Informations- und Kommunikationstechnik

Durchflusswandler - Abwärtswandler

Die einfache Grundschaltung funktioniert mit einer Speicherdrossel, die in Reihe zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung geschaltet ist. Mit einem Schalter vor der Drossel handelt es sich um einen Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler. Im englischen Sprachgebrauch als Buck- oder Downconverter bezeichnet. Ein Durchflusswandler kann auch ein fremdgesteuertes Schaltnetzteil mit einem Transformator sein.

Der Durchflusswandler überträgt in der Leitphase des Schalttransistors die Energie auf den Ausgang.

Die Ausgangsspannung aller Flusswandler ist von der Belastung relativ unabhängig, da zu allen Impulszeiten Ausgangsstrom fließt. Der Vorteil dieser Schaltwandler ist ihr hoher Wirkungsgrad. Im Vergleich zum transistorisierten Längsregler wird am elektronischen Schalter praktisch keine Leistung umgesetzt.

Downconverter

Abwärts-Drosselwandler

Im oberen Bild fließt bei geschlossenem Schalter Ausgangsstrom durch die Drossel und den Lastwiderstand. In der Drossel wird magnetische Energie gespeichert und gleichzeitig lädt sich der Ausgangskondensator mit auf.

Ist der Schalter wie im unteren Bild geöffnet, dann ist die Induktionsspannung an der Drossel entgegengesetzt gepolt. Die zuvor gesperrte Diode leitend jetzt und der Ausgangsstrom fließt, vom sich abbauenden Magnetfeld aufrechterhalten, in gleicher Richtung weiter.

Die Ausgangsspannung ist mithilfe des Tastgrads g = ti / T einstellbar. In beiden Schaltphasen fließt Ladestrom zum Kondensator. Beim einfachen Drosselwandler ist die Ausgangsspannung bei gleicher Polarität kleiner als die Eingangsspannung.

U-/I-Verlauf beim Drosselabwärtswandler

Die Diagramme sind das Ergebnis einer Schaltungssimulation. Die Schaltfrequenz beträgt 5 kHz, der Tastgrad 25%, die Induktivität der Drossel 100 mH und die Kapazität des Ausgangskondensators 100 µF. Der Lastwiderstand konnte zwischen 33 ... 470 Ω ohne Einfluss auf eine konstante Ausgangsspannung variiert werden. Eine größere Belastung verringerte die Spannung. Bei geringerer Belastung geriet die Simulation nach Ablauf der halben Schaltpausenzeit ins Schwingen.

Für die Praxis reicht es, bei der mathematischen Erfassung den ohmschen Drosselwiderstand und die Schwellenspannung der Diode zu vernachlässigen. Die Einschaltzeit soll so bemessen sein, dass der ansteigende Drosselstrom im linearen Bereich bleibt.

Berechnung zm Drosselabwärtswandler

Die im Diagramm angegebenen 2 Volt Ausgangsspannung ist um den Wert der Diodenflussspannung geringer als der errechenbare Wert nach Gl.(3). Bei Kenntnis des Lastwiderstands kann nach dem ohmschen Gesetz der Ausgangsstrom errechnet werden. Er wird während der gesamten Periodendauer vom mittleren Drosselstrom geliefert. Wie im Stromdiagramm oben zu erkennen ist, sind in jeder Periodendauer die Strom-Zeit-Flächen des konstanten Ausgangsstroms und des Drosselstroms gleich.

Drosselinduktivität

Die notwendige Induktivität kann aus den Gleichungen Gl.(3) und Gl.(1) und der absoluten Änderung des Drosselstroms Δi innerhalb der Periodendauer ermittelt werden. Mit der folgenden Gleichung und den oben verwendeten Simulationswerten errechnet sich für den ablesbaren Drosselstrom Δi = 4 mA eine Induktivität zu: L = 80 mH.

Berechnung der Induktivität

Damit innerhalb der Impulszeit der Drosselstrom nur im linearen Bereich ansteigen kann, muss die Zeitkonstante der Schaltung deutlich unterhalb von 1τ bleiben. Sie ist im Simulationsexperiment von der Induktivität und dem Wert des Lastwiderstands abhängig. Die eingestellte Impulsdauer von 50 µs entspricht 1/4·τ. Für den Lastwiderstand von 470 Ω errechnet sich die Induktivität zu L = 94 mH. Die empirischen 100 mH waren richtig gewählt.

Für einen Lastwiderstand von 47 Ω bei gleichbleibenden Zeitverhältnissen sollte die Drossel eine Induktivität von 10 mH haben. Eine Simulation damit erwies sich als stabil. Für die Änderung des Drosselstroms wurden im Diagramm Δi = 40 mA ermittelt. Der Rechenwert nach Gl.(4) ist mit 32 mA niedriger.

Durchflusswandler mit primär geschaltetem Transformator

Das Bild zeigt die Prinzipschaltung eines primär getakteten Trafos mit sekundärseitigem Durchflusswandler. Durch den Wicklungssinn des Trafos ergibt sich während der Leitphase an den Wicklungen 1 und 2 die eingezeichnete Polarität. Auf der Ausgangsseite wird dadurch die Diode G1 leitend und überträgt elektrische Energie an den Lastwiderstand. Mit dem Stromanstieg speichert die Drossel magnetische Energie.

Mit dem Einsetzen der Sperrphase kehren sich die Polaritäten an den Spulenwicklungen um. Auf der Sekundärseite sperrt die Diode G1. Die Drossel baut ihr Magnetfeld unter Beibehaltung der Ausgangsstromrichtung ab, wobei nunmehr die Diode G2 leitet. Auf der Primärseite liegt am Drain-Anschluss des gesperrten Schalttransistors die Induktionsgegenspannung der Wicklung 1. Die Polung der Wicklung 3 lässt die Diode G3 leiten. Sie gibt die in der Wicklung 1 gespeicherte restliche magnetische Energie an den Ladekondensator der Primärspannungsquelle zurück.

Fremdgesteuerter Durchflusswnadler

Die Ausgangsspannung wird vom Übersetzungsverhältnis des Trafos bestimmt. Ein auf Uaus bezogener Regelkreis kann das Taktverhältnis des Schalttransistors so beeinflussen, dass die Ausgangsspannung in einem weiten Bereich variabler Belastungen stabil bleibt. Die galvanische Netztrennung vom Primärkreis ist mit dem Einsatz geeigneter Optokoppler im Regelkreis möglich.