Spannungswandler

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

• Solche Wandler werden oft DC-DC-Wandler genannt (DC = Direct Current = Gleichstrom).

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

Der ICL7660 wandelt die an anliegende Versorgungsspannung in eine gleich große negative Spannung. 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 reichen für viele Schaltungen nicht aus. Unser Wandler kostet im Selbstbau etwa 2€. In der gleichen Preisklasse gibt es bereits fertige Wandler.

Zum Beispiel 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 sein.

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 mit geregelter Ausgangsspannung.

Es gibt fertige DC/DC-Wandler für verschiedene Eingangs- und Ausgangsspannungen. So gibt es z.B. Wandler von 5V auf 12V oder von 12V auf 3,3V. Natürlich werden auch verschiedene Leistungsklassen angeboten.

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

Fassen wir das zusammen:

Negative Spannung erzeugen

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

• Der Ausgang des RKE-0505 ist ungeregelt und darf nicht überlastet werden.

Diese Schaltung kann für die meisten Wandler mit getrennten Ein- und Ausgängen verwendet werden. Es ist jedoch auf die Pinbelegung zu achten.

Step-Down-Wandler

Der Step-Down-Wandler oder Abwärtswandler ist eine Sonderform des 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 ist geregelt.

Kompatibel mit LM78xx

Diese Regler gibt es tatsächlich in einer Bauform, die einem LM78xx im TO-220-Gehäuse entspricht. Sie liefern vergleichbare Leistungen wie z.B. 5V/1,5A bei einer Eingangsspannung von 7V bis 34V. Der Wandler muss jedoch nicht wie ein 7805 auf einen Kühlkörper montiert werden. Er erwärmt sich auch bei einer Eingangsspannung von 34V nur geringfügig.

Höhere Leistung

Step-Down-Wandler werden am häufigsten für höhere Leistungen eingesetzt. Sie sind in Modulen erhältlich, die auf die Leiterplatte gelötet werden können.

Hoher Wirkungsgrad

Ein 7805 benötigt eine Mindesteingangsspannung von 7 V. Damit ist kein guter Wirkungsgrad möglich:

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

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

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

Step-Up-Wandler

Der Step-Up-Wandler oder Aufwärtswandler ist ebenfalls eine Sonderform des 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 ist geregelt.

Beispiele

Die Beispiele in Bild 4 zeigen

• links oben: isolierter Wandler 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 arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip wie der Spannungsinverter mit dem ICL7660.

• Die Gleichspannung am Eingang wird zerhackt, d.h. in eine Wechselspannung umgewandelt.

• Diese Wechselspannung wird dann transformiert und

• wieder gleichgerichtet.

• Bei den meisten Wandlern erfolgt die Transformation jedoch nicht über Kondensatoren, sondern über Induktivitäten.

• Durch Transformatoren (gekoppelte Induktivitäten) kann die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung isoliert werden.

• Die Frequenz der Wechselspannung ist sehr hoch, bis zu einigen Megahertz. Dadurch können sehr kleine Induktivitäten verwendet werden.

Das Prinzip von Spannungswandlern haben wir in den Praktika Spannungen wandeln und Spannungen induktiv wandeln behandelt.

Die Arbeitsweise von Schaltreglern werden wir im Praktikum Schaltregler betrachten.

Moderne Netzgeräte

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

• Die 230V Netzspannung 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 wird geregelt.

• Die Geräte haben einen hohen Wirkungsgrad von meistens über 90%.

• Die Leerlaufleistung, wenn am Ausgang kein Strom entnommen wird, liegt in der Regel deutlich unter 1W.

• Diese Netzgeräte sind klein, z.B. 10W in einem Steckernetzteil.

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