Abwärtswandler

Der Tiefsetzsteller (auch Step-Down-Converter, Buck-Converter oder Abwärtswandler) ist eine elektronische Schaltung zur Spannungswandlung. Einsatzgebiete sind beispielsweise DC-DC-Wandler. Die Ausgangsspannung ist, wie der Name schon sagt, stets kleiner als die Eingangsspannung (im Gegensatz dazu der Hochsetzsteller).

Aufbau und Funktion

Die Höhe der Ausgangsspannung kann durch geregeltes Ein- und Ausschalten des Schalters S eingestellt werden. Dazu gibt es verschiedene Verfahren, von denen im Folgenden die Pulsweitenmodulation (PWM) im Continuous Current Mode (CCM, kontinuierlicher Betrieb) exemplarisch dargestellt wird: Der Laststrom i_L pendelt immer um den Effektivwert I_L (rot gestrichelte Linie) und sinkt nie auf Null ab.

Der Schalter S schaltet während seiner gesamten Schaltzeit T nur für die Zeit T_e durch. Es gilt folgende Gleichung:

D={\frac {T_{e}}{T}}

Während der Einschaltzeit T_e fließt durch die Induktivität L und durch den Verbraucher der Laststrom i_L, die Diode sperrt.
Während der Auschaltphase T_a wird die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut: es fließt ein Strom durch den Verbraucher und durch die Freilaufdiode.

Die Summe T_e + T_a = T ist übrigens immer gleich (deshalb Pulsweitenmodulation). Bei Vergrößern von T_e kann die Ausgangsspannung erhöht werden, durch Vergrößern von T_a wird die Ausgangsspannung kleiner.

Lückbetrieb

Im Lückbetrieb gilt die ungleichung $T_{e}+T_{a}<T$ , also innerhalb der Zeit $T-(T_{e}+T_{a})$ fließt kein Ausgangsstrom. Ob ein kontinuierlicher Betrieb oder ein Lückbetrieb vorliegt, hängt von Induktivität, Schaltfrequenz und Ausgangsstrom ab.

Spannungs- und Stromverlauf

In nebenstehender Grafik sind die Spannungs- und Stromverläufe des Tiefsetzstellers aufgezeigt, es wird der eingeschwungene Zustand dargestellt.
Während der Einschaltphase wird der magnetische Speicher (die Induktivität) geladen. Der Strom i_L steigt gleichmäßig an:

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

Die Spulenspannung (U_i-U_o) ist konstant, die Diode sperrt. In der darauffolgenden Ausschaltphase liegt die Augangsspannung an der Induktivität an (diese wird durch einen evtl. parallel zur Last geschalteten Kondensator bereitgestellt). Der Ausgangstrom nimmt kontinuierlich ab, da die Ausgangsspannung mit negativer Polarität an der Spule an liegt. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang.

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

U_{o}=D\cdot U_{i}

.

Deren Erstellung kann hier (Java-Applet) interaktiv nachvollzogen werden.

Eigenschaften

Die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers 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 IGBT) muß über einen Regelkreis angesteuert werden um den Stromdurchfluss durch die Last zu regeln. Des Weiteren kann zur ausgangsseitigen Spannungsstabilisierung parallel zur Last noch ein Glättungskondensator geschaltet werden. Es empfiehlt sich außerdem auch einen Kondensator parallel zur Spannungsversorgung zu schalten, da diese durch die Taktung pulsierend belastet wird. Da der Tiefsetzsteller oft zum Ansteuern von Gleichstrommotoren verwendet wird, kann die Induktivität L auch entfallen, da die Ankerwicklung für sich schon eine grosse Induktivität darstellt.

Weblinks