Abwärtswandler

Der Abwärtswandler, auch Tiefsetzsteller, englisch Step Down Converter, englisch Buck Converter oder Abwärtsregler, ist in der Elektronik eine Form von Gleichspannungswandler. Der Betrag der Ausgangsspannung UA ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung UE.

Schaltungsschema eines Abwärtswandlers.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau und Funktion

Die Höhe der Ausgangsspannung kann durch geregeltes Ein- und Ausschalten des Schalters S (meist ein Transistor) eingestellt werden.

Der Schalter S schaltet während der gesamten Periode T nur für die Zeit Te durch. Es gilt folgende Gleichung:

d = \frac{T_e}T

mit d dem Tastgrad.

Te: Einschaltdauer

T: Periodendauer.

  • Während der Einschaltzeit Te fließt der Laststrom iL durch die Induktivität L und durch den Verbraucher, die Diode D sperrt.
  • Während der Ausschaltphase Ta wird die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode D bzw. aus dem Kondensator C.

Regelung/Steuerung

Für die Regelung der Ausgangsspannung gibt es verschiedene Verfahren, von denen im Folgenden die Pulsweitenmodulation (PWM) im Continuous Current Mode (kontinuierlicher bzw. nicht-lückender Betrieb) exemplarisch dargestellt wird: Der Strom in der Induktivität iL pendelt immer um den Mittelwert IL,av (rot gestrichelte Linie) und sinkt nie auf Null ab.

Lückbetrieb

Im Lückbetrieb gilt die Ungleichung Te + Ta < T, innerhalb der Zeit T − (Te + Ta) fließt also kein Ausgangsstrom. Ob ein kontinuierlicher Betrieb oder ein Lückenbetrieb vorliegt, hängt von Induktivität, Schaltfrequenz und Ausgangsstrom ab.

Spannungs- und Stromverlauf

Funktion des Abwärtswandlers

In nebenstehender Grafik sind die Spannungs- und Stromverläufe des Abwärtswandlers aufgezeigt, es wird der eingeschwungene Zustand dargestellt.

Während der Einschaltphase wird der magnetische Speicher (die Induktivität) geladen. Der Strom iL steigt gleichmäßig an:

i_{L} = {1 \over L}\int_{}^{}u\mathrm{d}t

Die Spulenspannung (UiUo) ist näherungsweise konstant, die Diode sperrt. In der darauffolgenden Ausschaltphase liegt die Ausgangsspannung an der Induktivität an. Der Ausgangsstrom nimmt kontinuierlich ab, da die Polarität der Spulenspannung nun gewechselt hat. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang.

Führt man diese Ausführungen weiter, so erhält man die Steuerkennlinie:

U_{o} = d \cdot U_{i}.

Die Ausgangsspannung steigt also an, wenn die Einschaltzeit Te größer wird (bei gleichbleibender Periodendauer T).

Die Erstellung der Steuerkennlinie kann in diesem Java-Applet interaktiv nachvollzogen werden.

Leistungsbilanz

Bleiben die Verluste der Schaltung unberücksichtigt, ergibt sich folgende Leistungsgleichung:

U_{i} \cdot I_{i} = U_{o} \cdot I_{o}= P_{i} = P_{o}

Der reale Abwärtswandler hat seine wesentlichen Verluste in folgenden Bauteilen:

  • Spule – sie hat ohmsche Verluste durch ihren Wicklungswiderstand sowie magnetische Verluste im Kernmaterial.
  • Schalttransistor – er hat einen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand sowie Schaltverluste (er schaltet in einer endlichen Zeit).
  • Freilaufdiode – sie hat eine typische Flussspannung von 0,4–1 V sowie Schaltverluste. Um diese Verluste zu verringern, kann man stattdessen einen gesteuerten MOSFET einsetzen. Man spricht dann von Synchrongleichrichtung.

Eigenschaften

Leistungsteil eines dreiphasigen Schaltreglers zur Stromversorgung des Prozessors auf einer PC-Hauptplatine

Aus der Leistungsbilanz ergibt sich u. a., dass der Ausgangsstrom eines Abwärtswandlers stets höher als dessen mittlerer Eingangsstrom ist. Jeweils für kurze Zeit fließt jedoch am Eingang ein Strom, der sogar noch etwas höher als der mittlere Ausgangsstrom ist. Daraus ergibt sich, dass besonders bei Abwärtswandlern mit großem Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung eingangsseitig ein Stützkondensator mit besonders geringem äquivalentem Serienwiderstand (engl. low ESR) erforderlich ist, um zusätzliche externe Leistungsverluste und Störungen der Speisespannung zu vermeiden.

U. a. diese Problematik führte zur Entwicklung mehrphasiger Abwärtswandler: diese bestehen aus mehreren parallelen, zeitversetzt gesteuerten Abwärtswandlern kleinerer Leistung, die meist mit einem einzigen Steuerschaltkreis angesteuert werden.

Die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers ist stets kleiner als die Eingangsspannung, das heißt: d ist stets kleiner als 1. Die Schaltung muss genau an die (in der Schaltung nicht dargestellte) Last angepasst werden oder der Halbleiterschalter – meist ein Transistor, IGBT oder MOSFET – muss über einen Regelkreis angesteuert werden, um über das Puls-Pausenverhältnis den Stromdurchfluss durch die Last oder die Spannung an der Last zu regeln.

Bei mehrphasigen Abwärtswandlern muss zusätzlich das Stromgleichgewicht zwischen den einzelnen Phasen eingehalten werden. Meist ist zur ausgangsseitigen Spannungsstabilisierung parallel zur Last noch ein Glättungskondensator geschaltet.

Wird der Abwärtswandler zum Ansteuern von Motoren verwendet, können die Induktivität L und der Glättungskondensator u. U. auch entfallen, da die Wicklung des Motors meistens bereits eine ausreichende Induktivität darstellt. Zu beachten sind dabei allerdings ggf. die erhöhten Verluste im Motor und die möglicherweise auftretende Störabstrahlung

Anwendungen

Im Gegensatz zu Längsreglern können Abwärtswandler mit geringen Verlusten Ausgangsspannungen erzeugen, die niedriger als die Eingangsspannung sind. Ihr mittlerer Eingangsstrom ist daher geringer als der Ausgangsstrom.

Es gibt zur Realisierung von Abwärtswandlern integrierte monolithische Schaltkreise (engl.: integrated circuit, IC), die einen Teil oder alle Halbleiterbauelemente enthalten, die erforderlich sind, um bei wechselnder Last eine konstante Ausgangsspannung zu regeln.

Für kleine Leistungen werden auch Hybrid-Schaltkreise angeboten, die zusätzlich sogar die Spule enthalten.

Verallgemeinerung

Synchroner Abwärtswandler (ohne Steuerlogik)

Wird in obigen Schaltschema die Diode D durch einen weiteren Schalter S2 ersetzt, samt der für die zeitlich korrekte Ansteuerung notwendige Steuerlogik, wird daraus der Synchronwandler. Der Name leitet sich von der notwendigen, zeitlich korrekten Ansteuerung der Schalter ab, welche ähnlich wie bei synchronen Gleichrichtern erfolgt. Der Synchronwandler kann dann durch Vertauschen von Eingang und Ausgang direkt in einen Aufwärtswandler umgewandelt werden und stellt somit in der Topologie die Verallgemeinerung des Ab- und Aufwärtswandlers dar.

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