Ein Gleichstromsteller (auch als DC-DC-Steller, DC-DC-Wandler oder getakteter Spannungssteller bezeichnet) ist eine elektronische Schaltung zur Spannungswandlung. Zum Transport der Ladung wird dabei eine Induktivität benutzt (induktiver Wandler). Im Gegensatz dazu werden Wandler mit kapazitivem Ladungstransport (kapazitiver Wandler) als Ladungspumpen bezeichnet.
Induktive Wandler haben den Vorteil, daß sie größere Mengen Ladung als die kapazitiven Wandler tranportieren und damit in der Leistungselektronik eingesetzt werden können. Ladungspumpen hingegen werden eingesetzt, wenn entweder - wie in integrierten Schaltungen - keine Induktivitäten vorhanden sind, oder wenn so wenig Ausgangsleistung erforderlich ist, daß sich der Einsatz der teuren Spulen gegenüber den billigen Kondensatoren nicht lohnt.
Bauarten
Ein Gleichstromsteller besteht prinzipiell aus einem elektronischen Schalter (meist ein IGBT oder Power MOSFET), einer Spule und einer Diode. Es werden drei grundsätzliche Topologien unterschieden (siehe Bilder):
- Abwärtswandler (Tiefsetzsteller, "Step down"- oder Buck-Converter)
- Aufwärtswandler (Hochsetzsteller, "Step up"- oder Boost-Converter)
- invertierender Wandler (Tief-Hochsetzsteller, Buck-Boost Converter).
In Anlehnung an die weiter unten beschriebenen kombinierten Bauarten nennt man einen einfachen Gleichstromsteller auch Einquadrantensteller (1qS).
Tiefsetzsteller, Step Down Converter, Buck Converter
Beim Tiefsetzsteller ist die Ausgangsspannung ist immer kleiner als die Eingangsspannung.
Ist der Schalter geschlossen, fließt der Strom entlang des roten Pfades. Der Strom in der Spule wird größer.
Bei geöffnetem Schalter leitet der passive Schalter (die Diode) und der Strom fließt entlang des grünen Pfades. Der Strom in der Spule wird kleiner.
Anhand des Pfeile erkennt man, dass der Ausgang kontinuierlich mit Strom versorgt wird, während der der Eingang lediglich bei geschlossenem Schalter mit der Aufladung der Spule belastet wird.
Hochsetzsteller, Step Up Converter, Boost Converter
Beim Hochsetzsteller ist die Ausgangsspannung immer größer als die Eingangsspannung.
Ist der Schalter geschlossen, fließt der Strom entlang des roten Pfades. Der Strom in der Spule wird größer.
Bei geöffnetem Schalter leitet der passive Schalter (die Diode) und der Strom fließt entlang des grünen Pfades. Der Strom in der Spule wird kleiner.
Anhand des Pfeile erkennt man, das der Eingang kontinuierlich mit Strom belastet wird, während der der Ausgang ständig mit dem Spulenstrom versorgt wird.
Sperrsteller, invertierender Wandler, Buck Boost Converter
Beim invertierenden Wandler hat die Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung ein negatives Vorzeichen. Der Betrag der Ausgangsspannung kann größer oder kleiner sein als die Eingangsspannung.
Ist der Schalter geschlossen, fließt der Strom entlang des roten Pfades. Der Strom in der Spule wird größer.
Bei geöffnetem Schalter leitet der passive Schalter (die Diode) und der Strom fließt entlang des grünen Pfades. Die Diode wird nämlich dann leitend, wenn die Spannung an der Spule negativ wird (Induktionsgesetz, Lenzsche Regel). Der Strom in der Spule wird dann auch kleiner.
Kombinierte Bauarten
Prinzipbedingt kann bei einem Gleichstromsteller der Strom nur in eine Richtung fließen (in der anderen Richtung wäre die Diode in Sperrstellung). Kombiniert man einen Tief- und einen Hochsetzsteller, erhält man einen Zweiquadrantensteller, bei dem nicht nur Strom von der Quelle zum Verbraucher, sondern in Gegenrichtung auch vom Verbraucher zurück zur Quelle fließen kann. Diesen Effekt macht man sich beispielsweise bei der elektromotorischen Bremse zunutze, bei der der Antriebsmotor während des Bremsvorgangs als Generator wirkt und die freiwerdende Energie zurück ins Netz einspeist.
Zweiquadrantensteller
Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, die beiden Gleichstromsteller zu einem Zweiquadrantensteller zu kombinieren. Die Unterschiede liegen in der Flußrichtung der Ströme:
- bei der Parallelschaltung fließt der Antriebsstrom in die eine, der Bremsstrom in die andere Richtung.
