Impuls-Wechselrichter (step up/step down) – Wie funktioniert das?

Vor einigen Jahrzehnten wurden die meisten elektronischen Geräte mit einigen wenigen Standardspannungen betrieben, und die Anforderungen an die Genauigkeit der Stabilisierung oder die Effizienz der Stromversorgungen waren in den meisten Fällen viel geringer als zu Beginn des 21. Jahrhunderts. In dieser Zeit haben sich nicht nur die Bereiche der verwendeten Versorgungsspannungen geändert, sondern es geht auch um Energieeinsparung, was sich sowohl in geringeren Gebühren (bei Netzgeräten) als auch in längeren Betriebszeiten (bei batterie- oder akkubetriebenen Geräten) niederschlägt. Linearregler, mit denen die Versorgungsspannung abgesenkt und stabilisiert (“geglättet”) werden kann, eignen sich hervorragend für Systeme mit geringem Stromverbrauch (normalerweise bis zu einem Ampere). Der Vorteil von integrierten Spannungsreglern ist zweifellos die geringe Schwankung der Ausgangsspannung und die einfache Anwendung in jeder elektronischen Schaltung. Das größte Problem ist jedoch die beträchtliche Verlustleistung, die proportional zur Höhe des Ausgangsstroms und der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung der Schaltung ist. Die große Wärmeabgabe erfordert bereits die Verwendung eines Kühlkörpers – andernfalls wird der Stabilisator heiß, was beim späteren Betrieb des Geräts eine Reihe von Problemen verursachen kann. Eine solche Situation ist auch unter dem Gesichtspunkt des Energieverlustes, der von der Stromquelle ausgeht, sehr nachteilig – wenn das Gerät von einer Batterie oder einem Akku gespeist wird, verringert sich die Betriebszeit dieses Geräts um mehr als die Hälfte im Vergleich zu einer Situation, in der eine andere Lösung zur Reduzierung der Versorgungsspannung verwendet würde. Aber was für eine Lösung?

DC/DC-Wandler

Die effektivste Art, die Verluste bei der Reduzierung der Spannung zu verringern, ist… sie zu schalten (abwechselnd ein- und auszuschalten). Natürlich muss dies schnell genug geschehen, damit die Aktivität nicht den Betrieb der zu versorgenden Schaltung beeinträchtigt. Die erste Assoziation, die Ihnen in den Sinn kommt, ist die PWM-Modulation (z. B. zum Ändern der Helligkeit einer LED oder der Drehzahl eines Gleichstrommotors), und das ist gut so! Viele Wechselrichter arbeiten nach genau diesem Prinzip. Die Codierung allein reicht jedoch nicht aus – man braucht noch Komponenten, die dafür sorgen, dass die Spannungswellenform “geglättet” wird – deshalb werden in Wechselrichtern oft recht große Kondensatoren und Induktionsspulen (Drosseln) verwendet. Während Kondensatoren jedoch als eine Art Filter fungieren, ist die Verwendung von induktiven Elementen etwas anderes – sie fungieren als Energiespeicher, der Energie sammelt, wenn er an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, und sie wieder abgibt, wenn er getrennt wird.

Für den ordnungsgemäßen Betrieb eines DC/DC-Wandlers ist daher – neben einem Regler in Form eines integrierten Schaltkreises und den oben genannten Kondensatoren und (mindestens einer) Induktionsspule – ein Element erforderlich, das als Schalter fungiert. MOSFET-Transistoren eignen sich am besten für diese Funktion, da sie auch große Ströme ohne nennenswerte Energieverluste leiten können. Ein richtig konzipierter Wechselrichter erzeugt daher unvergleichlich weniger Wärme als selbst ein kleiner linearer Stabilisator (unter denselben Betriebsbedingungen). Eine Siliziumdiode ist auch notwendig, um den Stromfluss in der Schaltung in die richtige Richtung zu lenken.

