Ratgeber
Gleichstrom – abgekürzt DC von Direct Current – spielt in der Elektronik eine dominierende Rolle. Schließlich sind die meisten elektronischen Geräte auf die Stromversorgung mit Gleichstrom angewiesen. Erzeugt wird er bei stromnetzabhängigen Typen durch Netzteile. Sie verwandeln Wechselstrom – kurz AC von Alternating Current – in Gleichstrom mit einer bestimmten Spannung. Ist diese allerdings zu hoch oder zu niedrig für die Schaltung, lassen sich DC/DC-Wandler zur Anpassung einsetzen. In diesem Ratgeber lesen Sie, wie die Converter funktionieren und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
DC/DC-Wandler arbeiten in der Regel nach dem Schaltreglerprinzip. Sie verwenden Transistoren, die sich sehr schnell ein- und ausschalten lassen, zum Beispiel MOSFETs. Das Schalten erzeugt eine pulsierende Spannung, die sich für die sogenannte Pulsweitenmodulation oder kurz PWM nutzen lässt.
Ein PWM-Signal wechselt in regelmäßigen Abständen zwischen dem Ein-Zustand – zum Beispiel 5 Volt – und dem Aus-Zustand mit 0 Volt. Das Verhältnis zwischen der Dauer, in der das Signal eingeschaltet ist, und der Gesamtperiode des Signals definiert das Tastverhältnis. Ein Tastverhältnis von 50 Prozent bedeutet in diesem Fall, dass genau in der Hälfte der Zeit 5 Volt am Output zur Verfügung stehen und in der anderen Hälfte 0 Volt.
Von dem Tastverhältnis hängt somit die durchschnittliche Spannung ab, die über einen Zyklus geliefert wird, bei einem Tastverhältnis von 50 Prozent also 2,5 Volt. Eine pulsierende Gleichspannung lässt sich aber in der Praxis nur begrenzt verwenden, sie wird daher noch durch Induktivitäten und Kondensatoren geglättet, um eine stabile Gleichspannung am Ausgang zu erhalten.
Das Tastverhältnis bestimmt auch die Art des Reglers. Ist die Spannung am Eingang höher als am Ausgang, handelt es sich um einen Step-down-Wandler oder Abwärts-Konverter. Der Hauptschalter ist hier in Serie zur Last geschaltet, ein Diodenpfad parallel dazu ermöglicht den Stromfluss, wenn der Transistor ausgeschaltet ist.
Beim Step-up-Wandler oder Aufwärts-Konverter ist der Schalter in Serie zum Eingang geschaltet und der Diodenpfad ist umgekehrt. Am Output steht so eine höhere Spannung zur Verfügung. Ein sogenannter Buck-Boost-Wandler kann die Ausgangsspannung entweder erhöhen oder verringern. Der Hauptschalter verbindet den Input entweder direkt mit dem Filter und erhöht die Ausgangsspannung oder er ist über eine Diode mit dem Filter konnektiert. Hier liegt am Ausgang im Vergleich zum Eingang eine niedrigere Spannung an. Zur Verfügung stehen außerdem isolierte Wandler. Sie verwenden spezielle Transformatoren zur galvanischen Trennung der beiden Stromkreise und zur Spannungsanpassung.
Die meisten modernen DC/DC-Wandler nutzen die Kombination aus schnellem Schalten – oft im Kilohertz- bis zum Megahertz Bereich – und der Energiespeicherung in passiven Bauteilen wie Spulen und Kondensatoren. Hier sind oft Mikrocontroller oder spezielle ICs im Einsatz, um den Schaltvorgang zu steuern und eine stabile und präzise Ausgangsspannung sicherzustellen, selbst wenn sich die Last oder die Eingangsspannung ändert.
