DC DC-WANDLER

Einleitung

Für viele Schaltungen ist es notwendig, eine fix vorgegebene Versorgungsspannung zu verwenden. Ist die benötigte Versorgung eine Wechselgröße, so kann sie mittels Transformator von der zur Verfügung stehenden Versorgung (z. B. Netz mit 230Vac) relativ leicht an die benötigten Werte angepaßt (herabtransformiert, oder in besonderen Fällen hinauftransformiert) werden. Benötigt man Gleichspannung und Gleichstrom, so ist es über verschiedene Gleichrichterschaltungen möglich die gewünschten Gleichwerte aus Wechselwerten zu erhalten. Schwieriger ist es aber, wenn bei einer gegebenen Gleichspannung (z. B. Bleiakku mit 24Vdc) eine andere Gleichspannung benötigt wird (z. B. für Logikschaltungen mit +5V). Grundsätzlich ist es möglich dazu eine stetige Regelschaltung (z. B. einen Fixspannungsregler) zu verwenden. Bei dieser Konfiguration fällt aber ein großer Teil der umzusetzenden Energie als reine Verlustleistung und damit unnütze Wärme an. Die notwendigen Wärmeableitmaßnahmen sind kostenintensiv, voluminös und schwergewichtig. Zur verbesserten Energieausnützung wird nun versucht die gegebenen Gleichspannungs- und Gleichstromwerte, wie bei den Wechselgrößen, auf die gewünschten Werte zu wandeln. Dazu werden Ladungs­speicher­elemente, wie Spule und Kondensator, benötigt die in verschiedenen Varianten mit einigen anderen Bauteilen für die jeweilige Aufgabenstellung zusammengeschalten werden. Die komplette Baugruppe wird dann als DC‑DC Wandler bezeichnet.

Grundprinzipien der Drosselwandler :

Geregelte Drosselwandler gehören zu den einfachten getakteten Netzgeräten. Sie dienen der möglichst verlustfreien Potentialwandlung aus einer Gleichspannung in eine gewünschte Ausgangsgleichspannung unter zuhilfenahme einer Drossel. Die drei Grundtypen sind der Abwärtsregler, der Aufwärtsregler und der Inverter. Von diesen Versionen ist der Abwärtsregler der am häufigsten verwendete Wandlertyp. Ihnen gemein ist die Nutzung der Speicherfähigkeit von Energie in einer Drossel sowie das Verhalten der Drossel an Rechteckspannungen.

Die Kombination eines Aufwärtswandlers und eines Abwärtswandlers mit nur einer gemeinsamen Drossel, der Aufwärts- Abwärtsregler, ist ebenfalls in einigen Netzteilen anzutreffen. Dieser eignet sich zur Gleichspannungserzeugung bei einem sehr großen Eingangsspannungsbereich. Die Ausgangsspannung kann kleiner, gleich oder größer der Eingangsspannung sein.

Beim Einsatz dieser Wandler unterscheidet man zwischen zwei Betriebsarten, die sich auf die Kurvenform des Spulenstromes beziehen:

Trapezbetrieb
Dabei ist es möglich die Flankensteilheit zu variieren, was größere Freiheitsgrade für die Wahl der Induktivität verschafft.

Dreieckbetrieb
Das ist eine Sonderform des Trapezbetriebes, in welcher der Wandler auch lückend betrieben werden kann. Hier ist natürlich keine Variation der Flankensteilheit möglich.

Step-Up Wandler :

Funktion

Glättungskondensator bereits geladen.

Flußphase (Schalter geschlossen)
Durch das Schließen des Schalters sperrt die Diode. Da nun eine positive Spannung an der Spule anliegt, baut sich ein Strom auf, der die Speicherung einer Energie in der Spule bewirkt.

Sperrphase (Schalter offen)
Da die Spule wegen der gespeicherten Energie den Strom beibehalten will, muß die Diode leitend werden und den, wieder fallenden, Spulenstrom dem Ausgang bzw. dem Kondensator zuführen.

Die Spule liefert nur während der Sperrphase einen Strom der tatsächlich genutzt wird, was das typische Merkmal eines Sperrwandlers ist. Ein Eingangsstrom fließt dagegen während der ganzen Periodendauer.

Dreieckbetrieb:

Dimensionierung des Dreieckbetriebs:

geg.: U_in , U_out , I_out Us_sat = 0; Ud_f = 0 (ideal)

Es gilt:

1.)                 

I_p maximaler Spulenstrom

2.)

Die zugeführte Ladung muß gleich der abgeführten Ladung sein (Q_ab = Q_zu )

3.) Q_ab = Q_zu :

4.) (Berechnung der Spule )

Brummspannung:

Beim Kondensator gilt wiederum Q_ab = Q_zu

mittels ähnlicher Dreiecke erhält man:

Wirkungsgrad:

Lückender Betrieb :

Trapezbetrieb :

Dimensionierung des Trapezbetriebs:

geg.: U_in , U_out , I_{out min} , I_{out max} Us_sat = 0; Ud_f = 0 (ideal)

Es gilt:

1.)                  

I_p maximaler Spulenstrom

Aus Dreieckbetrieb ergibt sich:

2.)

