Schalter

In der Leistungselektronik werden vorwiegend Schalter, Spulen, Trafos und Kondensatoren eingesetzt. Wir beginnen das Tutorial mit Erklärungen zu diesen Bauelementen.

Hinweis für Fortgeschrittene: Wir betrachten in diesem Kapitel nur Schalter, die zwischen den Zuständen EIN und AUS wechseln. Betriebszustände wie „halb offen“ wie bei Transistoren im Analogbetrieb werden nicht betrachtet.

Ein solcher Schalter ermöglicht oder verhindert Stromfluss. Er wird in der einfachsten Form als Ohm´scher Widerstand modelliert. Wenn er den Stromfluss verhindert, ist sein Widerstand sehr hoch. Beim idealen Schalter ist er unendlich hoch, so dass gar kein Strom durch den Schalter fließt. Leitet der Schalter Strom, ist sein Widerstand niedrig. Der ideale geschlossene Schalter weist einen Widerstand von 0Ω auf.

Mechanisch betätigte Schalter sind z. B. klassische Lichtschalter. Sie werden von einem Menschen bedient, der z. B. das Licht ein- oder ausschalten will. Dabei wird der Stromfluss zwischen Netz und Verbraucher (Lampe) durch einen Schalter unterbrochen oder freigegeben. Mechanisch betätigte Schalter sind langweilig. Für Leistungselektronik brauchen wir Schalter, die elektronisch betätigt werden. Niemand steht in einem Umspannwerk und schaltet irgendwas von Hand.

An einem Schalter liegt die Spannung US an. Es fließt der Strom IS.

Elektronische Schalter weisen üblicherweise drei Anschlüsse auf. Es gibt einen Steuereingang und zwei weitere Anschlüsse, zwischen denen sich der Widerstand ändert. Am Steuereingang wird eine Spannung angelegt. Es gibt ein Steuersignal für „sei hochohmig“ und eines für „sei niederohmig“. Der Widerstand des Schalters zwischen seinen Leistungsanschlüssen wird durch das Signal am Steuereingang verändert.

Schalter-Parameter

Schalter unterscheiden sich hinsichtlich folgender Parameter:

Maximale Spannung: Die Sperrspannung (Schalter hochohmig) ist begrenzt. Übersteigt die Sperrspannung ihren Maximalwert, ist der Schalter sofort defekt. Er bildet dann entweder einen dauerhaften Kurzschluss (R = 0Ω) oder er ist dauerhaft offen (R → ∞).

Maximaler Strom: Der Strom durch den schaltbaren Widerstand ist begrenzt. Übersteigt der Strom seinen Maximalwert, heizt sich der Schalter zu stark auf. Er ist dann innerhalb weniger Sekunden defekt. Er bildet dann entweder einen dauerhaften Kurzschluss (R = 0Ω) oder er ist dauerhaft offen (R → ∞).

Maximale Leistung: Das Produkt aus Spannung und Strom ist begrenzt. Der Effekt bei zu hoher Leistung ähnelt dem von zu viel Strom.

Schaltzeit: Der Widerstand des Schalters ändert sich beim Schalten innerhalb einer definierten Zeitspanne. Gute Schalter schalten schnell, schlechte schalten langsam. Innerhalb der Schaltzeit ändert sich der Strom sehr schnell. Die Schaltzeit hängt von der Ansteuerung ab, sie kann vom Nutzer etwas beeinflusst werden.

Maximale Schaltfrequenz: Der Schalter kann nicht beliebig schnell nacheinander geöffnet und wieder geschlossen werden. Die maximale Schaltfrequenz gibt an, wie oft er pro Sekunden geöffnet und dann wieder geschlossen werden kann. Die maximale Frequenz ist von der Schaltzeit abhängig. Die minimale Periodendauer von Ein- und Ausschalten beträgt zweimal die Schaltzeit. Ein- und Ausschalten kann unterschiedlich lange dauern.

Durchlass-Verhalten: Im Zustand geschlossen zeigen Schalter unterschiedliches Verhalten. Ein Schaltertyp (Mosfet) hat einen (kleinen) Durchlass-Widerstand, der auch als On-Widerstand ROn bezeichnet wird. Er gibt an, wie hoch der Widerstand des Schalters im geschlossenen Zustand ist. Der On-Widerstand sollte möglichst niedrig sein. Je größer der On-Widerstand, desto größer ist die Verlustleistung am Schalter, während er Strom leitet. Diese beträgt P = I2 ∙ ROn.

Ein anderer Schaltertyp (IGBT) weist eine Durchlass-Spannung UCE,sat auf. Die Durchlassspannung wird auch als Sättigungsspannung bezeichnet. Sie ist leicht vom Strom abhängig und liegt im Bereich von 2..3V. Die Verlustleistung beträgt dann P = UCE,sat ∙ I. Die Verlustleistung im Zustand „Schalter geschlossen“ wird als „statische Verlustleistung“ bezeichnet.

Schaltverluste: Im Augenblick des Schaltens weisen Schalter eine sehr hohe Verlustleistung auf. Warum klären wir später. Zum Glück dauert ein Schaltvorgang nicht lange, deshalb ist der zeitliche Mittelwert der Schaltverluste erträglich. Je häufiger geschaltet wird, desto problematischer werden die Schaltverluste. Die Verlustleistung beim Schalten wird als „dynamische Verlustleistung“ bezeichnet.

Welche Schalter wir auswählen hängt von den Anforderungen der Applikation ab. In einem Elektroauto muss eine Spannung von bis zu 400V mit einem Strom von bis vielen 100A geschaltet werden. In einer Bohrmaschine werden 18V und wenige 10 Ampere geschaltet. Dafür gibt es jeweils unterschiedliche Arten von Schaltern.

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