Aufwärtswandler
Der Aufwärtswandler (auch Hochsetzsteller, Boost-Converter, Step-Up-Converter oder Aufwärtsregler) ist eine elektronische Schaltung zur Gleichspannungswandlung. Der Betrag der Ausgangsspannung Vo ist stets größer als der Betrag der Eingangsspannung Vi. Einsatzgebiete sind beispielsweise DC-DC-Wandler.
Aufbau und Funktion
Eine Induktivität (Spule) L ist in Reihe mit einer Freilaufdiode D geschaltet, hinter der ein Ladekondensator C die Ausgangsspannung aufsummiert. Die Spule wird durch einen Schalter S (in der Regel ein Halbleiterschalter: GTO Thyristor oder Transistor) gegen Masse geschaltet. An der Spule fällt nun die Eingangsspannung Uein ab , der Strom durch die Spule und mit ihm die gespeicherte Energie des Magnetfeldes steigen an. Wird der Schalter geöffnet, steigt die Spannung am sekundären Ende der Spule sehr schnell an, bis er die am Kondensator anliegende Spannung Uaus übersteigt und die Diode öffnet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Das Magnetfeld bricht dabei zusammen und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Diode in den Ladekondensator und zur Last treibt.
Eigenschaften
Die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers ist stets größer als die Eingangsspannung (im Gegensatz zum Abwärtswandler). Die Schaltung ist in sich weder Kurzschluss- noch Leerlauffest. Im Prinzip ist die Ausgangsspannung unabhängig vom Laststrom (solange dieser einen bestimmten Minimalwert überschreitet). Dennoch wird häufig die Pulsbreite durch eine Regelschaltung moduliert, insbesondere, wenn die Ausgangsspannung variabel oder der Strom geregelt sein soll (beispielsweise bei Ladegeräten). Aufwärtswandler kann man gut verwenden, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen oder um eine stark schwankende Eingangsspannung auszuregeln.
Anwendungsbeispiele
Die Grundschaltung eines Aufwärtswandlers wird in Gleichspannungswandlern eingesetzt, deren Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist, z. B.:
- batteriebetriebene Geräte, die an einer oder wenigen Zellen arbeiten
- Erzeugung von 24 V aus einer 12 V-Autobatterie
- Betrieb mehrerer Leuchtdioden an einer einzelnen Batteriezelle
Das gleiche Prinzip, jedoch mit einem Transformator anstelle der Spule, wird in Schaltnetzteilen kleiner Leistung angewandt (sog. Sperrwandler). (Genau genommen handelt es sich in diesem Fall nicht um einen Transformator, sondern um eine Drossel mit zwei Wicklungen. Beim Transformator wird die Eingangsleistung gleichzeitig am Ausgang abgegeben. Beim Sperrwandler erfolgt die Leistungsaufnahme und -abgabe der Drossel durch die Wicklungen in unterschiedlichen Takten.)
Die Schaltung wird auch in PFC- (engl. Power Factor Correction für Leistungsfaktorkorrektur) Eingangsstufen verwendet, die geräteintern eine Zwischenkreisspannung von ca. 400 V Gleichspannung bereitstellen. Die Stromaufnahme dieser PFC-Stufen wird dem Sinusverlauf der Eingangsspannung nachgesteuert, sodass Verunreinigungen des Netzes durch Oberschwingungen vermieden werden. An der Zwischenkreisspannung arbeiten dann Schaltnetzteile, Frequenzumrichter oder elektronische Vorschaltgeräte, die ansonsten starke Oberschwingungen erzeugen würden.