Im Lauf der technischen Entwicklung von Gleichspannungswandlern haben sich Varianten für spezielle Anwendungen etabliert. Hier die wichtigsten:
Sperrwandler
Der Sperrwandler ist eine spezielle Art des isolierten DC-DC-Wandlers. Ein solches Modul findet sich häufig in Schaltnetzteilen, Fernsehern und Monitoren. Sperrwandler können sowohl die Spannung erhöhen, verringern oder umkehren als auch gleichzeitig eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang herstellen. Ein Sperrwandler arbeitet zudem nie im Dauerbetrieb. Das heißt, die gesamte im Transformator gespeicherte Energie wird in jedem Zyklus vollständig entladen. Allerdings kann der Sperrwandler bei sehr hohen Leistungen weniger effizient sein als andere Spannungsregler.
Eintakt-Flusswandler
Der Eintakt-Flusswandler kann die Spannung am Ausgang erhöhen, verringern oder sie gleich der Eingangsspannung halten. Damit besitzt er die Fähigkeit, eine Ausgangsspannung zu liefern, die sowohl über als auch unter der Eingangsspannung liegt. Mit ihm lässt sich die Ausgangsspannung theoretisch von nahezu null bis weit über die Eingangsspannung hinaus variieren, abhängig von der Tastverhältnissteuerung des Hauptschalters.
Gegentaktflusswandler
Ein Gegentaktflusswandler wird insbesondere in Anwendungen mit höherer Leistung eingesetzt. Er nutzt zwei Transistoren, die abwechselnd schalten, um Energie über einen Transformator zu übertragen. Dieses Prinzip ermöglicht eine effiziente Energieübertragung bei gleichzeitig guter Regulierung der Ausgangsspannung. Er bietet auch eine galvanische Trennung zwischen Input und Output durch den Einsatz des Transformators, was in vielen Anwendungen wichtig sein kann. Der Transformator im Gegentaktflusswandler wird außerdem effizienter genutzt als in einigen anderen Bauformen, da beide Hälften der Primärwicklung in jedem Schaltzyklus arbeiten.
Resonanzwandler
Ein Resonanzwandler nutzt die Eigenschaften von Resonanzkreisen zur optimalen Energiewandlung zwischen Input und Output. Im Gegensatz zu herkömmlichen hart geschalteten DC-DC-Wandlern, bei denen Transistoren abrupt ein- und ausgeschaltet werden, schaltet ein Resonanzwandler die Transistoren bei Spannungs- oder Stromnullpunkten. Das minimiert Schaltverluste und erhöht den Wirkungsgrad. Resonanzwandler finden sich oft in Anwendungen, die hohe Effizienz, geringe EMI oder eine galvanische Trennung durch einen Transformator erfordern. Dazu gehören zum Beispiel Schaltnetzteile für Fernseher, Computer und Server.
Die Auswahl an DC-DC-Wandlern ist recht groß, zu den wichtigsten Auswahlkriterien zählen neben Typ und Bauform die elektrischen Werte und die Anschlussform.
Die Nennspannung spezifiziert, für wie viel Volt der Ausgang des Spannungsreglers im Normalbetrieb ausgelegt ist. Die Skala reicht von 3,3 Volt bis zu 110 Volt. Die maximale Ausgangsspannung liegt aber oft nur bei höchstens 54 Volt. Die Bandbreite für die Eingangsspannung ist weitaus größer, sie kann bis zu 1500 Volt reichen. Beim Ausgangsstrom sieht es ähnlich aus, die meisten Wandler liefern bis zu 3 Ampere, einige Modelle können aber auch mehr als 500 Ampere bereitstellen. Entsprechend groß ist auch die Ausgangsleistung, sie liegt je nach Typ des Moduls zwischen 0,25 und rund 1000 Watt.
Hinsichtlich der Anschlussmöglichkeiten sind die weitaus meisten Spannungsregler für die SMD- oder THT-Montage gedacht. Besonders leistungsstarke Wandler verfügen dagegen über Schraubklemmen. Diese Modelle sind im Allgemeinen auch mit einer Lüfterkühlung ausgestattet.