Step-Down-Wandler

Der Abwärtswandler (auch Tiefsetzsteller, Step-Down-Converter, Buck-Converter oder Abwärtsregler) ist eine elektronische Schaltung zur Gleichspannungswandlung. Einsatzgebiete sind beispielsweise Gleichstromsteller. Der Betrag der Ausgangsspannung U_o ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung U_i.

Schaltungsschema eines Abwärtswandlers. (Hinweis: Spannungen sind mit V statt U bezeichnet, außerdem wird das Erzeugerpfeilsystem benutzt.)

Aufbau und Funktion

Die Höhe der Ausgangsspannung kann durch geregeltes Ein- und Ausschalten des Schalters S (meist ein Transistor) eingestellt werden.

Der Schalter S schaltet während der gesamten Periode T nur für die Zeit T_e durch. Es gilt folgende Gleichung:

$D = \frac{T_{e}}{T}$

mit D: Tastverhältnis
T_e: Einschaltdauer
T: Periodendauer.

• Während der Einschaltzeit T_e fließt der Laststrom i_L durch die Induktivität L und durch den Verbraucher, die Diode sperrt.
• Während der Ausschaltphase T_a wird die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Freilaufdiode bzw. aus dem Kondensator.

Regelung/Steuerung

Für die Regelung der Ausgangsspannung gibt es verschiedene Verfahren, von denen im Folgenden die Pulsweitenmodulation (PWM) im Continuous Current Mode (kontinuierlicher bzw. nicht-lückender Betrieb) exemplarisch dargestellt wird: Der Strom in der Induktivität i_L pendelt immer um den Mittelwert I_L,av (rot gestrichelte Linie) und sinkt nie auf Null ab.

Lückbetrieb

Im Lückbetrieb gilt die Ungleichung T_e + T_a < T, innerhalb der Zeit T − (T_e + T_a) fließt also kein Ausgangsstrom. Ob ein kontinuierlicher Betrieb oder ein Lückenbetrieb vorliegt, hängt von Induktivität, Schaltfrequenz und Ausgangsstrom ab.

Spannungs- und Stromverlauf

Funktion des Abwärtswandlers

In nebenstehender Grafik sind die Spannungs- und Stromverläufe des Abwärtswandlers aufgezeigt, es wird der eingeschwungene Zustand dargestellt.
Während der Einschaltphase wird der magnetische Speicher (die Induktivität) geladen. Der Strom i_L steigt gleichmäßig an:

$i_{L} = {1 \over L}\int_{}^{}u\mathrm{d}t$

Die Spulenspannung (U_i − U_o) ist näherungsweise konstant, die Diode sperrt. In der darauffolgenden Ausschaltphase liegt die Ausgangsspannung an der Induktivität an. Der Ausgangsstrom nimmt kontinuierlich ab, da die Polarität der Spulenspannung nun gewechselt hat. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang.

Führt man diese Ausführungen weiter, so erhält man die Steuerkennlinie:

$U_{o} = D\cdot U_{i}$.

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

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

$U_{i} \cdot I_{i} = U_{o} \cdot I_{o}= P_{i} = P_{o}$

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

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: diese 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 Induktivität 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

Im Gegensatz zu Längsreglern können Abwärtswandler mit geringen Verlusten Ausgangsspannungen erzeugen, die niedriger als die Eingangsspannung sind. Ihr mittlerer Eingangsstrom ist daher geringer als der Ausgangsstrom.

• Erzeugen von kleineren Spannungen (12 V, 5 V) aus 24 V (LKW, Industrienetzteile)
• Bereitstellung der Prozessor-Versorgungsspannung (1,8...3,3 V) im Laptop
• Ladegeräte für Akkumulatoren
• Betrieb von Halbleiterlasern
• Stromregelung an Schrittmotoren und Drehzahlregelung an Gleichstrommotoren
• Betrieb/Regelung von Peltierelementen zum Heizen/Kühlen
• Treiben von LED-Taschenlampen und LED-Fahrradscheinwerfern
• Als besondere Bauform in Klasse-D-Verstärkern von Audioendstufen.

Es gibt zur Realisierung von Abwärtswandlern integrierte monolithische Schaltkreise (engl.: 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 Hybrid-Schaltkreise angeboten, die zusätzlich sogar die Spule enthalten.

Verallgemeinerung

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

• Vorlesung Schaltnetzteile, Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter, FH Darmstadt
• Interaktives Applet(1) zum Verständnis des Abwärtswandlers
• Interaktives Applet(2) zum Verständnis des Abwärtswandlers
• Interaktives Applet(3) zum Verständnis des Abwärtswandlers

Siehe auch

• Spannungsquelle