{"id":52860,"date":"2023-01-11T13:26:30","date_gmt":"2023-01-11T12:26:30","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/przetwornice-impulsowe-step-up-step-down-jak-to-dziala\/"},"modified":"2023-04-17T13:31:45","modified_gmt":"2023-04-17T11:31:45","slug":"impuls-wechselrichter-step-up-step-down-wie-funktioniert-das","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/impuls-wechselrichter-step-up-step-down-wie-funktioniert-das\/","title":{"rendered":"Impuls-Wechselrichter (step up\/step down) – Wie funktioniert das?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 8<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Vor einigen Jahrzehnten wurden die meisten elektronischen Ger\u00e4te mit einigen wenigen Standardspannungen betrieben, und die Anforderungen an die Genauigkeit der Stabilisierung oder die Effizienz der Stromversorgungen waren in den meisten F\u00e4llen viel geringer als zu Beginn des 21. Jahrhunderts. In dieser Zeit haben sich nicht nur die Bereiche der verwendeten Versorgungsspannungen ge\u00e4ndert, sondern es geht auch um Energieeinsparung, was sich sowohl in geringeren Geb\u00fchren (bei Netzger\u00e4ten) als auch in l\u00e4ngeren Betriebszeiten (bei batterie- oder akkubetriebenen Ger\u00e4ten) niederschl\u00e4gt. Linearregler,<\/strong> mit denen die Versorgungsspannung abgesenkt und stabilisiert (“gegl\u00e4ttet”) werden kann, eignen sich hervorragend f\u00fcr 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 gr\u00f6\u00dfte Problem ist jedoch die betr\u00e4chtliche Verlustleistung<\/strong>, die proportional zur H\u00f6he des Ausgangsstroms und der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung der Schaltung ist. Die gro\u00dfe W\u00e4rmeabgabe<\/strong> erfordert bereits die Verwendung eines K\u00fchlk\u00f6rpers – andernfalls wird der Stabilisator hei\u00df, was beim sp\u00e4teren Betrieb des Ger\u00e4ts eine Reihe von Problemen verursachen kann. Eine solche Situation ist auch unter dem Gesichtspunkt des Energieverlustes, der von der Stromquelle ausgeht,<\/strong> sehr nachteilig – wenn das Ger\u00e4t von einer Batterie oder einem Akku gespeist wird, verringert sich die Betriebszeit dieses Ger\u00e4ts um mehr als die H\u00e4lfte im Vergleich zu einer Situation, in der eine andere L\u00f6sung zur Reduzierung der Versorgungsspannung verwendet w\u00fcrde. Aber was f\u00fcr eine L\u00f6sung?<\/strong> <\/p>\n

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DC\/DC-Wandler<\/h2>\n

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Die effektivste Art, die Verluste bei der Reduzierung der Spannung zu verringern, ist… sie zu schalten (abwechselnd ein- und auszuschalten). Nat\u00fcrlich muss dies schnell genug geschehen, damit die Aktivit\u00e4t nicht den Betrieb der zu versorgenden Schaltung beeintr\u00e4chtigt. Die erste Assoziation, die Ihnen in den Sinn kommt, ist die PWM-Modulation<\/strong> (z. B. zum \u00c4ndern 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 daf\u00fcr sorgen, dass die Spannungswellenform “gegl\u00e4ttet” wird – deshalb werden in Wechselrichtern oft recht gro\u00dfe Kondensatoren und Induktionsspulen (Drosseln) verwendet. W\u00e4hrend 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. <\/p>\n

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F\u00fcr den ordnungsgem\u00e4\u00dfen Betrieb eines DC\/DC-Wandlers<\/strong> ist daher – neben einem Regler<\/strong> in Form eines integrierten Schaltkreises und den oben genannten Kondensatoren<\/strong> und (mindestens einer) Induktionsspule<\/strong> – ein Element erforderlich, das als Schalter fungiert. MOSFET-Transistoren<\/strong> eignen sich am besten f\u00fcr diese Funktion, da sie auch gro\u00dfe Str\u00f6me ohne nennenswerte Energieverluste leiten k\u00f6nnen. Ein richtig konzipierter Wechselrichter erzeugt daher unvergleichlich weniger W\u00e4rme als selbst ein kleiner linearer Stabilisator (unter denselben Betriebsbedingungen). Eine Siliziumdiode<\/strong> ist auch notwendig, um den Stromfluss in der Schaltung in die richtige Richtung zu lenken. <\/p>\n

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Aufteilung der DC\/DC-Wandler<\/h2>\n

