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Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über Gleichspannungswandler sowie ihre Anwendungen und Funktionsweisen. Werfen Sie auch einen Blick auf die Liste der 6 Hersteller von Gleichspannungswandler und deren Firmenranking.
Inhaltsübersicht
DC/DC-Wandler sind Stromversorgungen, die aus einer Gleichstromversorgung, die eine konstante Spannung ausgibt, unterschiedliche Gleichspannungen erzeugen.
Ein Wandler wird als Aufwärtswandler bezeichnet, wenn er eine höhere Spannung als die Eingangsgleichspannung ausgibt und als Abwärtswandler, wenn er eine niedrigere Spannung ausgibt.
DC/DC-Wandler werden in elektronischen Geräten eingesetzt, um eine geeignete Versorgungsspannung für bestimmte Schaltungen bereitzustellen.
Elektronische Geräte werden in der Regel mit Netzstrom (Wechselstrom) betrieben, aber elektronische Schaltungen benötigen eine Gleichstromversorgung. Dieser Stromversorgungsschaltkreis wird als AC/DC-Wandler bezeichnet.
Andererseits haben die elektronischen Bauteile wie ICs, aus denen ein Schaltkreis besteht, unterschiedliche optimale Betriebsspannungsbereiche und müssen daher mit der richtigen Spannung für jeden einzelnen Schaltkreis versorgt werden. In solchen Fällen werden DC/DC-Wandler eingesetzt.
Es gibt zwei Arten von DC/DC-Wandler, die jeweils nach einem anderen Prinzip arbeiten:
Bei einem linearen Regler wird ein NPN-Transistor zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemmen geschaltet und die Ausgangsspannung wird durch Steuerung der Spannung zwischen Kollektor und Emitter dieses Transistors konstant gehalten. Der Transistor hat die Eingangsseite als Kollektor und die Ausgangsseite als Emitter und der Regelkreis erfasst die Differenz zwischen seiner Ausgangsspannung und der gewünschten Spannung.
Die Grundfunktion besteht darin, den Basisstrom des Transistors zu steuern und die Spannung zwischen Kollektor und Emitter so zu variieren, dass die Ausgangsspannung konstant bleibt; anstelle eines NPN-Transistors kann auch ein n-Kanal-MOSFET verwendet werden, bei dem der Drain mit der Eingangsseite und die Source mit der Ausgangsseite verbunden ist und die Steuerschaltung steuert die Gate-Spannung.
Die grundlegende Funktionsweise eines Schaltreglers besteht darin, ein Schaltelement zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen vorzusehen, Strom vom Eingang zum Ausgang zu leiten, während das Schaltelement eingeschaltet ist, bis die Ausgangsspannung die gewünschte Spannung erreicht und dann das Schaltelement auszuschalten, wenn die Ausgangsspannung die gewünschte Spannung erreicht.
Dieser Vorgang wird mit hoher Geschwindigkeit wiederholt, um die Ausgangsspannung so zu steuern, dass sie innerhalb des gewünschten Bereichs bleibt. Bei DC/DC-Wandlern mit Schaltregler kann in Kombination mit einer Induktivität die von der Induktivität während der Stromunterbrechung erzeugte Sperrspannung genutzt werden, um im Boost-Betrieb eine höhere Spannung als die Eingangsspannung zu erzielen.
Darüber hinaus können auch Aufwärts-/Abwärtsregler, die unabhängig von der Eingangsspannung eine konstante Spannung ausgeben können und invertierende Regler, die aus einer positiven Spannung eine negative Spannung erzeugen, realisiert werden.
Es gibt zwei Haupttypen von DC/DC-Wandlern: Linearer Regler und Schaltregler.
Ein NPN-Transistor wird zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemmen geschaltet, um die Spannung an der Ausgangsklemme so zu steuern, dass sie immer konstant ist.
Ein Schaltregler hat folgende Vorteile: Zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme ist ein Schaltelement eingebaut, der von der Eingangsklemme fließende Strom wird durch das Schaltelement ein- und ausgeschaltet und die Spannung an der Ausgangsklemme wird konstant gehalten.
Auf der anderen Seite gibt es folgende Nachteile:
Lineare Regler liefern eine stabile Ausgangsspannung mit geringem Rauschen und eignen sich daher für analoge Schaltungen, z. B. bei der Verarbeitung schwacher Signale von verschiedenen Sensoren. Allerdings erzeugen sie eine große Menge an Wärme, so dass eine geeignete Wärmeableitung erforderlich ist. Es muss darauf geachtet werden, dass die erzeugte Wärme außerhalb des Geräts abgeleitet wird, indem Kühlkörper oder Lüfter in Kombination verwendet werden.
Bei Schaltreglern hingegen können die Ausgangsspannungen über einen weiten Bereich eingestellt werden und sie können große Ströme liefern, aber die Erzeugung von Rauschen ist unvermeidlich und es können Gegenmaßnahmen erforderlich sein. Eine solche Gegenmaßnahme besteht beispielsweise darin, das Gerät in ein abgeschirmtes Gehäuse einzuschließen.
Um jedoch zu verhindern, dass das Rauschen in die analogen Schaltkreise gelangt, kann es erforderlich sein, Maßnahmen zu ergreifen wie z. B. die Trennung der Stromversorgung selbst und die Erdung des DC/DC-Wandlers und der analogen Schaltkreise auf einem gemeinsamen Erdungsniveau über einen einzigen Erdungspunkt.
Auch wenn die Wärmeentwicklung relativ gering ist, muss bei der Konstruktion auf die Wärmeableitung innerhalb des Geräts geachtet werden, wenn große Mengen an Leistung abgegeben werden, wie dies bei Linearreglern der Fall ist.
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