Gleichspannungswandler bzw. DC-DC Wandler
Ein Gleichspannungswandler bzw. DC-DC-Wandler genannt, (engl. DC-DC Converter, wandelt eine Eingangsgleichspannung in eine Gleichspannung mit höhere, niedrigere Spannung um oder invertiert diese.
Im Folgendem soll eine Übersicht über die wichtigsten DC-DC-Wandler gegeben werden:
Übersicht DC-DC-Wandler
Lineare oder getaktete Wandler
Lineare DC/DC-Wandler
Der lineare DC/DC-Wandler verwendet einen resistiven Spannungsabfall zur Erzeugung einer vorgegebenen Ausgangsspannung. Eine mögliche Schaltung wäre diese:
Beispielschaltung Linearer DC-DC-Wandler Schaltung
+ Linearregler erzeugen nur ein minimales Schaltrauschen
+ Kostengünstig
- Leistungsverlust durch den Pass-Transistor, was sich in Form von Wärme auswirkt. Kühlkörper für den Transistor nötig.
- Wirkungsgrad abhängig von der Spannung zwischen Eingang und Ausgang.
Geschaltete DC-DC-Wandler
Ein geschalteter oder getakter DC/DC-Wandler speichert periodisch die Eingangsenergie und gibt diese Energie dann in Form einer Spannung unterschiedlicher Höhe am Ausgang ab.
Zur Zwischenspeicherung dienen Induktivitäten oder Kondensatoren. Wird ein Tansformator eingesetzt, sorgt dies zusätzlich für eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang.
Abwärtswandler (Buck)
Beim Abwärtswandler (Buck) ist die Ausgangsspannung kleiner wie die Eingangsspannung und hängt neben der Höhe der Eingangsspannung von dem Tastgrad des Leistungsschalters ab.
Geschaltete DC-DC-Wandler Abwärtswandler Schaltung
Ist der Schalter geschlossen, fließt Strom durch die Induktivität, wodurch sie Energie in Form eines Magnetfelds speichert. Wird der Schalter geöffnet, gibt die Spule ihre gespeicherte Energie ab in der Weise, dass sie den Strom aufrecht erhalten möchte. Der Strom fliesst durch die Diode und lädt den Kondensator auf, so dass eine Asgangsspannung abgegriffen werden kann,
In der Praxis wird für den Schalter ein MOS-FET eingesetzt, welcher durch ein PWM-Signal angesteuert wird.
Hochsetzsteller (Aufwärtswandler, Boost Converter)
Beim Aufwärtswandler ist die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung. Für die meisten praktischen Zwecke liegt das Maximum bei circa 5-fachen der Eingangsspannung.
DC-DC Wandler Hochsetzsteller Aufwärtswandler Schaltung
Ist S1 eingeschaltet, wird speichert die Spule L Energie in ihrem Magnetfeld. Wird S1 ausgeschaltet, wird diese Energie zur Eingangsspannung addiert, die bereits am Eingangskondensator anliegt, und an den Ausgangskondensator weitergeleitet.
Galvanisch isolierte DC-DC-Wandler
Bei vielen Anwendungen wie z.B. in der Medizintechnik ist eine galvanische Trennung zwingend erforderlich.Dies kann beispielweise durch die Verwendung eines Transformators ohne geminsame Erdung beispielsweise erreicht werden. Solche Wandler werden auch als isolierte DC-DC-Wandler oder isolierte Sperrwandler bezeichnet.
Galvanisch isolierte DC-DC Wandler Schaltung
Der Transformator dient sowohl als Energiespeicher wie auch zur galvanischen Trennung. Da ein Transformator auch Verluste hat, erreichen nur wenige Sperrwandler einen Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent.
Jedoch erlaubt die Verwendung eines Transformators durch dessen Windungsverhältnis einen breiteren Bereich an Ausgangsspannungen. Zudem können durch zusätzliche Sekundärwicklungen mehrere Ausgangsspannungen bereit gestellt werden.