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Bisher haben wir nur eine Anwendung von DC\/DC-Wandlern er\u00f6rtert, der als Step-down<\/em><\/strong> oder Buck<\/strong><\/em> bezeichnet wird, d. h. die Verringerung der Spannung im Verh\u00e4ltnis zu der von der Quelle gelieferten Spannung<\/strong>. Durch eine geeignete \u00c4nderung der Anschl\u00fcsse der Bauelemente (Schl\u00fcsseltransistor, Induktionsspule und Diode) kann das genaue Gegenteil<\/strong> erreicht werden – eine Erh\u00f6hung der Spannung auf einen Wert (sogar ein Vielfaches), der \u00fcber der vom Wandler gelieferten Spannung liegt<\/strong>. Solche Systeme werden als Step<\/em>-up<\/strong> oder Boost<\/em><\/strong>-Wandler bezeichnet. Einige Wechselrichter sind auch in der Lage, in beiden Konfigurationen<\/strong> zu arbeiten und schalten automatisch den “Betriebsmodus” um, je nachdem, ob die Eingangsspannung gerade niedriger oder h\u00f6her als die festgelegte Ausgangsspannung ist. Solche Systeme werden als Buck-Boost<\/em><\/strong> bezeichnet. In einigen wenigen F\u00e4llen ist es erforderlich, eine Spannung mit entgegengesetzter Polarit\u00e4t zur Versorgungsspannung zu erhalten oder – vereinfacht ausgedr\u00fcckt – die Pole umzukehren”. Dies ist der Fall bei Ger\u00e4ten, die nicht nur eine positive Spannung in Bezug auf die Systemmasse, sondern auch eine negative Spannung ben\u00f6tigen, um ordnungsgem\u00e4\u00df zu funktionieren (wir nennen diese Systeme mit symmetrischer<\/em> Versorgung). Invertierende DC\/DC-Wandler (engl. inverting DC\/DC<\/em>) sind die bei weitem am wenigsten verbreitete, wenn auch sehr n\u00fctzliche Variante des Aufw\u00e4rtswandlers. <\/p>\n

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Eine weitere Unterteilung kann vorgenommen werden aufgrund der Konstruktion des Systems<\/strong>. In der Vergangenheit wurden Wechselrichter aus einer Reihe von Halbleiterelementen (Transistoren, Dioden, manchmal einfache integrierte Schaltungen) und passiven Elementen (Widerst\u00e4nde, Kondensatoren und Induktoren) zusammengesetzt. Die Verbreitung von integrierten Boost-Konverter-Steuerungen auf dem Markt hat dazu gef\u00fchrt, dass nur noch ein “Teil” und ein paar… ein Dutzend externe Komponenten ben\u00f6tigt werden, um ein funktionierendes und stabiles Ger\u00e4t zu bauen.<\/p>\n

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Diese L\u00f6sung wird vor allem von Konstrukteuren bevorzugt, die den Wechselrichter selbst mit den \u00fcbrigen Ger\u00e4teschaltungen auf einer einzigen Leiterplatte integrieren wollen. Aber auch die Verwendung eines handels\u00fcblichen Reglers erfordert vom Konstrukteur ein hohes Ma\u00df an Wissen \u00fcber die lauernden Fallen und die L\u00f6sung spezifischer praktischer Probleme. Die einfachste Methode ist daher die Verwendung eines handels\u00fcblichen DC\/DC-Wandlermoduls<\/strong> – dieser Weg wird heute von Tausenden von Elektronikingenieuren beschritten, da er Stabilit\u00e4ts- oder Leistungsprobleme vermeidet, die Zeit f\u00fcr den Bau des Ger\u00e4ts erheblich verk\u00fcrzt und in der Regel auch die Bauteilkosten reduziert. <\/p>\n

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Tats\u00e4chlich ist die Frage der Konstruktion von DC\/DC-Wandlern komplexer – innerhalb jeder der genannten Gruppen gibt es Systeme, die auf v\u00f6llig unterschiedliche Weise aufgebaut sind. So kann beispielsweise die Funktion eines Abw\u00e4rtswandlers durch einen speziellen Wandlertyp namens SEPIC<\/em><\/strong> oder – eine komplexe, aber ebenfalls \u00e4u\u00dferst flexible – Flyback<\/em><\/strong>-Schaltung \u00fcbernommen werden. Sehr wichtig ist, dass wir die Wechselrichter nach ihrer Funktion unterteilen<\/strong> k\u00f6nnen: <\/p>\n

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