- bei der Reihenschaltung fließen Antriebs- und Bremsstrom in die gleiche Richtung.
Die hier gezeigten Grafiken unterscheiden sich in der Anordnung der Bauteile von denen gängiger Lehrbücher und sind an die Grafiken aus dem vorigen Abschnitt angelehnt. Bei der Darstellung wurde Wert darauf gelegt, den Tief- und Hochsetzsteller optisch sichtbar zu machen, nicht die Bauteile in optimaler Leitungsführung darzustellen.
Parallelschaltung
Ein Tiefsetzsteller wird mit einem Hochsetzsteller parallel geschaltet. Der Hochsetzsteller ist in diesen beiden Grafiken (im Vergleich zu seiner Darstellung weiter oben) horizontal gespiegelt (Spule links, Diode rechts), das heißt sein Eingang wird mit dem Ausgang des Tiefsetzstellers (links) verbunden und umgekehrt. Da beide Spulen nebeneinander liegen würden, kann man sie zu einer Spule zusammenfassen. In hellblau sind jeweils die Bauteile dargesellt, die im jeweiligen Betriebsmodus keine Rolle spielen.
Wirkung als Tiefsetzsteller (Antrieb)
Im Antriebsmodus spielen nur der Schalter 1 und die untere Diode eine Rolle:
- Schalter 1 geschlossen ("Treiben", rote Linie): Die Schaltung wirkt wie ein Tiefsetzsteller, der Strom in der Spule steigt an.
- Schalter 1 geöffnet ("Freilauf", grüne Linie): Der Verbraucher wird aus der Spule versorgt, der Strom in der Spule fällt ab.
- Beide Schalter geöffnet ("Freilauf", grüne Linie): Selbe Wirkung wie Fall 2, da der Schalter parallel zur Diode liegt.
- Beide Schalter geschlossen: Diese Stellung ist ungültig, da die Spannungsquelle damit kurzgeschlossen ist ("heiße Leitung").
Wirkung als Hochsetzsteller (Bremsen)
Im Bremsmodus spielen nur der Schalter 2 und die obere Diode eine Rolle:
- Schalter 2 geöffnet ("Rückspeisen", blaue Linie): Der Strom fließt aus dem Verbraucher über die Spule zurück in die Quelle.
- Schalter 2 geschlossen ("Freilauf", grüne Linie): Der Strom fließt nur über den Schalter 2, der Strom in der Spule steigt an.
- Beide Schalter geöffnet: Diese Stellung ist ungülig, da beide Dioden in Sperrstellung liegen. Es fließt kein Strom.
- Beide Schalter geschlossen: Diese Stellung ist ungültig, da die Spannungsquelle damit kurzgeschlossen ist ("heiße Leitung").
Merke: Der Strom fließt in den beiden Betriebsmodi durch Quelle und Verbraucher in jeweils unterschiedlicher Richtung. Ein "Rückwärtsfahren" durch Umpolen der Quelle ist deshalb nicht möglich. Antriebs- und Bremskräfte wirken in entgegengesetzter Richtung. Diese Art der Schaltung kommt bei elektrischen Fahrzeugen wie Elektrolokomotiven zum Einsatz.
Reihenschaltung
Ein Tiefsetzsteller (linker gelber Bereich) wird mit einem Hochsetzsteller (rechter gelber Bereich) in Reihe geschaltet. Auch bei dieser Schaltung können die beiden Spulen zu einer zusammengefasst werden (ob die Spule nun links oder rechts vom Verbraucher liegt, spielt keine Rolle).
Wirkung als Tiefsetzsteller (Antrieb)
Im Antriebsmodus muss Schalter 1 immer geschlossen sein:
- Beide Schalter geschlossen ("Treiben", rote Linie): Der Verbraucher wird über die Quelle versorgt, der Strom in der Spule steigt an.
- Schalter 1 geschlossen, 2 geöffnet ("Freilauf", grüne Linie): Der Verbraucher wird aus der Spule gespeist, der Strom in der Spule fällt ab.
- Schalter 2 geschlossen, 1 geöffnet: Beide Dioden liegen in Sperrstellung (kein Stromfluß möglich).
- Beide Schalter geöffnet: Beide Dioden liegen in Sperrstellung (kein Stromfluß möglich).
Wirkung als Hochsetzsteller (Bremsen)
Im Bremsmodus darf höchstens ein Schalter geschlossen sein:
- Beide Schalter geöffnet ("Rückspeisen", blaue Linie): Der Strom fließt vom Verbraucher zurück zur Quelle.
