Abwärtswandler

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Schaltungs­schema eines Abwärts­wandlers. Beim Betrieb erfolgt die Speisung von einer an der linken Seite ange­schloss­enen Spannungs­quelle der Spannung UE, während eine an der rechten Seite ange­schloss­ene Last die Spannung UA erhält; beide sind hier nicht eingezeichnet.

Der Abwärtswandler, auch Tiefsetzsteller, Abwärtsregler, englisch step-down converter oder buck converter, ist in der Elektronik eine Form von schaltendem Gleichspannungswandler. Die Ausgangsspannung UA ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung UE.

Aufbau und Funktion[Bearbeiten]

Der Schalter S (meist ein Transistor) wird von einer im Bild nicht dargestellten Steuerung regelmäßig ein- und ausgeschaltet; üblicherweise werden einige hundert bis mehreren Millionen Schaltzyklen je Sekunde durchgeführt. Dadurch wird elektrische Energie von der links angeschlossenen Spannungsquelle zur rechts angeschlossenen Last transferiert. Die beiden Energiespeicher Spule und Kondensator ermöglichen die Versorgung der Last in den Phasen, in denen der Schalter geöffnet ist. Die Induktivität der Spule L hält die höhere Eingangsspannung von der Last fern. Die Ausgangsgröße kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters S eingestellt werden. Diese Steuerung erfolgt üblicherweise durch einen Regler, um Ausgangsspannung oder -strom auf einem gewünschten Wert zu halten.

Während der Einschaltzeit Te fließt der Laststrom durch die Spule L und durch den Verbraucher; die Diode D sperrt. Während der Ausschaltphase Ta wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode D und aus dem Kondensator C.

Lückender und nichtlückender Betrieb[Bearbeiten]

Im nichtlückenden Betrieb (englisch Continuous Current Mode (CCM), kontinuierlicher Betrieb) hört der Strom durch die Spule während des gesamten Zyklus’ niemals auf zu fließen; der Schalter wird bereits erneut geschlossen, ehe die gespeicherte magnetische Energie vollständig abgebaut ist. Im Gegensatz dazu steht der lückende Betrieb (englisch Discontinuous Current Mode (DCM), Lückbetrieb), bei dem der Strom durch die Spule regelmäßig während jedes Zyklus’ auf Null absinkt. Hierbei kann der Zyklus zeitlich in eine dritte Phase eingeteilt werden: Zu den auch im nichtlückenden Betrieb auftretenden Phasen der Energiespeicherung (bei geschlossenem Schalter) und der Energiefreisetzung kommt die Lück-Phase ohne Strom durch die Spule, in der die angeschlossene Last ausschließlich aus dem Kondensator C versorgt wird.

Ob ein kontinuierlicher oder ein lückender Betrieb vorliegt, hängt von Induktivität, Schaltfrequenz, Eingangsspannung, Ausgangsspannung und dem fließendem Ausgangsstrom ab. Da sich diese Parameter teilweise rasch ändern können, muss im Allgemeinen bei der Auslegung der Schaltung, insbesondere eines Reglers, der Übergang zwischen den beiden Betriebsarten berücksichtigt werden. Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich hinsichtlich der Steuerkennlinie, also der Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Tastgrad (s. u.), sowie in Bezug auf die Störausstrahlung.

Regelung/Steuerung[Bearbeiten]

Funktion des Abwärtswandlers

Für die Regelung der Ausgangsspannung gibt es verschiedene Verfahren, von denen im Folgenden die Pulsweitenmodulation (PWM) im nichtlückenden Betrieb (kontinuierlicher Betrieb bzw. Continuous Current Mode) exemplarisch dargestellt wird.

Bei der Pulsweitenmodulation gibt es eine festgelegte Schaltfrequenz bzw. Periodendauer T. Der Schalter S schaltet während der gesamten Periode T nur für die Zeit Te < T durch. Der Bruchteil d = \frac{T_e}T wird Tastgrad genannt.

Näherungsweise bzw. bei idealen Bauteilen gilt der Zusammenhang U_\mathrm A=U_\mathrm E\cdot d.

Spannungs- und Stromverlauf[Bearbeiten]

In nebenstehender Grafik sind die Spannungs- und Stromverläufe des Abwärtswandlers während etwa eineinhalb Perioden aufgezeigt; es wird der eingeschwungene Zustand dargestellt. Der Strom in der Spule i_L pendelt immer um den Mittelwert I_{L,av} (rot gestrichelte Linie) und sinkt nie auf Null ab. Der Kondensator C sei so groß, dass die Ausgangsspannung über den betrachteten Zeitraum der Periodendauer als konstant betrachtet werden kann.

Während der Einschaltphase wird der magnetische Speicher (die Spule) geladen. Der Strom i_L steigt gleichmäßig an:

i_{L} = {\frac1L}\int_{}^{}u_L\mathrm{d}t

Die Spulenspannung (u_L=U_\mathrm E-U_\mathrm A) ist näherungsweise konstant, die Diode sperrt. In der darauffolgenden Ausschaltphase liegt die Ausgangsspannung an der Spule an. Der Ausgangsstrom nimmt kontinuierlich ab, da die Polarität der Spulenspannung nun gewechselt hat. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang.

Die Spannung am Knotenpunkt von Schalter S, Diode D und Spule L weist beim Betrieb steile Spannungssprünge auf. Beim Lückbetrieb tritt darüber hinaus ein Phase auf, bei der Schalter S und Diode D gleichzeitig sperren (nicht leiten). Hierdurch kann ein aus der Spule und den dann zutage tretenden parasitären Kapazitäten von Schalter S und Diode D gebildeter Schwingkreis zu einer Schwingung angeregt werden, die zusätzliche Störausstrahlung verursachen und auch die Bauteile beanspruchen kann. Dieser Knotenpunkt verdient daher besonderes Interesse bei der Auslegung der Schaltung.