Aufteilung der DC/DC-Wandler

Bisher haben wir nur eine Anwendung von DC/DC-Wandlern erörtert, der als Step-down oder Buck bezeichnet wird, d. h. die Verringerung der Spannung im Verhältnis zu der von der Quelle gelieferten Spannung. Durch eine geeignete Änderung der Anschlüsse der Bauelemente (Schlüsseltransistor, Induktionsspule und Diode) kann das genaue Gegenteil erreicht werden – eine Erhöhung der Spannung auf einen Wert (sogar ein Vielfaches), der über der vom Wandler gelieferten Spannung liegt. Solche Systeme werden als Step-up oder Boost-Wandler bezeichnet. Einige Wechselrichter sind auch in der Lage, in beiden Konfigurationen zu arbeiten und schalten automatisch den “Betriebsmodus” um, je nachdem, ob die Eingangsspannung gerade niedriger oder höher als die festgelegte Ausgangsspannung ist. Solche Systeme werden als Buck-Boost bezeichnet. In einigen wenigen Fällen ist es erforderlich, eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität zur Versorgungsspannung zu erhalten oder – vereinfacht ausgedrückt – die Pole umzukehren”. Dies ist der Fall bei Geräten, die nicht nur eine positive Spannung in Bezug auf die Systemmasse, sondern auch eine negative Spannung benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren (wir nennen diese Systeme mit symmetrischer Versorgung). Invertierende DC/DC-Wandler (engl. inverting DC/DC) sind die bei weitem am wenigsten verbreitete, wenn auch sehr nützliche Variante des Aufwärtswandlers.

Eine weitere Unterteilung kann vorgenommen werden aufgrund der Konstruktion des Systems. In der Vergangenheit wurden Wechselrichter aus einer Reihe von Halbleiterelementen (Transistoren, Dioden, manchmal einfache integrierte Schaltungen) und passiven Elementen (Widerstände, Kondensatoren und Induktoren) zusammengesetzt. Die Verbreitung von integrierten Boost-Konverter-Steuerungen auf dem Markt hat dazu geführt, dass nur noch ein “Teil” und ein paar… ein Dutzend externe Komponenten benötigt werden, um ein funktionierendes und stabiles Gerät zu bauen.

Diese Lösung wird vor allem von Konstrukteuren bevorzugt, die den Wechselrichter selbst mit den übrigen Geräteschaltungen auf einer einzigen Leiterplatte integrieren wollen. Aber auch die Verwendung eines handelsüblichen Reglers erfordert vom Konstrukteur ein hohes Maß an Wissen über die lauernden Fallen und die Lösung spezifischer praktischer Probleme. Die einfachste Methode ist daher die Verwendung eines handelsüblichen DC/DC-Wandlermoduls – dieser Weg wird heute von Tausenden von Elektronikingenieuren beschritten, da er Stabilitäts- oder Leistungsprobleme vermeidet, die Zeit für den Bau des Geräts erheblich verkürzt und in der Regel auch die Bauteilkosten reduziert.

Tatsächlich ist die Frage der Konstruktion von DC/DC-Wandlern komplexer – innerhalb jeder der genannten Gruppen gibt es Systeme, die auf völlig unterschiedliche Weise aufgebaut sind. So kann beispielsweise die Funktion eines Abwärtswandlers durch einen speziellen Wandlertyp namens SEPIC oder – eine komplexe, aber ebenfalls äußerst flexible – Flyback-Schaltung übernommen werden. Sehr wichtig ist, dass wir die Wechselrichter nach ihrer Funktion unterteilen können:

• Aufwärtswandlern (step-up),
• Abwärtswandler (step-down),
• Aufwärts Abwärts-wandler (buck-boost),
• invertierende DC/DC-Wandler (inverting DC/DC),

und aufgrund der Konstruktion des Systems:

• Wechselrichter mit diskreten und gemischten Elementen (mit integrierten Reglern),

Für die Verwendung von Modulwechselrichtern im Eigenbau sind keine detaillierten Kenntnisse der baulichen Gegebenheiten erforderlich – wenn Sie sich für einen Modulwechselrichter entscheiden, müssen Sie nur auf einige grundlegende Parameter achten.

Parameter von DC/DC-Wandlern

Die wichtigsten Parameter eines DC/DC-Wandlers sind natürlich der Eingangsspannungsbereich (zur Versorgung des Wandlers) und der Ausgangsspannungsbereich sowie der maximale Ausgangsstrom, der von dem Modul geliefert werden kann. Einige Module sind mit einem Miniaturpotentiometer ausgestattet, mit dem der Benutzer jeden beliebigen Ausgangsspannungswert einstellen kann (der allerdings zu dem vom Wandler angebotenen Bereich gehört). Natürlich muss auch der Typ des Wechselrichters berücksichtigt werden. Der hervorragende Abwärtswandler von Pololu mit der Bezeichnung D24V22F6 beispielsweise erzeugt eine feste Ausgangsspannung von 6 V, muss aber mit einer um mindestens 0,4 V höheren Spannung versorgt werden (aber nicht höher als 36 V).

Der Wert des maximalen Wechselrichter-Ausgangsstroms wird in der Regel für optimale Betriebsbedingungen angegeben – d. h. für einen bestimmten Bereich von Eingangsspannungen (und bei geregelten Wechselrichtern auch von Ausgangsspannungen). Zur genauen Bestimmung des so genannten Arbeitspunktes müssen Diagramme herangezogen werden, die die erreichbaren Ausgangsparameter in Abhängigkeit von der “Systemsituation” zeigen.

