Das Funktionsprinzip von Schalttransistoren in Schaltnetzteilen
Streng genommen ist der Prozess, einen Transistor vom leitenden in den gesperrten Zustand zu schalten, sehr komplex, aber wenn wir sein Funktionsprinzip analysieren, vereinfachen wir normalerweise zunächst einige weniger wichtige Probleme. Wenn beispielsweise eine Netzschalterröhre ein- oder ausgeschaltet wird, betrachten wir sie als einen idealen Schalter, der nur in zwei Zuständen arbeitet: ein oder aus. Doch in Wirklichkeit sind sowohl das Leiten als auch das Ausschalten des Schalttransistors sehr komplexe Prozesse. Zusätzlich zum Leiten oder Ausschalten gibt es ein weiteres Problem, das bei hohen Frequenzen nicht ignoriert werden kann, nämlich den Arbeitsprozess des Schalttransistors vom Sperrbereich zum Verstärkungsbereich und dann vom Verstärkungsbereich zum Sättigungsbereich, wenn er leitet. Dieser Arbeitsprozess erfordert die Verwendung von Differentialgleichungen zur Lösung, und ich möchte ihn Ihnen hier nicht zu kompliziert vorstellen.
Einfach ausgedrückt dauert es eine Weile, bis sich die Netzschalterröhre ein- und ausschaltet. Im Allgemeinen wird die Leitungszeit ton der Schaltröhre einfach in eine Leitungsverzögerungszeit td und eine Leitungsanstiegszeit tr unterteilt, während die Abschaltzeit toff der Schaltröhre in eine Abschaltverzögerungszeit tstg (oder Abschaltspeicherzeit) und eine Abschaltabfallzeit tf unterteilt wird.
Beim Ausschalten der Stromversorgung während eines Arbeitszyklus muss die Ausgangsspannung den filtrierenden Energiespeicherkondensator laden. Aufgrund des hohen Ladestroms kommt es zu einer hohen Belastung (bzw. einem Lastkurzschluss). Daher müssen allgemeine Schaltnetzteile Sanftanlaufmaßnahmen ergreifen. Am Anfang ist der Arbeitszyklus sehr klein und tendiert dann allmählich zum Normalzustand, das heißt, die Ausgangsleistung ist am Anfang sehr klein und steigt dann allmählich an. Zu Beginn ist die Arbeitsspannung relativ niedrig und steigt dann allmählich auf den Normalwert an.
Streng genommen arbeiten Schaltnetzteile immer in einem instabilen Zustand und die Stabilität ist nur relativ. Der Spannungsstabilisierungsprozess eines Schaltnetzteils läuft beispielsweise wie folgt ab: Wenn die Ausgangsspannung ansteigt, gibt die Abtastschaltung nach der Abtastung und dem Vergleich ein Fehlersignal an die Pulsweitenmodulationsschaltung aus, wodurch das Tastverhältnis und damit die Ausgangsspannung verringert werden. Nachdem die Ausgangsspannung nach der Abtastung und dem Vergleich abnimmt, gibt die Abtastschaltung ein Fehlersignal an die Pulsweitenmodulationsschaltung aus, um das Tastverhältnis zu erhöhen und dadurch die Ausgangsspannung zu erhöhen. Dieser Zyklus wiederholt sich und die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils schwankt immer um die Durchschnittsspannung mit einer bestimmten Frequenz. Die sogenannte Spannungsstabilisierung besteht lediglich darin, dass die durchschnittliche Ausgangsspannung relativ stabil ist.