Die zugeführte Ladung muß gleich der abgeführten Ladung sein (Q_ab = Q_zu )

3.) Q_ab = Q_zu :

       

       

4.) (Berechnung der Spule )

Brummspannung:

Beim Kondensator gilt wiederum Q_ab = Q_zu

I₀ > I_out :

I₀ < I_out :

Wirkungsgrad:

Step-Down Wandler :

Funktion

Glättungskondensator bereits geladen.

Flußphase (Schalter geschlossen)
Nach dem Schließen des Schalters beginnt ein konstant steigender Strom durch die Spule zu fließen (die Diode sperrt). Er fließt zuerst gemeinsam mit dem Kondensatorstrom in den Ausgang, und erst wenn er größer als der Ausgangsstrom ist, fließt er zusätzlich in den Kondensator und speichert dort die Energie.

Sperrphase (Schalter offen)
Da die Spule den Strom beibehalten will, muß die Diode leiten und den Strom für die Spule liefern. Die Spannung an der Spule ist aber nun negativ was eine Verringerung des Spulenstromes bewirkt. Reicht der Spulenstrom nicht mehr für den Ausgangsstrom, so liefert der Kondensator aus der zuvor gespeicherten Energie den restlichen Strom für den Ausgang.

Man erkennt, daß der benötigte Strom während der ganzen Periodendauer durch die Spule fließt, weshalb er auch ein Durchflußwandler ist. Einen Eingangsstrom gibt es aber nur während der Einschaltzeit.

Dreieckbetrieb:

Dimensionierung des Dreieckbetriebs:

geg.: U_in , U_out , I_out Us_sat = 0; Ud_f = 0 (ideal)

Es gilt:

1.)                     

I_p maximaler Spulenstrom

2.)

Die zugeführte Ladung muß gleich der abgeführten Ladung sein (Q_ab = Q_zu )

3.) Q_ab = Q_zu :

       

4.) (Berechnung der Spule )

Brummspannung:

Beim Kondensator gilt wiederum Q_ab = Q_zu

mittels ähnlicher Dreiecke erhält man:

Wirkungsgrad:

Lückender Betrieb:

Trapezbetrieb:

Dimensionierung des Trapezbetriebes :

geg: U_in , U_out , I_outmin , I_outmax

Es gilt:

1.)

Aus Dreiechbetrieb ergibt sich:

2.)

Die zugeführte Ladung muß gleich der abgeführten Ladung sein (Q_ab =Q_zu )

3.) Q_ab = Q_zu :

4.)

Brummspannung:

Beim Kondensator gilt wiederum Q_ab = Q_zu

Wirkungsgrad:

Inverter

Funktion

Glättungskondensator bereits geladen.

Flußphase (Schalter geschlossen)
Mit dem Schließen des Schalters wird eine positive Spannung an die Spule gelegt wodurch ein Strom zu fließen beginnt und Energie in der Spule speichert. Die Diode sperrt während der Einschaltzeit, da am Kondensator eine negative Spannung anliegt.

Sperrphase (Schalter offen)
Die gespeicherte Energie in der Spule bewirkt, daß der Strom durch die Spule beibehalten wird. Die Diode wird leitend und ein negativer Strom für den Ausgang und den Kondensator kann fließen. Dieser Strom lädt den Kondensator auf die gewünschte negative Spannung.

Auch der invertierende Wandler ist ein Sperrwandler, weil der nutzbare Strom nur während der Sperrphase der Spule entnommen wird. Der Eingangsstrom fließt dagegen nur während der Flußphase.

Dreieckbetrieb:

Dimensionierung des Dreieckbetriebs:

geg.: U_in , U_out , I_out Us_sat = 0; Ud_f = 0 (ideal)

Es gilt:

1.)                   

I_p maximaler Spulenstrom

2.)

Die zugeführte Ladung muß gleich der abgeführten Ladung sein (Q_ab = Q_zu )

3.) Q_ab = Q_zu :

4.) (Berechnung der Spule )

Brummspannung:

Beim Kondensator gilt wiederum Q_ab = Q_zu

mittels ähnlicher Dreiecke erhält man:

Wirkungsgrad:

Lückenderbetrieb:

Trapezbetrieb:

Dimensionierung des Trapezbetriebes:

geg: U_in , U_out , I_outmin , I_outmax

Es gilt:

1.)

Aus Dreiechbetrieb ergibt sich:

2.)

Die zugeführte Ladung muß gleich der abgeführten Ladung sein (Q_ab =Q_zu )

3.) Q_ab = Q_zu :

4.)

Brummspannung:

Beim Kondensator gilt wiederum Q_ab = Q_zu

Wirkungsgrad:

Drosseldimensionierung:

geg.: L = 151µH

I_p = 1A

f_cu = 50%

B₀ = 200mT

A_wickl = 8,8mm²

Jetzt muß man in der Tabelle nachsehen, welches A_L^* man nehmen kann.

Damit die Spule die gefordete Energie speichern kann, muß man ein A_L = 40nH wählen.

Kontrolle der Zeitkonstante (ob groß genung):

Erwärmung der Drossel: