Um diese Spannungen bereitzustellen, entwickeln Gerätehersteller geeignete, oft hochkomplexe Stromversorgungskomponenten oder statten das Gerät mit einer Buchse aus, an die ein Standard-Netzteil angeschlossen wird. Es kann auch vorkommen, dass das Gerät für den ordnungsgemäßen Betrieb mehrere Spannungen unterschiedlicher Werte benötigt. In diesem Fall müssen die Entwickler die Eingangsspannung reduzieren oder gegebenenfalls erhöhen.
Drei Stromversorgungsmethoden: Wandler, Spannungsteiler, Linearstabilisator
Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, das System mit Strom zu versorgen: Die Stromversorgung kann auf einem Spannungsteiler, einem linearen Stabilisator oder einem Umrichter basieren. Jede dieser Methoden kann zur Spannungsreduzierung verwendet werden, aber nur Umrichter ermöglichen eine Spannungserhöhung.
Spannungsteiler
Die erste Möglichkeit zur Realisierung einer Stromversorgungsstufe ist die Verwendung eines Spannungsteilers. Die Funktionsweise eines solchen Systems basiert auf dem Ohmschen Gesetz und der Spannung an den einzelnen Widerständen. Durch die Anpassung ihrer Werte lässt sich jede beliebige Ausgangsspannung erzielen, die jedoch niedriger als die Eingangsspannung ist. Diese Methode der Stromversorgung hat jedoch einige Nachteile. Der erste ist die Stromausbeute: Spannungsteiler bestehen aus Widerständen, die typischerweise eine sehr geringe Nennleistung aufweisen. Höhere Ströme führen zu einem schnellen Durchbrennen der Widerstände. Natürlich können leistungsstärkere Widerstände verwendet werden, dies würde die Systemkosten jedoch erheblich erhöhen. Der zweite wesentliche Nachteil besteht darin, dass der Spannungsteiler immer auf eine bestimmte Eingangsspannung ausgelegt ist. Steigt oder sinkt die Eingangsspannung, ändert sich auch die Ausgangsspannung.
Lineare Stabilisatoren
Lineare Spannungsregler stellen die zweite Option dar und ermöglichen eine niedrigere Eingangsspannung. Sie werden meist als dreipolige Bauteile gefertigt und sind in der Energieversorgung weit verbreitet. Ihre Aufgabe ist einfach: eine konstante Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung zu gewährleisten. Dabei ist zu beachten, dass die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung sein muss. Diese Bauteile zeichnen sich durch ihren niedrigen Preis aus, haben aber das Problem der Wärmeentwicklung. Jede Differenz Eingangsspannung und gewünschter Ausgangsspannung wird in Wärme umgewandelt. Daher erhitzen sich die Bauteile selbst bei geringen Strömen sehr schnell, was den Einsatz zusätzlicher Kühlkörper erforderlich macht und die Kosten dieser Lösung natürlich erhöht.
Spannungswandler
Die dritte Möglichkeit zur Realisierung eines Stromversorgungssystems besteht in der Verwendung eines Spannungswandlers. Dieser setzt sich aus mehreren Grundelementen zusammen: einer Induktivität, einem Schalttransistor, Kondensatoren, Widerständen und einer Siliziumdiode. Wie man leicht erkennen kann, ist der Spannungswandler im Vergleich zu den zuvor vorgestellten Lösungen deutlich komplexer. Es gibt ihn in verschiedenen Ausführungen, und er kann die Ausgangsspannung im Verhältnis zur Eingangsspannung erhöhen oder verringern.
Warum einen Spannungswandler wählen?
Spannungswandler zeichnen sich durch eine wichtige Eigenschaft im Design elektronischer Geräte aus: ihren Wirkungsgrad. Wie bekannt, ist der Leistungsverlust ein wesentlicher Nachteil von Linearreglern. In dieser Hinsicht sind Wandler deutlich wirtschaftlicher. Jeder Spannungswandler besitzt einen definierten Wirkungsgrad, der in Prozent angegeben wird und das Verhältnis zwischen der abgegebenen Leistung und der aufgenommenen Leistung beschreibt. Mit anderen Worten: Bei einem Wirkungsgrad von 80 % gehen 20 % als Wärme verloren, die hauptsächlich vom Transistor und der Induktivität erzeugt wird. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass der Wirkungsgrad keine Konstante ist, sondern von den Betriebsbedingungen des Wandlers abhängt, insbesondere von der Versorgungsspannung, der Ausgangsspannung und dem Laststrom.
Trotz ihrer Vorteile weisen Spannungswandler auch einen Nachteil auf: Störungen. Aufgrund ihrer Bauweise und ihres Funktionsprinzips ist die Ausgangsspannung des Wandlers nicht perfekt konstant. Dies kann problematisch sein, wenn ein Stromkreis mit einer absolut konstanten Spannung betrieben werden muss. In diesem Fall muss ein RC-Filter.
Spannungswandler lassen sich dank ihrer geringen Größe und hohen Effizienz nahezu überall einsetzen. Bei der Entwicklung von Geräten empfiehlt sich daher die Wahl dieser Bauteilart.
Spannungswandler – Wie funktioniert er?
Der Spannungswandler ist ein Aufwärtswandler, der die Spannung durch Ein- und Ausschalten deutlich reduziert. Dieser Vorgang erfolgt so schnell, dass er den Betrieb des angeschlossenen Geräts oder Systems nicht beeinträchtigt. Das Steuerelement für diese Schaltung in DC/DC-Wandlern ist typischerweise ein MOSFET-. Damit am Ausgang des Geräts eine Gleichspannung anliegt, sind jedoch zusätzliche Bauteile wie Kondensatoren und eine Spule (Drossel) erforderlich. Während die Kondensatoren lediglich als Filter dienen, speichert die Spule Energie während des Betriebs und gibt diese später wieder ab. Darüber hinaus muss eine Siliziumdiode in den Wandlerschaltkreis integriert werden, um die Stromrichtung zu steuern.
Spannungswandler: Typen
sind verschiedene Arten von Spannungswandlern erhältlich, die beliebtesten sind:
- Abwärtswandler (Buck-Wandler) – reduziert die Spannung,
- Aufwärtswandler (Boost-Wandler) – erhöht die Spannung,
- Step-Up/Down-Wandler (SEPIC) – das Gerät kann die Eingangsspannung erhöhen und verringern.
Darüber hinaus gibt es weitere Gebäude, von denen die interessantesten folgende sind:
- Vorwärtswandler (Beschleunigerwandler) – ein DC/DC-Wandler auf Transformatorbasis. Es handelt sich um einen einstufigen Wandler, bei dem die vom Generator aufgenommene Energie in Echtzeit an den Ausgang übertragen wird. Dank des Transformators ermöglicht die Vorwärtsstufe eine galvanische Trennung von Ein- und Ausgang. Diese Wandler werden in Schaltnetzteilen mit einer Nennleistung von einigen hundert Watt oder weniger sowie in Inverter-Schweißgeräten eingesetzt.
- Sperrwandler (auch Sperrwandler genannt) – ein DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Er arbeitet zweistufig: Im ersten Zyklus wird Energie im Magnetfeld der Spule gespeichert und im zweiten Zyklus wieder abgegeben. Diese Systeme werden hauptsächlich in Schaltnetzteilen mit geringer Leistung eingesetzt.
Spannungswandler: Worauf ist bei der Auswahl zu achten?
Die Wahl des richtigen Wandlers hängt primär vom jeweiligen Gerät ab. Für kleine, tragbare Geräte eignen sich Miniaturwandler. Bei größeren Geräten können größere Wandler mit integriertem Kühlkörper zur besseren Wärmeableitung eingesetzt werden. Zusätzlich muss der benötigte Wandlertyp – Aufwärts-, Abwärts- oder kombinierter Auf-/Abwärtswandler – angegeben werden.
Um Energieverluste zu minimieren, empfiehlt sich der Einsatz hocheffizienter Spannungswandler. Deren Wirkungsgrad liegt üblicherweise zwischen 80 % und 95 %. Darüber hinaus sollten Sie die grundlegenden Parameter des Wandlers beachten, wie z. B. maximalen Ausgangsstrom, Ausgangsspannungsbereich und Eingangsspannungsbereich.
