../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Spannungswandler

Im Praktikum Spannungen wandeln haben wir untersucht, wie aus einer Gleichspannung eine andere Gleichspannung erzeugt werden kann.

  • Solche Wander werden oft als DC-DC-Wandler bezeichnet (DC = Direct Current = Gleichstrom).

Mit dem ICL7660 haben wir ein IC kennengelernt, mit dem wir aus +5V eine Spannung von -5V erzeugen können.

Spannungsinverter-ICL7660.png
Bild 1: Ein Spannungsinverter mit ICL7660

Der ICL7660 wandelt die an ihm liegende Versorgungsspannung in eine negative mit dem gleichen Wert. Die mit dem ICL7660 erzeugte negative Spannungsquelle kann nur mit geringen Strömen belastet werden.

Eingangsspannung Ausgangsspannung Laststrom
2,0V 1,8V 1mA
5,0V 4,5V 10mA
10,0V 9,0V 25mA

Diese Ströme sind für viele Schaltungen unzureichend. Ein solcher Wandler kostet im Selbstbau um 2Euro. Fertige Wandler gibt es bereits in der gleichen Preisklasse.

Beispielsweise liefert der Wandler RKE-0505S/H eine Leistung von 1W. Das sind bei 5V immerhin 200mA. Allerdings ist die Ausgangsspannung bei geringer Last unter 30mA um bis zu 15% höher, d.h. bei 5,75V. Bei anderen Wandlern kann die Leerlaufspannung noch höher liegen.

Der Wandler RKE-0505S/H ist wie der ICL7660 ungeregelt, d.h. die Ausgangsspannung hängt sowohl von der Eingangsspannung als auch von der Last am Ausgang ab. Es gibt auch Wandler, deren Ausgangsspannung geregelt ist.

Die Wandler wandeln eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung kann allerdings beliebig sein. Es gibt Wandler von 5V auf 12V oder von 12V auf 3,3V.

Beim ICL7660 haben die Eingangs- und Ausgangsspannung eine gemeinsame Masse. Die Ausgangsspannung des RKE-0505S/H ist von der Eingangsspannung völlig getrennt.

Fassen wir das zusammen:

Spannungswandler

  • isolierte / nicht isolierte Ausgangsspannung
  • geregelte / ungeregelte Ausgangsspannung
  • eine / mehrere Ausgangsspannungen
  • feste / variable Eingangsspannung
  • Leistung von 1W bis über 100W und mehr
  • mit / ohne Überlastschutz am Ausgang

Negative Spannung erzeugen

Der Wandler RKE-0505 kann gut zum Erzeugen einer negativen Spannung von -5V verwendet werden.

DC-DC-Konverter-5V-5V.png
Bild 2: Spannungswandler von +5V auf -5V
  • Der Ausgang des RKE-0505 ist nicht geregelt und darf nicht überlastet werden.

Dieses Schaltbild kann für die meisten Wandler mit getrennten Ein- und Ausgängen eingesetzt werden. Allerdings muss auf die Belegung der Pins geachtet werden.

DC-DC-Konverter-12V-12V.png
Bild 3: Spannungswandler von 9V bis 36V auf +-12V

Step-Down-Wandler

Der Step-Down-Wandler oder Abwärtswandler ist eine besondere Form eines DC-DC-Wandlers. Die Ausgangsspannung ist kleiner als die Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung ist nicht von der Eingangsspannung isoliert. Sie haben eine gemeinsame Masse. Von der Funktion her entspricht ein Step-Down-Wandler einem Festspannungsregler.

  • Die Ausgangsspannung wird geregelt.

Kompatibel mit LM78xx

Diese Regler gibt es tatsächlich in einer Bauform, die einem LM78xx in einem TO-220-Gehäuse entspricht. Sie liefern vergleichbare Leistungen wie beispielsweise 5V/1,5A mit einer Eingangsspannung von 7V bis 34V. Allerdings muss der Wandler nicht wie ein 7805 auf einen Kühlkörper montiert werden. Er erwärmt sich nur wenig.

Höhere Leistung

Meistens werden Step-Down-Wandler für höhere Leistungen eingesetzt. Es gibt sie in Modulen, die auf die Leiterplatte gelötet werden können.

Hoher Wirkungsgrad

Bei einem 7805 wird mindestens 7V Eingangsspannung benötigt. Damit kann kein besserer Wirkungsgrad

η = Uaus / Uein
η = 5V   / 7V    = 71%

Meistens wird noch eine Spannungsreserve am Eingang benötigt, so dass realistisch mehr als 50% kaum möglich sind.

Ein Step-Down-Wandler hat meistens einen Wirkungsgrad über 90%. Bei höheren Leistungen sind 95% und mehr möglich.

Step-Up-Wandler

Der Step-Up-Wandler oder Aufwärtswandler ist eine besondere Form eines DC-DC-Wandlers. Die Ausgangsspannung ist größer als die Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung ist nicht von der Eingangsspannung isoliert. Sie haben eine gemeinsame Masse.

Die Ausgangsspannung wird geregelt.

Beispiele

Wandler-Module.png
Bild 4: Beispiele für Wandler-Module

Die Beispiele in Bild 4 zeigen

  • links oben: isolierter Wander für 5V auf 5V bei 1W
  • links unten: Step-Down-Wandler für 2,9V bis 14V auf 0,9 bis 5,5V und 1A
  • rechts: Step-Down-Wandler für 12V auf 5V und 10A

Technologie

Die Wandler funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie der Spannungsinverter mit dem ICL7660.

  • Die Gleichspannung am Eingang wird zerhackt, d.h. in eine Wechselspannung gewandelt.
  • Diese Wechselspannung wird dann transformiert und
  • wieder gleichgerichtet.
  • Die Transformation geschieht bei den meisten Wandlern allerdings nicht unter Verwendung von Kondensatoren, sondern mit Transformatoren.
  • Durch den Transformator kann die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung isoliert werden.
  • Die Frequenz der Wechselspannung ist sehr hoch, bis zu mehreren Megahertz. Dadurch können sehr kleine Transformatoren verwendet werden.
  • Bei Step-Down- oder Step-Up-Wandlern wird meistens anstelle des Transformators nur eine Induktivität, Spule verwendet.

Die Arbeitsweise werden wir in dem Praktikum Schaltregler betrachten.

Moderne Netzgeräte

Netzgeräte für das 230V-Netz sind heute fast immer als Spannungswandler aufgebaut.

  • Die Netzspannung von 230V wird gleichgerichtet,
  • die Gleichspannung zerhackt und
  • die entstandene Wechselspannung über einen Transformator transformiert.
  • Die Ausgangsspannung ist von der Eingangsspannung - der Netzspannung von 230V - isoliert.
  • Die Ausgangsspannung ist geregelt.
  • Die Geräte haben einen hohen Wirkungsgrad meistens über 90%.
  • Die Leerlaufleistung, wenn am Ausgang kein Strom entnommen wird, ist meistens weit unter 1W.
  • Die Netzgeräte sind klein. Z.B. 10W in einem Steckernetzteil.