- Schalter 2 geschlossen, 1 geöffnet ("Freilauf", grüne Linie): Der Strom fließt nur über die Spule, der Strom in der Spule steigt an.
- Schalter 1 geschlossen, 2 geöffnet ("Freilauf", nicht eingezeichnet): Selbe Wirkung wie in Fall 2, nur dass der Strom über die obere Leitung fließt.
- Beide Schalter geschlossen. Diese Stellung ist ungültig. Es fließt kein Strom.
Merke: Der Strom fließt durch die Quelle in unterschiedlicher Richtung, durch den Verbraucher aber immer in gleicher Richtung. Dadurch wirken Antriebs- und Bremskräfte in die gleiche Richtung. Diese Art der Schaltung kommt z.B. bei Aufzügen zum Einsatz, wenn bei der Aufwärtsfahrt der Antrieb nach oben wirken soll und bei der Abwärtsfahrt die Bremse ebenfalls nach oben wirken soll.
Vierquadrantensteller
Kombiniert man zwei Zweiquadrantensteller, erhält man einen Vierquadrantensteller, bei dem Antriebs- und Bremsströme in jeweils beide Richtungen fließen können.
(folgt)
Steuerung und Regelung
Für die Steuerung der Schalterstellung (auf/zu) gibt es drei verschiedene Stellglieder, deren Ausprägungen beliebig kombiniert werden können. Jede Kombination bietet spezifische Vor- und Nachteile.
Frequenz
- PWM (Puls-Weiten Modulation). Die Frequenz ist konstant, das Verhältnis An-/ Auszeit ist variabel.
- PFM (Puls-Frequenz Modulation). An-/ Auszeit sind identisch, die Frequenz bzw. Periode ist variabel.
- Hysteresemode. An-/ Auszeit und die Frequenz sind variabel!
Strom/Spulenzustand
- DCM (Discontinuous Current Mode = nicht-kontinuierlicher Strom). Die Spule ist zeitweise stromlos.
- CCM (Continuous Current Mode = kontinuierlicher Strom). die Spule ist ständig stromdurchflossen.
Regelgröße
- Voltage Mode. Die Eingangsgröße zur Regelung ist lediglich die Ausgangsspannung. Spulenstrom und Ausgangsspannung werden mit einer Regelschleife eingestellt.
- Current Mode. Der Strom wird mit Hilfe einer inneren Schleife gesteuert. Die Ausgangsspannung wird dabei lediglich indirekt über die den erforderlichen Strom geregelt.
- Hysteretic Mode. Der Strom oder die Ausgangsspannung werden über eine Hysterese geregelt.
Einsatzgebiet
Gleichstromsteller finden sich in Schaltnetzteilen, mit der Verbraucher wie Notebooks, Mobiltelefone, Kleinmotoren, HiFi-Geräte uvm. betrieben werden. Ihre Vorteile gegenüber Linearnetzteilen liegen im besseren Wirkungsgrad und geringerer Wärmeentwicklung. Vor allem ersteres spielt bei der Wandlung einer Batteriespannung eine große Rolle, da die Lebensdauer der Batterie bei einem Schaltnetzteil wesentlich höher liegt: Bei einem linearen Spannungsregler oder einem Vorwiderstand hingegen wird die überflüssige Spannung einfach "verheizt". Die beim Schaltnetzteil auftretenden Umschaltverluste sind demgegenüber zu vernachlässigen.
Neben seinem Zweck als Spannungswandler dient ein getakteter Spannungssteller auch gleichzeitig als Filter, um gerade bei Hochleistungsanwendungen wie Elektrolokomotiven den negativen Einfluß der Maschine auf das Stromnetz (sog. Netzrückwirkung) so gering wie möglich zu halten.
Eigenschaften
Da Gleichstromsteller den Eingangsstrom ständig ein- und wieder ausschalten, liegt am Ausgang kein reiner Gleichstrom vor. Vor allem kann der Strom nicht schlagartig ausgeschaltet werden, da im Schaltkreis immer Induktivitäten (Drosseln, Filter, Motorspulen, sog. parasitäre Induktivitäten) enthalten sind, in denen magnetische Feldenergie gespeichert ist, die erst abgebaut werden muss. Zu diesem Zwecke kommt antiparallel zum Schalter immer auch eine Freilaufdiode zum Einsatz, die den Stromfluss übernimmt (Kommutierung). Bei vielen Verbrauchern können die rechteckförmigen Spannungen auch zu Störungen führen, weshalb man die Spannung am Ausgang meist noch mittels eines Kondensators glättet. Häufig wird auch ein linearer Spannungsregeler nachgeschaltet, um die restlichen Störungen zu glätten.