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Abwärtswandler-Netzteile

Inhaltsverzeichnis

1. Theorie und Grundschaltungen

Soll aus einer hohen Gleichspannung (z.B. 24V) eine niedrige Betriebsspannung (z.B. 5V) abgeleitet werden, können beim Einsatz von Längsreglern (z.B. Festspannungsreglern) aufgrund der hohen Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung hohe Verlustleistungen auftreten. Abwärtswandler (auch Tiefstellregler, Abwärtsregler, Buck Converter oder Step Down-Converter genannt) hingegen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 95% und bieten sich auch wegen der Einfachheit der Schaltung für diesen Einsatz an.

Generell lassen sich bei  Abwärtswandlern zwei Betriebsarten unterscheiden:

Continous-Mode

Im Vollastbetrieb arbeitet ein Abwärtswandler meist im Continous-Mode (kontinuierliche Betriebsweise). Der Strom durch die Induktivität L wird in dieser Betriebsart nie null. Wenn der Transistor durchgeschaltet ist, erhöht sich die in der Induktivität gespeicherte Energiemenge , bei gesperrtem Transistor nimmt die Energiemenge ab. Die Induktivität wird nie komplett entladen.

Abb.1: Abwärtswandler in Continous Mode
Abb.1: Abwärtswandler in Continous Mode

Phase 1: Bei durchgeschaltetem Transistor liegt an der Induktivität L die Differenz zwischen der Eingangsspannung UE und der Ausgangsspannung UA. Durch die Spule fließt ein linear ansteigender Strom. Im Magnetfeld der Spule wird Energie gespeichert.
Phase 2: Nach Öffnen des Transistors sinkt die Spannung am schalterseitigen Ende der Spule sofort so weit ab, dass die Freilaufdiode D leitend wird. Die Spule ist jetzt umgepolt und gibt die gespeicherte Energie mit einem linear sinkenden Strom ab. Ehe die Spule stromlos wird, schaltet der Transistor wieder durch und die Spannung am schalterseitigen Ende der Induktivität steigt wieder auf den Wert der Eingangsspannung an. Die Diode D sperrt und eine neue Ladephase beginnt .

Abb. 2: Abwärtswandler in Discontinous Mode
Abb. 2: Abwärtswandler in Discontinous Mode
Discontinous Mode (Lückender Betrieb)

Im Niederlastbetrieb ist die benötigte Energie so gering, dass sie in einer kürzeren Zeit als die eines normalen Schaltzyklus übertragen werden kann. Dabei kann der Strom in der Induktivität L null werden und somit kann L komplett entladen werden. In dieser dritten Phase eines Schaltzyklus wird die Ausgangsspannung ausreichend vom Speicherkondensator gepuffert.

2. Praktische Umsetzung des Abwärtswandlerprinzips mit dem IC L4978

Das Schaltregler-IC L4978 arbeitet mit hoher Frequenz (90-110kHz). Die Schaltfrequenz ist mit der RC-Kombination R1/C2 festgelegt. Der Oszillator liefert zwei Ausgangssignale: Eine Sägezahnspannung als Träger für den Pulsweitenmodulator (PWM) und ein Clocksignal für die PWM-Logik.
Als Speicherinduktivität dient eine Ringkerndrossel (L1). D1 wirkt als Freilaufdiode und ermöglicht die kontinuierliche Betriebsweise des Wandlers. Der Speicherkondensator C8 muss ein Low-ERS-Elko sein, da sonst die Verlustleistung im Elko zu groß wird und sich der Elko erhitzt.
Die Ausgangsspannung wird mit einem Spannungsteiler (R3/ R4) in der Rückkopplung des Regelkreises programmiert (hier 5V). Das Regelsignal durchläuft einen Fehlerverstärker (Eingang Pin 8, Schleifenfilter Pin 7-R2/C4) und dient als Modulationssignal des PWM-Modulators. Entsprechend der Höhe des Regelsignales ändert sich das Tastverhältnis (Duty Cycle) der PWM. Die Einschaltzeit des internen MOSFET-Transistors und somit die transportierte Energiemenge ist abhängig von dem Clocksignal zum Setzen des RS-Flipflop der PWM-Logik und dem Reset-Zeitpunkt durch den PWM-Modulator.
Der externe Kondensator C6 ist Teil einer Bootstrapschaltung zur Versorgung der Treiberstufe des MOSFET-Schalttransistors. Ein sanftes Anlaufen der Schaltung beim Einschalten gewährleistet der Softstartkondensator C5 am Pin 2.

Abb. 3: Abwärtswandler mit L4978
Abb. 3: Abwärtswandler mit L4978

Praktische Anwendung finden finden Abwärtswandler immer da, wo niedrige Betriebsspannungen mit hohen Strömen benötigt werden, aber nur hohe Betriebsspannungen zur Verfügung stehen, z.B. auf Computer- Mainboards zur Versorgung der CPU oder in LCD-TV zur Versorgung der Videosignal-Elektronik auf dem LCD-Panel aus der Versorgungsspannung der Hintergrundbeleuchtung.

REFERENZEN

Weblinks

1. STMicroelectronics Datenblatt und Applikationen zum L4978: http://www.st.com/web/en/catalog/sense_power/FM142/CL1456/SC355/PF63212

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