Effizienter AC/DC-Konverter

Effizienter AC/DC-Konverter

Sandro Zgraggen

Problemstellung
Die effiziente, günstige und platzsparende Wandlung von Spannung gewinnt in Zeiten, in denen Klimaschutz und gleichzeitige Wirtschaftlichkeit gefragt ist, immer mehr an Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird ein Schaltnetzteil für Leistungen unter 3W (3.3VDC, 90mA) entworfen. Die restriktiven Parameter waren dabei die Effizienz der Wandlung, die Dimension (maximal 625mm mal 17mm), die Kosten (5.00.- CHF bei einer Auflage von 100’000 Stück) und die geforderte Eingangsspannung von 85VAC bis 275VAC. Ziel dieser Arbeit war eine funktionierendes Funktionsmuster zu entwerfen, welches die genannten Anforderungen erfüllen kann.

Lösungskonzept
Schaltnetzteile sind für die gestellte Aufgabenstellung prädestiniert. Speziell die Abwärtswandlerschaltung (Buck-Converter) konnte die geforderten Parameter an Energie-, Platz- und Kosteneffizienz erfüllen. Durch Taktung (Schalten) der gleichgerichteten Eingangsspannung werden Energieportionen zur angeschlossenen Last transportiert. Mittels einer Regelung kann die Leistung an der Last in Abhängigkeit der Pulsweite und der Eingangsspannung bestimmt werden.

Realisierung
Nachdem die Schaltung in den Simulationen funktionierte, konnte diese auf einem Laborsteckbrett aufgebaut werden. Im Anschluss dazu wurde ein Prototyp auf einem PCB (Printed Circuit Board) designt und in der Hochschule Luzern hergestellt, bestückt und getestet.

Ergebnisse
Als Ergebnis kann ein funktionierender Prototyp auf einem PCB (Printed Circuit Board) vorgezeigt werden. Dieser kann eine Eingangsspannung von 85VAC bis 275VAC in eine DC-Spannung von 3.2V bis 3.8V wandeln und das bei einem Einzelstückpreis von 5.30.-CHF. In einem nächsten Schritt müsste die Ausgangsspannung auf 3.3VDC stabilisiert und das PCB auf die geforderte Grösse komprimiert werden.

Studienbetreuer Prof. Rolf Mettler
Preisstifter Schurter AG

Abwärtswandlerschaltung mit eingezeichneten Spannungen und Strömen (Heinz Schmidt-Walter, 2019).
Spannungen und Ströme des Abwärtswandlers (Heinz Schmidt-Walter, 2019).
Prototyp der Schaltung im Vergleich zu einem Fünffranken Geldstück, welches der ungefähren Endgrössse der Schaltung entspricht.
Ausgangsspannung des Prototyps bei 275VAC Eingangsspannung, gemessen
mit einem Oszilloskop

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