Gleichspannungswandler
Wenn man über die Umwandlung elektrischer Energie spricht, kann man sich an verschiedene Transformatoren, Generatoren, Netzteile für verschiedene Haushaltsgeräte, Ladegeräte für elektronische Geräte, Schweißinverter und sogar Kernkraftwerke erinnern. In allen Fällen erfolgt die Umwandlung elektrischer Energie in der einen oder anderen Form. Wir können sagen, dass wir im Alltag von verschiedenen Arten von Stromwandlern umgeben sind und es schwer vorstellbar ist, dass sie in der modernen Welt völlig fehlen.
DC/DC-Wandler haben in den letzten zwanzig Jahren besonders an Bedeutung gewonnen. Dies ist auf die rasante Entwicklung der Halbleiterindustrie und der Elektronik im Allgemeinen zurückzuführen.
Hochfrequenz-Pulswandler wurden fast vom Markt verdrängt durch Niederfrequenz-Transformator-Netzteile, die heute nur noch in alten Fernsehern und anderen antiken Geräten oder in manchen modernen Audioverstärkern zu finden sind.
Der Hochfrequenztransformator (oder die Drossel) ist viel kleiner als der Niederfrequenz-Eisentransformator, der für den Betrieb in einem 50-60-Hz-Netz ausgelegt ist, weshalb Schaltnetzteile so kompakt sind.Auf die eine oder andere Weise enthalten DC/DC-Wandler in ihrer Konstruktion immer noch einen Transformator (oder eine Drossel), aber es ist überhaupt kein so schwerer und lauter Transformator.
Die Palette moderner DC-DC-Wandler (nämlich der sogenannten DC-DC-Spannungswandler) ist recht breit gefächert. Schauen wir uns genauer an, was genau DC-DC-Wandler sind.
1. Miniatur-einstellbarer Wandler
Dieser kleine 43 mm x 21 mm große Konverter und ähnliche Modelle kosten auf chinesischen Märkten 1 US-Dollar oder mehr. Diese Instanz betreibt einen LM2596-Chip und seine Ausgabeparameter können angepasst werden. Am Eingang wird eine Gleichspannung im Bereich von 4,5 bis 40 Volt angelegt, am Ausgang erhält man eine Gleichspannung von 1,3 bis 35 Volt.
Der maximale Strom, der von diesem Konverter erhalten werden kann, beträgt 3 Ampere, in diesem Fall ist jedoch ein Kühlkörper erforderlich. Wenn der Konverter ohne Kühlkörper verwendet wird, sollte der durchschnittliche Strom 2 Ampere nicht überschreiten. Der Wirkungsgrad eines solchen Konverters kann 92 % erreichen.
Dieser Wandler ist gemäß der Tiefsetzsteller-Topologie aufgebaut und alle seine Hauptkomponenten sind auf der Platine sichtbar: Eingangs- und Ausgangskondensatoren, Erstickung, Schottky Diode, Regelwiderstand und die Mikroschaltung selbst in einem TO-263-5-Gehäuse. Das obige Schema zeigt keinen Trimmwiderstand, aber auf der Platine befindet sich einer.
Ohne diesen Widerstand liefert die Schaltung am Ausgang nicht mehr als 5 Volt, aber wenn die Rückkopplung nicht direkt vom Ausgangskondensator des Filters, sondern über einen gerade hier zusammengebauten Spannungsteiler mit diesem Regelwiderstand abgenommen wird, erhalten Sie kann den auf dieser Platine implementierten Ausgangsspannungsbereich erheblich erweitern.
Der Umfang dieser Konverter ist nur durch die Vorstellungskraft des Entwicklers begrenzt. Hier können Sie die LEDs mit Strom versorgen und verschiedene tragbare Geräte aufladen und vieles mehr.
Es gibt auch Aufwärtswandler dieser Art, die nach der Topologie eines Aufwärtswandlers (Verstärker) aufgebaut sind.
Im Bild oben (rote Tafel) handelt es sich um einen regelbaren Hochsetzsteller mit einer maximalen Leistung von bis zu 150 Watt (zusätzliche Kühlung erforderlich), dessen Eingang mit 10 bis 30 Volt und am Ausgang mit 12 bis 35 Volt versorgt werden kann.
Wie im vorherigen Beispiel verfügt dieser Wandler am Ausgang über einen Regelwiderstand, der dafür verantwortlich ist, den gewünschten Wert der Ausgangsspannung zu erhalten. Der Steuerchip befindet sich auf der Rückseite der Platine. Die Platine selbst misst 65 mm x 35 mm. Der Preis eines solchen Konverters ist dreimal höher als beim vorherigen Beispiel.