Spannungsschwankung im Vergleich zur Leistung

Ein wichtiger Aspekt, der bei der Verwendung von Aufwärtswechselrichtern nicht außer Acht gelassen werden darf, ist die Frage der von der Quelle entnommenen und abgegebenen Leistung. Ein Abwärtswandler erhöht gleichzeitig den maximalen Strom, den eine Last von seinem Ausgang abnehmen kann, und ebenso bietet ein Aufwärtswandler – zum Preis einer höheren Spannung – einen kleineren Bereich zulässiger Lasten. Es kann davon ausgegangen werden, dass ein guter Wechselrichter unter seinen optimalen Bedingungen so viel Leistung an die Last abgibt, wie er von der Quelle aufgenommen hat. Wenn zum Beispiel ein elektronischer Schaltkreis bei einer Versorgungsspannung von 12 V einen Strom von 0,5 A aufnimmt, beträgt die Leistung (gleich dem Produkt aus Strom und Spannung) 6 W. Wird der Abwärts-Wechselrichter mit 24 V versorgt, beträgt die Eingangsstromaufnahme ungefähr 0,25 A (denn 24 V * 0,25 A = 6 W). Wie so oft im Leben ist die Situation nicht so ideal, wie sie scheinen mag – denn die unvermeidlichen Leistungsverluste müssen in die Berechnung einbezogen werden.

Effizienz, oder wie man nicht zu viel Energie verliert

Wie Sie bereits wissen, ist der größte Nachteil von linearen Stabilisatoren die hohe Verlustleistung, die dadurch entsteht, dass die überschüssige Leistung als Wärme abgeführt werden muss. Obwohl DC/DC-Wandler in dieser Hinsicht viel wirtschaftlicher sind, sollte man bedenken, dass kein elektronisches Bauteil oder Schaltkreis (mit Ausnahme der so genannten Supraleiter) als ideales Bauteil (oder Schaltkreis) angesehen werden sollte. Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters, ein weiterer wichtiger Parameter eines jeden Systems dieser Art, ist (in Prozent ausgedrückt) das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung und der vom Wechselrichter aus der Quelle aufgenommenen Leistung. Wenn ein Wechselrichter unter den gegebenen Betriebsbedingungen einen Wirkungsgrad von 85 % hat, bedeutet dies, dass 15 % der Energie in Form von Wärme durch seine Bauteile (hauptsächlich den Schalttransistor und die Drossel) verloren gehen. Um auf das Beispiel aus dem vorigen Abschnitt zurückzukommen, können Sie die tatsächliche Leistung, die der Wechselrichter von einer 24-V-Quelle aufnimmt, leicht berechnen – teilen Sie einfach die Ausgangsleistung (6 W) durch den Wirkungsgrad (nehmen wir hier 85 % an), ausgedrückt als Bruch (d. h. 0,85). Das Ergebnis ist 7,06 W. Dies bedeutet, dass der vom Wechselrichter aufgenommene Strom wie folgt ist 7,06 W / 24 V = 0,29 A. Es ist wichtig zu wissen, dass der Wirkungsgrad eines Wechselrichters von den tatsächlichen Betriebsbedingungen abhängt, d. h. vor allem von der Versorgungsspannung, der Ausgangsspannung und dem Laststrom (in einigen Fällen müssen auch die Umgebungstemperatur oder die Betriebsart berücksichtigt werden, sofern der Hersteller solche Daten im Katalog des Wechselrichters angibt).

Praktische Hinweise zum Einsatz von Aufwärtswandlern

Störungen und der Umgang mit ihnen

Da es sich bei einem Wechselrichter, wie der Name schon sagt, um ein impulsgesteuertes System handelt, müssen die Folgen des vom Modul erzeugten Rauschens stets berücksichtigt werden. Während bei der Verwendung von DC/DC-Wandlern zur Versorgung von Motoren, Beleuchtungen oder Magneten oder auch der meisten digitalen Schaltungen (z. B. Arduino oder Raspberry Pi) der Rauschpegel und die Schwankungen der Ausgangsspannung des Wandlers kein kritischer Parameter sind, müssen bei Schaltungen, die empfindlich auf Änderungen der Versorgungsspannung reagieren, entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Für Schaltungen mit geringem Stromverbrauch (z. B. Audio-Vorverstärker oder Messschaltungen mit Analog-Digital- und/oder Digital-Analog-Wandlern) ist die beste Option die Verwendung eines “lokalen” linearen Stabilisators, der empfindliche Schaltungen mit einer “sauberen” Versorgungsspannung versorgt und den Einfluss von Rauschimpulsen auf ein Minimum reduziert.

