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Manipulationsgeschützte Stromversorgung für E-Meter

05. September 2018, 09:55 Uhr   |  Von Florian Mueller, Systems Applications Engineer Power bei Texas Instruments

Manipulationsgeschützte Stromversorgung für E-Meter
© Bilder: Texas Instruments

Bild 1: Die Spannung am Schaltknoten VSW (Drain-Source-Spannung des primärseitigen MOSFET) ohne Magnetfeld bei voller Ausgangsleistung

Schaltnetzteile (SMPS) mit kostengünstiger Flyback-Topologie kommen dank hohem Wirkungsgrad und guter Leistung häufig in Elektrizitätszählern (E-Metern) zum Einsatz. Bekanntermaßen nutzen SMPS magnetische Bauteile. Damit stellt sich die Frage: Wie können E-Meter vor Manipulationen geschützt werden?

Kriminelle von heute manipulieren E-Meter, indem sie starke externe Magnetfelder nutzen, um den Betrieb der Stromversorgung zu unterbrechen und damit die Stromrechnung zu senken. Eine durchaus gängige Praxis besteht darin, starke Magneten zu kaufen, wie sie in vielen Online-Shops erhältlich sind, und diese neben oder auf dem Trafo des E-Meter-Netzteils zu platzieren.

Dieser Magnet unterbricht den gesamten Betrieb und kann in einigen Fällen sogar die Stromversorgung zerstören, wodurch das Gerät außer Betrieb gesetzt wird. Dies geschieht, wenn ein starkes äußeres Magnetfeld das Material des Transformatorkerns in ähnliche Richtungen dreht, d.h. das Material gerät in die Sättigung, sobald die maximale Flussdichte B erreicht ist.

Im gesättigten Zustand ist die magnetische Feldstärke nicht mehr direkt proportional zum Strom, der durch die Primärwicklung fließt. Dadurch verliert der Kern seine magnetischen Eigenschaften, die Primärinduktivität sinkt und der Strom steigt, was zu einem Totalausfall führen kann. Dieser Artikel stellt einige Methoden vor, wie eine Offline-Flyback-Stromversorgung robuster gemacht werden kann, um vor externen Magnetfeldern geschützt zu sein.

Bilder: Texas Instruments
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Bild 2: Die Spannung am Schaltknoten VSW (Drain-Source-Spannung des primärseitigen MOSFET) mit einem externen 200-mT-Feld bei voller Ausgangsleistung

Vorbei sind die Zeiten, in denen Flyback-Controller mit konstanter Frequenz arbeiteten. Typischerweise werden heute quasiresonante Wandler oder Versionen mit der Valley-Switching- Modulationstechnik verwendet, um den Wirkungsgrad zu verbessern. In diesem Artikel wird nur ein Valley-Switching-Controller betrachtet, bei dem die Schaltfrequenz variiert, sodass der eigentliche Schaltvorgang stets genau beim Spannungs-Minimum der Resonanzschwingung am Schaltknoten erfolgt.

Dieser besondere Controller moduliert die Schaltfrequenz und hält gleichzeitig den Spitzenstrom in der Primärwicklung über den größten Teil des Arbeitsbereichs hinweg konstant. Mit steigender Ausgangslast nimmt die Schaltfrequenz zu, bis die maximale Schaltfrequenz (typischer Wert: 100–130 kHz) erreicht ist, was wiederum die maximal erreichbare Ausgangsleistung begrenzt.

Die Rolle der Primär-Induktivität

Im Allgemeinen bestimmt (neben dem Windungsverhältnis) die Primärinduktivität eines Flyback-Übertragers, ob der Regler im Übergangsbetrieb, im tief lückenden oder im nichtlückenden Betrieb für Volllast arbeitet.

Die Primärinduktivität zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung entscheidet bei der Valley-Switching-Technik über die Betriebsfrequenz. Eine falsch berechnete Primärinduktivität kann den Wirkungsgrad verringern oder sogar verhindern, dass die volle Ausgangsleistung erreicht wird. Deshalb muss die Primärinduktivität mit äußerster Sorgfalt gewählt werden.

Die Herausforderung bei der Realisierung einer manipulationsgeschützten Stromversorgung besteht darin, dass die effektive Primärinduktivität sinkt, sobald ein starkes externes Magnetfeld in ihrer Nähe ist. Und was bedeutet das für den Arbeitspunkt? Wenn der Regler im Spannungsmodus arbeitet, würde eine Reduzierung der effektiven Primärinduktivität plötzlich zu einem hohen Primärspitzenstrom führen, der den Übertrager weiter in die Sättigung treibt und die Stromversorgung zerstören kann. Um dem entgegenzuwirken, sollte ein Stromregler (anstelle eines Spannungsreglers) verwendet werden, da er den Spitzenstrom in der Primärwicklung in jedem Schaltzyklus begrenzt.

Normalerweise kann ein Stromregler auch bei einem externen Magnetfeld den maximalen primärseitigen Spitzenstrom unter Kontrolle halten. Liegt ein externes Magnetfeld an, kompensiert der Regler die geringere Primärinduktivität durch Erhöhung der tatsächlichen Schaltfrequenz.

Es wird daher empfohlen, die Primärinduktivität so auszulegen, dass die Schaltfrequenz weit unter der maximalen Schaltfrequenz des Controllers liegt. Es ist somit auch empfehlenswert, eine höhere Primärinduktivität zu wählen, die es dem Controller ermöglicht, die Schaltfrequenz zu erhöhen (während eines Angriffs mit externem Magnetfeld), um eine maximale Leistungsabgabe zu gewährleisten.

Ein weiterer Vorteil einer größeren Primärinduktivität besteht darin, dass bei einer Absenkung der effektiven Primärinduktivität durch ein externes Magnetfeld die „Einschaltdauer“ nicht unter die minimale Einschaltdauer des Controllers fällt, was zu Stabilitätsproblemen führen könnte. Die Bilder 1 und 2 zeigen den Schaltknoten mit und ohne externes Magnetfeld.

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1. Manipulationsgeschützte Stromversorgung für E-Meter
2. Schnelle Sättigung verhindern

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