Stellt man die Gleichungen nach dem Tastgrad d um, so erhält man die Steuerkennlinie:

d=\frac{U_A}{U_E}.

Die Ausgangsspannung steigt also an, wenn die Einschaltzeit T_e größer wird (bei gleichbleibender Periodendauer T).

Die Erstellung der Steuerkennlinie kann in diesem Java-Applet interaktiv nachvollzogen werden.

Leistungsbilanz[Bearbeiten]

Bleiben die Verluste der Schaltung unberücksichtigt, ergibt sich folgende Leistungsgleichung:

P_\mathrm E = U_\mathrm E \cdot I_\mathrm E = P_\mathrm A = U_\mathrm A \cdot I_\mathrm A

Der reale Abwärtswandler hat seine wesentlichen Verluste in folgenden Bauteilen:

  • Spule – sie hat ohmsche Verluste durch ihren Wicklungswiderstand sowie magnetische Verluste im Kernmaterial.
  • Schalttransistor – er hat einen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand sowie Schaltverluste (er schaltet in einer endlichen Zeit).
  • Freilaufdiode – sie hat eine typische Flussspannung von 0,4–1 V sowie Schaltverluste. Um diese Verluste zu verringern, kann man stattdessen einen gesteuerten MOSFET einsetzen. Man spricht dann von Synchrongleichrichtung.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Leistungsteil eines dreiphasigen Schaltreglers zur Stromversorgung des Prozessors auf einer PC-Hauptplatine

Aus der Leistungsbilanz ergibt sich u. a., dass der Ausgangsstrom eines Abwärtswandlers stets höher als dessen mittlerer Eingangsstrom ist. Jeweils für kurze Zeit fließt jedoch am Eingang ein Strom, der sogar noch etwas höher als der mittlere Ausgangsstrom ist. Daraus ergibt sich, dass besonders bei Abwärtswandlern mit großem Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung eingangsseitig ein Stützkondensator mit besonders geringem äquivalentem Serienwiderstand (engl. low ESR) erforderlich ist, um zusätzliche externe Leistungsverluste und Störungen der Speisespannung zu vermeiden.

U. a. diese Problematik führte zur Entwicklung mehrphasiger Abwärtswandler: Sie bestehen aus mehreren parallelen, zeitversetzt gesteuerten Abwärtswandlern kleinerer Leistung, die meist mit einem einzigen Steuerschaltkreis angesteuert werden.

Die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers ist stets kleiner als die Eingangsspannung, das heißt, d ist stets kleiner als 1. Die Schaltung muss genau an die (in der Schaltung nicht dargestellte) Last angepasst werden oder der Halbleiterschalter – meist ein Transistor, IGBT oder MOSFET – muss über einen Regelkreis angesteuert werden, um über das Puls-Pausenverhältnis den Stromdurchfluss durch die Last oder die Spannung an der Last zu regeln.

Bei mehrphasigen Abwärtswandlern muss zusätzlich das Stromgleichgewicht zwischen den einzelnen Phasen eingehalten werden. Meist ist zur ausgangsseitigen Spannungsstabilisierung parallel zur Last noch ein Glättungskondensator geschaltet.

Wird der Abwärtswandler zum Ansteuern von Motoren verwendet, können die Spule L und der Glättungskondensator u. U. auch entfallen, da die Wicklung des Motors meistens bereits eine ausreichende Induktivität darstellt. Zu beachten sind dabei allerdings ggf. die erhöhten Verluste im Motor und die möglicherweise auftretende Störabstrahlung.

Anwendungen[Bearbeiten]

Im Gegensatz zu Längsreglern weisen Abwärtswandler geringere Verluste auf, wenn sie Ausgangsspannungen erzeugen, die deutlich niedriger als die Eingangsspannung sind. Ihr mittlerer Eingangsstrom ist – im Gegensatz zu Längsreglern – geringer als der Ausgangsstrom.

Anwendungen umfassen

Es gibt zur Realisierung von Abwärtswandlern integrierte monolithische Schaltkreise (englisch integrated circuit, IC), die einen Teil oder alle Halbleiterbauelemente enthalten, die erforderlich sind, um bei wechselnder Last eine konstante Ausgangsspannung zu regeln.

Für kleine Leistungen werden auch Hybridschaltkreise angeboten, die zusätzlich sogar die Spule enthalten.

Zu beachten ist, dass die Ausgangsspannung – je nach Laststrom – durch die Schaltzyklen eine gewisse Welligkeit (Dreieck-Ripple) aufweist, die durch ein LC-Glied oder einen nachfolgenden Low-Drop-Linearregler wesentlich vermindert werden kann.

Verallgemeinerung[Bearbeiten]

Synchroner Abwärtswandler (ohne Steuerlogik)

Wird in obigen Schaltschema die Diode D durch einen weiteren Schalter S2 ersetzt, samt der für die zeitlich korrekte Ansteuerung notwendige Steuerlogik, wird daraus der Synchronwandler. Der Name leitet sich von der notwendigen, zeitlich korrekten Ansteuerung der Schalter ab, welche ähnlich wie bei synchronen Gleichrichtern erfolgt. Der Synchronwandler kann dann durch Vertauschen von Eingang und Ausgang direkt in einen Aufwärtswandler umgewandelt werden und stellt somit in der Topologie die Verallgemeinerung des Ab- und Aufwärtswandlers dar.

Weblinks[Bearbeiten]