Auswahl der Module – Abmessungen und Einbauart

Für kleine Geräte (z.B. tragbare) lohnt es sich, Miniatur-Wechselrichter (z.B. Pololu) zu wählen, die über Goldpins mit der Zielschaltung verbunden sind. Eine solche Lösung funktioniert auch gut mit Kontaktplatten. Für größere Stromkreise mit einem Stromverbrauch von mehreren Ampere lohnt es sich, einen robusten, großen Wechselrichter zu verwenden – solche Module (z.B. Step-up 50W Regulated 12V-35V / 6A Inverter) sind in der Regel für die Montage mit zwei oder vier Schrauben ausgelegt (denken Sie an die Verwendung von Kunststoff-Distanzhülsen) und mit Schraubanschlüssen für die Eingangs- und Ausgangsleitungen ausgestattet. In einigen Anwendungen erweist sich eine eingebaute Anzeige als nützlich, die die Einstellung des Ausgangsspannungswertes und die Überwachung der aktuellen Eingangsspannung erleichtert (z.B. LM2596 3,2V-35V 3A Abwärtswandler mit Anzeige).

Auswahl des Wechselrichtertyps für Systeme mit Akku / Batteriespeisung

Die Wahl der richtigen Wechselrichter-Konstruktion (sog. Topologie) ist besonders wichtig – es gibt keinen einzigen, universellen Wechselrichter für alle Anwendungen. Besondere Sorgfalt sollte bei der Auswahl eines Moduls walten, das für den Betrieb mit einem Akku, einer Batterie (oder einer anderen Stromquelle, deren Wert sich während des Betriebs des Geräts erheblich ändern kann) ausgelegt ist. Wenn Sie z. B. einen 5-Volt-Arduino mit vier in Reihe geschalteten Zellen (LR6- oder LR03-Batterien) betreiben wollen, können Sie keinen gewöhnlichen Spannungsreduzier-Wechselrichter verwenden – auch wenn ein frischer Batteriesatz eine Ausgangsspannung von fast 7 V hat, wird die Gesamtspannung nach einiger Zeit des Entladens der Batterien unter 5 V fallen. In solchen Fällen sollten Sie einen Abwärtswandler in Betracht ziehen, der das System auch in einem sehr breiten Eingangsspannungsbereich hervorragend versorgt. Bedenken Sie jedoch, dass der gesamte von der Quelle erreichbare Spannungsbereich von Spannungen nahe der Entladungsgrenze (dieser Wert hängt vom Typ der Batterie oder des Akkus ab) bis zur Spannung eines “frischen” Satzes reicht und die Summe der Nennspannungen übersteigt. Im Falle der vier genannten LR6- oder LR03-Batterien kann man davon ausgehen, dass die Gesamtspannung des Satzes zwischen 3,2 V und 7 V liegt. Es ist auch zu beachten, dass NiMH-Zellen und wiederaufladbare Batterien eine etwas andere Nennspannung haben als normale Batterien (1,2 V statt 1,5 V). Es ist auch zu berücksichtigen, dass die Spannung der Quelle bei einer höheren Belastung zusätzlich abfällt. Aus diesem Grund ist es immer ratsam, die Parameter der Gerätekomponenten mit einem gewissen Spielraum des gesunden Menschenverstandes zu wählen.

Zusammenfassung

DC/DC-Wandler können die Probleme bei der Anpassung der Versorgungsspannung an den Bedarf der von Elektronikingenieuren gebauten Geräte leicht lösen. Die Möglichkeit, die Spannung praktisch nach Belieben zu erhöhen oder zu senken, ermöglicht die Entwicklung effizienter Stromkreise, und mit handelsüblichen Modulen reduziert sich die Tätigkeit praktisch auf den Anschluss einer kleinen Platine an die Schaltung mit drei oder vier Drähten. Wenn Sie sich die in diesem Artikel beschriebenen Grundprinzipien und Parameter vor Augen halten, können Sie den idealen Wechselrichter für Ihre Bedürfnisse auswählen – entweder als Aufwärts- oder als Abwärtswandler. Die detaillierte Anwendung all dieser Arten von Wechselrichtern ist oben beschrieben. Starten Sie jetzt Ihr Projekt und sehen Sie sich die große Auswahl an DC/DC-Wandlern im Botland-Shop an – wählen Sie das Modul, das all Ihren Erwartungen entspricht.