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Spannungsversorgung

Kleine und große Spannungen kombiniert

02. November 2018, 10:00 Uhr   |  Rich Miron, Digi-Key

Kleine und große Spannungen kombiniert
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Für die meisten Entwickler von Stromversorgungen liegt der Schwerpunkt auf niedrigeren Spannungen. Doch oft müssen sie im selben Design auch höhere Spannungen integrieren, um die Verluste zu senken. Dieser Artikel behandelt neben der Theorie auch praktische Lösungsbeispiele.

Moderne Halbleiterchips arbeiten mit niedrigen Spannungen unter 5 V. Viele Anwendungen erfordern jedoch auch höhere Spannungen von mehreren Hundert Volt. Anwendungen wie piezoelektrische Motoren, haptische Komponenten, Druckkopftreiber, spezielle Sensoren und wissenschaftliche Instrumente benötigen höhere Spannungen, wobei die Ströme mit bis zu mehreren Hundert Milliampere meist gering sind. So ergibt sich ein Systemdesign, das Niederspannungsschaltkreise mit viel höheren Spannungen kombiniert und den Entwickler so zwingt, die damit verbundenen Herausforderungen zu meistern.

Bereitstellen der Hochspannungsschiene

Um die Hochspannungs-Gleichstromschiene bereitzustellen, können die Entwickler entweder eine Hochspannungsversorgung entwerfen und entwickeln oder sie können eine kaufen. Im Prinzip ist die Entwicklung einer solchen Versorgung nicht besonders anspruchsvoll, insbesondere nicht für niedrigere Ströme. Es gibt zwei klassische Ansätze: Erstens, steht nur eine niedrige Gleichspannung zur Verfügung, können die Entwickler einen entsprechenden Hochsetzsteller (Boost-Wandler) selber entwerfen oder eindesignen. Zweitens, ist über einen Netzanschluss eine Wechselspannung vorhanden, lassen sich eine oder mehrere Spannungsverdoppler einsetzen (Bild 1).

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Bild 1: In der Basisausführung eines Spannungsverdopplers werdrn Dioden und Kondensatoren eingestzt, um eine sinusförmige Wechselspannung von 120 V (Spitzenspannung 170 V) in eine DC-Spannung mit doppelter Spitzenspannung zu transformieren.

Ein Verdoppler in Basisausführung transformiert den Spitzenwert der Wechselspannung in eine doppelt so hohe Gleichspannung. Die Energiemenge, die ein solcher Verdoppler bereitstellen kann, hängt von der Größe der Kondensatoren ab. Höhere Ströme erfordern daher eine höhere Kapazität. Zu beachten ist, dass es sich bei diesen Kondensatoren um spezielle Hochspannungskomponenten handeln muss, da die Standardkondensatoren für niedrigere Spannungen versagen würden und eventuell sogar explodieren könnten.

Obgleich beide Ansätze – der mit Hochsetzsteller als auch der mit Spannungsverdopplung – prinzipiell funktionieren, treten bei beiden dieselben Probleme auf: Es sind hohe Spannungen involviert, sodass der Entwickler in Bezug auf Layout, Lichtbogenbildung, Benutzersicherheit und gesetzliche Standards achten muss.

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Bild 2: Der 1,639 cm³ große und bis 500 V galvanisch isolierte DC-DC-Wandler AG01P-5 aus der EMCO-Serie von XP Power wandelt eine DC-Eingangsspannung zwischen 0,7 V und 5 V in 100 V bei 10 mA.

Deshalb favorisieren viele Anwender eine kommerziell verfügbare Hochspannungsversorgung, etwa die EMCO-Serie AG01P-5 von XP Power (Bild 2). Diese leiterplattenmontierte Komponente ist 3,25 mm hoch und hat ein Volumen von 1,639 cm³. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine DC-Quelle mit 0,7 V bis 5 V und liefert 100 V bei bis zu 10 mA. Ein weiterer Vorteil ist die galvanische Trennung bis 500 V, die in vielen Fällen für den ordnungsgemäßen Systembetrieb und die Benutzer-/Gerätesicherheit erforderlich ist.

Für Anwendungen, die höhere Spannungen oder Ströme erfordern, bieten XP Power und andere Anbieter Basiskomponenten, die bei Hunderten von Milliampere Hunderte und sogar Tausende Volt bereitstellen können. Manche werden über eine Gleichstromschiene betrieben, die meisten aber über Wechselspannung. Durch den Einsatz einer solchen gebrauchsfertigen Standard-Hochspannungsversorgung von einem zuverlässigen Anbieter lassen sich sämtliche Hürden hinsichtlich der technischen Leistungsfähigkeit und der regulatorischen Herausforderungen effektiv nehmen. Somit können sich die Entwickler stattdessen darauf konzentrieren, wie die hohe Spannung am versorgten Schaltkreis angelegt wird.

Natürlich gibt es Fälle, in denen eine von einem OEM entwickelte Hochspannungsversorgung sinnvoll oder die einzige Option ist. Beispiele sind Großserienanwendungen, bei denen sich Vorteile bezüglich der Stückliste ergeben können, Fälle, in denen eine Standardstromversorgung nicht über die benötigte Kombination aus Spannung und Strom verfügt, Systeme, die einzigartige Platzbeschränkungen aufweisen oder eine Spannungsversorgung mit ungewöhnlichem Formfaktor benötigen, oder Fälle, in denen der OEM bereits Erfahrung mit der Entwicklung und der Implementierung von Hochspannungsversorgungen hat.

Für die meisten Ingenieure stellt die Entwicklung der Hochspannungsversorgung aufgrund der Kombination aus technischen Anforderungen, Auswahl und Beschaffung ungewöhnlicher Komponenten und Umgang mit regulatorischen Aspekten jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe dar.

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1. Kleine und große Spannungen kombiniert
2. Bereitstellen des analogen Treibers
3. Luft- und Kriechstrecken beachten

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