Sperrwandler-Rechner

So nutzen Sie den Sperrwandler-Rechner

Der Sperrwandler-Rechner unterstützt Elektronikentwickler, Studierende und Ingenieure bei der schnellen Dimensionierung galvanisch getrennter Sperrwandler (Flyback-Converter). Mit dem interaktiven Sperrwandler-Rechner bestimmen Sie zentrale Auslegungsgrößen wie das Windungszahlverhältnis des Übertragers, die Primärinduktivität, den Spitzenstrom auf der Primärseite sowie die Ein- und Ausgangsleistungen.

Geben Sie dazu einfach Ihre Schaltungsparameter in die Eingabefelder ein:

• Eingangsspannung ($V_{in}$): Die anliegende Gleichspannung am Eingang in Volt (V).
• Ausgangsspannung ($V_{out}$): Die gewünschte stabilisierte Gleichspannung am Ausgang in Volt (V).
• Ausgangsstrom ($I_{out}$): Der maximale Nennlaststrom am Ausgang in Ampere (A).
• Tastgrad ($D$, Duty Cycle): Das Verhältnis aus Einschaltdauer und Periodendauer in Prozent (%).
• Wirkungsgrad ($\eta$): Der erwartete Gesamtwirkungsgrad der Wandlerstufe in Prozent (typisch 80 % bis 90 %).
• Schaltfrequenz ($f_s$): Die Arbeitsfrequenz des Schalttransistors (MOSFET) in Hertz (Hz).

Sobald Sie gültige Werte eintragen, berechnet der Sperrwandler-Rechner unmittelbar die Ergebnisse samt Formel, Zwischenschritten und Einheitenhinweisen.

Formeln & Schaltungstheorie zur Sperrwandler-Auslegung

Ein Sperrwandler (Flyback-Converter) unterscheidet sich von klassischen Transformatoren dadurch, dass der Übertrager während der Leitphase des primären Schalttransistors Energie im Magnetfeld speichert und diese erst in der Sperrphase über die Sekundärdiode an die Last abgibt. Der Sperrwandler-Rechner nutzt für die Auslegung folgende mathematische Beziehungen:

Vout ≈ (Ns/Np) × Vin × D/(1-D); Pout = Vout × Iout; Pin ≈ Pout/η

Wichtige Berechnungsformeln im Detail:

1. Ausgangsleistung ($P_{out}$) und Eingangsleistung ($P_{in}$): $$\text{P}{out} = V{out} \times I_{out}$$ $$\text{P}{in} = \frac{\text{P}{out}}{\eta}$$

2. Windungszahlverhältnis ($N_p / N_s$): Aus der Spannungs-Zeit-Flächenbilanz im stationären Zustand ergibt sich das Übersetzungsverhältnis zu: $$\frac{N_p}{N_s} = \frac{V_{in} \cdot D}{V_{out} \cdot (1 - D)}$$

3. Mittlerer Eingangsstrom ($I_{in,avg}$) und primärer Spitzenstrom ($I_{peak}$): $$\text{I}{in,avg} = \frac{\text{P}{in}}{V_{in}}$$ $$\text{I}{peak} = \frac{2 \cdot \text{I}{in,avg}}{D}$$

4. Primärinduktivität des Übertragers ($L_p$): $$L_p = \frac{V_{in} \cdot D}{\text{I}_{peak} \cdot f_s}$$

Bei der praktischen Konstruktion mit dem Sperrwandler-Rechner sind zudem parasitäre Effekte zu beachten. Insbesondere führt die Streuinduktivität der Primärwicklung beim Abschalten des Schalters zu hohen Spannungsspitzen ($V_{DS}$), weshalb fast immer ein RCD-Snubber (Dämpfungsnetzwerk) parallel zur Primärwicklung erforderlich ist.

Typische Anwendungsbereiche für den Sperrwandler-Rechner

Der Sperrwandler-Rechner eignet sich hervorragend für vielfältige Entwicklungsaufgaben in der Leistungselektronik:

• Schaltnetzteile (SMPS): Schnelle Vordimensionierung von primär getakteten Netzteilen für Haushalts-, IT- und Industrieanwendungen bis ca. 150 Watt.
• Hilfsspannungsversorgungen (Auxiliary Power Supplies): Auslegung robuster Hilfsnetzteile für Wechselrichter, Motorsteuerungen oder Ladegeräte.
• Galvanisch getrennte DC/DC-Wandler: Berechnung kompakter Wandlerstufen bei stark variierenden Eingangsspannungen.
• Übertrager-Dimensionierung: Ermittlung von Induktivität und Spitzenstrom als Grundlage für die Kernauswahl (z. B. EE-, EFD- oder RM-Kerne) und Luftspaltberechnung.
• Lehr- und Laborpraxis: Veranschaulichung des Zusammenspiels von Tastgrad, Schaltfrequenz und Spitzenströmen im Studium der Elektrotechnik.

Nutzen Sie den Sperrwandler-Rechner, um Auslegungsvarianten vor der Schaltungssimulation in SPICE oder dem Laboraufbau schnell zu vergleichen.

Praxisbeispiel: Schritt-für-Schritt-Auslegung

Angenommen, Sie möchten ein 12-V-Schaltnetzteil mit 2 A Ausgangsstrom an einer 24-V-Gleichspannung auslegen. Folgende Parameter werden im Sperrwandler-Rechner eingegeben:

• $V_{in} = 24,\text{V}$, $V_{out} = 12,\text{V}$, $I_{out} = 2,\text{A}$
• Tastgrad $D = 45,% = 0{,}45$
• Wirkungsgrad $\eta = 85,% = 0{,}85$
• Schaltfrequenz $f_s = 100,\text{kHz} = 100,000,\text{Hz}$

Schrittweise Berechnung:

1. Ausgangsleistung: $P_{out} = 12,\text{V} \times 2,\text{A} = 24,\text{W}$
2. Eingangsleistung: $P_{in} = 24,\text{W} / 0{,}85 \approx 28{,}235,\text{W}$
3. Windungszahlverhältnis: $N_p / N_s = \frac{24 \times 0{,}45}{12 \times (1 - 0{,}45)} = \frac{10{,}8}{6{,}6} \approx 1{,}636$
4. Mittlerer Eingangsstrom: $I_{in,avg} = 28{,}235,\text{W} / 24,\text{V} \approx 1{,}176,\text{A}$
5. Primärer Spitzenstrom: $I_{peak} = \frac{2 \times 1{,}176,\text{A}}{0{,}45} \approx 5{,}229,\text{A}$
6. Primärinduktivität: $L_p = \frac{24,\text{V} \times 0{,}45}{5{,}229,\text{A} \times 100,000,\text{Hz}} \approx 20{,}65,\mu\text{H}$

Mit diesen durch den Sperrwandler-Rechner ermittelten Werten können Sie direkt den passenden Speicherdrossel-Kern dimensionieren und die Spannungsfestigkeit des Schalttransistors sowie der Ausgangsdiode festlegen.