGBT, SiC oder GaN? Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen des Verhaltens von Leistungsschalttransistoren und wie eine Konstruktion für hohe Zuverlässigkeit erfolgt.

Kapitel 7: Blindleistungskompensation
Blindleistungskompensation ist häufig eine gesetzliche Anforderung an AC/DC-Wandler. Welche Techniken gibt es dafür und welche Vor- und Nachteile haben sie jeweils?

Kapitel 8: Topologien für AC/DC-Wandler
Dieses Kapitel gibt einen umfassenden Überblick zu den Topologien für AC-Netzteile: massebezogen (Single-ended), quasi-resonant, Two-Transistor, phasenversetzt, parallel, Halbbrückenschaltung und Vollbrückenschaltung, einphasig und dreiphasig. Was Sie hier nicht finden, brauchen Sie vermutlich nicht!

Kapitel 9: Transformatorlose AC-Netzteile
Nicht alle AC/DC-Netzteile brauchen einen Transformator. Was hat IoT mit nicht isolierten AC/DC-Wandlern zu tun?

Kapitel 10: Drahtlose Stromversorgung
Strom ohne Kabel war seit der Zeit von Tesla eine Ambition. Mit dem Aufkommen von Qi und anderen Standards entwickelt sich die drahtlose Stromversorgung jetzt von elektrischen Zahnbürsten weiter und wird eine sehr nützliche Technik zur Stromübertragung.

Kapitel 11: Rückkopplung
Rückkopplung ist die Essenz jedes stabilen Systems. Wie lässt sich ein Netzteil konstruieren, das schnell auf plötzliche Änderungen der Last oder der Eingangsspannung reagiert, aber bei konstanter Last reibungslos arbeitet? Warum ist der Optokoppler das schwache Glied in der Kette und welche Alternativen dazu gibt es?

Kapitel 12: Techniken für geringe Standby-Leistungsaufnahme
Mikroprozessoren haben eine Leistungsaufnahme, die zwischen voller Geschwindigkeit und tiefem Ruhezustand um den Faktor 100 Millionen variiert. Wie lässt sich ein Netzteil so konstruieren, dass es bei Bedarf volle Leistung liefert, aber so wenig wie möglich verbraucht, wenn die Last nahezu null ist?

Kapitel 13: Wechselspannung messen
„Wer misst, misst Mist!“ Das Messen von Wechselspannung ist nicht so einfach wie bei Gleichspannung. Dieses Kapitel skizziert die verschiedenen Messtechniken für Wechselspannung und erläutert, warum das Multimeter möglicherweise nicht die ganze Wahrheit anzeigt.

AC/DC Design

An Introduction to the Fundamentals
The RECOM AC/DC book of knowledge is an extensive collection of experience and learnings necessary to implement successful AC/DC power supply designs. It is the culmination of many years of experience and numerous power supply designs from RECOM's technical guru and innovation manager, Steve Roberts.

This eLearning course is a quick overview of the book's content that you can complete in a matter of hours—as opposed to the many days (perhaps even weeks) necessary to comprehensively cover the book—so please consider this a preview of core concepts and teachings in the world of AC/DC power supply design.