Schaltspannungsregler

Bei Impulsspannungsreglern (Wandlern) arbeitet das aktive Element (normalerweise ein Feldeffekttransistor) im Impulsmodus: Der Steuerschalter öffnet und schließt abwechselnd und versorgt das energiespeichernde Element mit Impulsen aus der Versorgungsspannung. Dadurch werden Stromimpulse durch eine Drossel (oder durch einen Transformator, abhängig von der Topologie eines bestimmten Schaltreglers) geleitet, die häufig als Element fungiert, das Energie im Lastkreis ansammelt, umwandelt und abgibt.

Impulse haben bestimmte Zeitparameter: Sie folgen mit einer bestimmten Frequenz und haben eine bestimmte Dauer. Diese Parameter hängen von der Größe der Last ab, die aktuell vom Stabilisator versorgt wird, da es der durchschnittliche Induktorstrom ist, der den Ausgangskondensator lädt und die daran angeschlossene Last tatsächlich mit Strom versorgt.

Im Aufbau eines Impulsstabilisators lassen sich drei Hauptfunktionseinheiten unterscheiden: ein Schalter, ein Energiespeicher und eine Steuerschaltung.Die ersten beiden Knoten bilden einen Leistungsteil, der zusammen mit dem dritten einen vollständigen Spannungswandlungskreis bildet. Manchmal kann der Schalter im selben Gehäuse wie der Steuerkreis untergebracht werden.

Die Arbeit des Impulswandlers wird also durch das Schließen und Öffnen erledigt elektronischer Schlüssel… Bei geschlossenem Schalter wird der Energiespeicher (Drossel) an die Stromquelle angeschlossen und speichert Energie, bei geöffnetem Schalter wird der Speicher von der Quelle getrennt und sofort an den Lastkreis angeschlossen, woraufhin die Energie wird auf den Filterkondensator und die Last übertragen.

Dadurch wirkt auf die Last ein bestimmter Durchschnittswert der Spannung, der von der Dauer und Häufigkeit der Wiederholung der Steuerimpulse abhängt. Der Strom ist lastabhängig und darf den für diesen Wandler zulässigen Grenzwert nicht überschreiten.

PWM und PWM

Das Prinzip der Stabilisierung der Ausgangsspannung des Impulswandlers basiert auf einem kontinuierlichen Vergleich der Ausgangsspannung mit der Referenzspannung, und abhängig von der Abweichung dieser Spannungen stellt die Steuerschaltung automatisch das Verhältnis der Dauer der Unterbrechung und wieder her Geschlossene Zustände des Schalters (er ändert die Breite der Steuerimpulse mit Pulsweitenmodulation – PWM) oder ändert die Wiederholungsrate dieser Impulse und hält ihre Dauer konstant (mittels Pulsfrequenzmodulation – PFM). Die Ausgangsspannung wird üblicherweise mit einem Widerstandsteiler gemessen.

Nehmen wir an, dass die Ausgangsspannung unter Last irgendwann abnimmt und unter den Nennwert fällt.In diesem Fall erhöht der PWM-Controller automatisch die Pulsweite, d. h. die Energiespeichervorgänge in der Drossel werden länger und dementsprechend wird mehr Energie an die Last übertragen. Dadurch kehrt die Ausgangsspannung auf den Nennwert zurück.

Wenn die Stabilisierung nach dem PFM-Prinzip funktioniert, erhöht sich mit abnehmender Ausgangsspannung unter Last die Impulswiederholungsrate. Dadurch werden mehr Energieanteile auf die Last übertragen und die Spannung entspricht der erforderlichen Nennspannung. Hier wäre es angebracht zu sagen, dass das Verhältnis der Dauer des geschlossenen Zustands des Schalters zur Summe der Dauer seines geschlossenen und offenen Zustands das sogenannte Tastverhältnis DC ist.

Generell gibt es Pulswandler mit und ohne galvanische Trennung. In diesem Artikel gehen wir auf die Grundschaltungen ohne galvanische Trennung ein: Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller und invertierende Wandler. In den Formeln ist Vin die Eingangsspannung, Vout die Ausgangsspannung und DC das Tastverhältnis.

Nicht galvanisch getrennter Tiefsetzsteller-Abwärtswandler oder Abwärtswandler

Taste T schließt. Bei geschlossenem Schalter ist die Diode D gesperrt, es fließt Strom Gaspedal L und über der Last beginnt R zuzunehmen. Der Schlüssel öffnet sich. Beim Öffnen des Schalters fließt der Strom durch die Drossel und durch die Last zwar ab, fließt aber weiter, da er nicht sofort verschwinden kann, nur wird der Stromkreis jetzt nicht über den Schalter, sondern über die geöffnete Diode geschlossen.

Der Schalter schließt wieder.Wenn der Strom durch die Drossel während der Zeit, in der der Schalter geöffnet war, keine Zeit hatte, auf Null abzufallen, dann steigt er jetzt wieder an. Er wirkt also ständig durch die Drossel und durch die Last pulsierender Strom (wenn es keinen Kondensator gäbe). Der Kondensator glättet die Welligkeit, sodass der Laststrom nahezu konstant ist.

Die Ausgangsspannung ist bei einem solchen Wandler immer kleiner als die Eingangsspannung, die hier praktisch zwischen Drossel und Last aufgeteilt wird. Sein theoretischer Wert (für einen idealen Wandler – ohne Berücksichtigung von Schalter- und Diodenverlusten) kann mit der folgenden Formel ermittelt werden:

Hochsetzsteller ohne galvanische Trennung – Hochsetzsteller

Schalter T ist geschlossen. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird die Diode D geschlossen, der Strom durch die Induktivität L beginnt anzusteigen. Der Schlüssel öffnet sich. Der Strom fließt weiterhin durch die Induktivität, jetzt jedoch durch eine offene Diode, und die Spannung an der Induktivität wird zur Quellenspannung addiert. Die konstante Spannung an der Last R wird durch den Kondensator C aufrechterhalten.

Der Schalter schließt, der Drosselstrom steigt wieder an. Die Ausgangsspannung eines solchen Wandlers ist immer höher als die Eingangsspannung, da die Spannung an der Induktivität zur Quellenspannung addiert wird. Der theoretische Wert der Ausgangsspannung (für einen idealen Wandler) lässt sich mit der Formel ermitteln:

Invertierender Wandler ohne galvanische Trennung-Buck-Boost-Converter

Schalter T ist geschlossen. Drossel L speichert Energie, Diode D ist geschlossen. Der Schalter ist geöffnet – die Drossel erregt den Kondensator C und die Last R. Die Ausgangsspannung hat hier negative Polarität.Sein Wert kann (im Idealfall) durch die Formel ermittelt werden:

Im Gegensatz zu linearen Stabilisatoren haben Schaltstabilisatoren aufgrund der geringeren Erwärmung der aktiven Elemente einen höheren Wirkungsgrad und benötigen daher eine kleinere Strahlerfläche. Typische Nachteile von Schaltstabilisatoren sind das Vorhandensein von Impulsrauschen in den Ausgangs- und Eingangskreisen sowie längere Transienten.