2. Wasserdichtes Netzteil
Dieses Netzteil verfügt über ein robustes, wasserdichtes, mit Epoxidharz gefülltes Druckgussgehäuse, das den Einsatz sowohl im Transportwesen als auch in allen anderen Geräten ermöglicht, bei denen Zuverlässigkeit und Sicherheit erforderlich sind. Der Wechselrichter verfügt über einen Überspannungs-, Überspannungs-, Kurzschluss- und Überlastschutz.
Der Eingangsspannungsbereich der verschiedenen Modelle ist sehr breit und reicht in diesem Beispiel von 9 bis 24 Volt, während der Ausgang 24 Volt mit einem maximalen Strom von 5 Ampere beträgt (in diesem Beispiel). Die Größe der Box auf dem Foto beträgt 75mm x 75mm, die Höhe beträgt 31mm. Der Preis für solche Konverter liegt je nach Kapazität bei etwa 10 – 50 Dollar.
Konverter dieser Art werden für Leistungen von 15 bis 360 Watt, für Eingangsspannungen bis 60 Volt und für Ausgangsspannungen von 5 bis 48 Volt hergestellt. Sie sind auch in vielen Märkten weit verbreitet.
3. Schalten Sie die Gleichstromversorgung zum Gehäuse um
Typischerweise werden diese Netzteile nach einem Flyback-, Push-Pull- oder Halbbrücken-Schaltkreis hergestellt. Sie sind für Eingangsspannungen von 19 bis 72 Volt und mehr erhältlich, die Ausgangsspannung beträgt in der Regel 5 bis 24 Volt. Die Leistung derartiger Konverter kann 1000 Watt erreichen. Gehäusegrößen von 78 mm x 51 mm x 28 mm bis 295 mm x 127 mm x 41 mm.
Diese Netzteile sind von vielen Herstellern erhältlich und können bis zu mehreren hundert Dollar kosten. Sehr oft werden solche Geräte zur Stromversorgung von LED-Streifen verwendet. Sie verfügen über die Möglichkeit zur Feinabstimmung der Ausgangsspannung und verfügen über einen Überlastschutz.
Auf dem Markt gibt es ähnliche Wandlermodelle, die direkt aus dem Wechselstromnetz gespeist werden, die sogenannten AC-DC-Wandler, allerdings wird dort die Netzspannung zunächst gleichgerichtet, gefiltert, also konstant gemacht, und zwar nur Nachdem es mittels einer Standard-Hochfrequenzumwandlung und Gleichrichtung in eine konstante Spannung auf einem anderen Niveau umgewandelt wurde, wird es erneut als DC-DC-Wandlermodul verwendet.
Im Gegensatz zu anderen Umrichtern verfügen Umrichter, die über ein Wechselstromnetz gespeist werden, zwangsläufig über eine galvanische Trennung der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Impulstransformators von der Primärwicklung. In der Regel wird die Rückkopplungsschleife in solchen Einheiten mit isoliert Optokoppler… Der Fairness halber sei angemerkt, dass Low-Power-Geräte dieser Art auch in rahmenloser Ausführung erhältlich sind.
4. DC-DC-Wandler für die Leiterplattenmontage
Die Leistung dieser Miniaturnetzteile reicht von 0,25 bis 100 Watt. Sie ermöglichen eine Reihe von Eingangsspannungen: 3–3,6 V, 4,5–9 V, 9–18 V, 13–16,6 V, 9–36 V, 18–36 V, 18–72 V, 36–72 V und 36–75 V.Je nach Hersteller können die Versorgungsspannungsbereiche unterschiedlich sein. Einige Konverter ermöglichen die Anpassung der Ausgangsspannung und das Versetzen des Geräts in den Standby-Modus. Der Standard-Ausgangsspannungsbereich der Blöcke: 5V, 12V, 15V.
DC-DC-Wandler für die Leiterplattenmontage sind elektrisch isoliert (1500 V) und die maximal zulässige Temperatur kann 90 Grad Celsius erreichen. Von größtem Interesse für Entwickler sind Konverter mit einer Leistung von 3 Watt. Die Kosten für solche Konverter variieren zwischen Einheiten und mehreren zehn Dollar.
Die Betriebsfrequenz aller modernen industriellen DC/DC-Schaltwandler liegt über 50 kHz und erreicht 300 kHz. Diese Aussage gilt für Impulstransformatoren und Ferritdrosseln, da in den beschriebenen Umrichtern überall Ferritkerne für die Transformatoren und Drosseln verwendet werden.
Industriespezifische Wandler-Schalt-ICs haben sehr oft eine streng eingestellte Frequenz, die immer über 50 kHz liegt. Bei Verwendung eines PWM-Controllers wird die entsprechende Frequenz durch externe Komponenten eingestellt.