Tiefsetzsteller

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Der Tiefsetzsteller (auch Step-Down-Converter, Buck-Converter, Abwärtsregler oder Abwärtswandler) ist eine elektronische Schaltung zur Gleichspannungswandlung. Einsatzgebiete sind beispielsweise DC-DC-Wandler. Der Betrag der Ausgangsspannung V_o ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung V_i.

Schaltungsschema eines Tiefsetzstellers

Inhaltsverzeichnis

1 Aufbau und Funktion
- 1.1 Regelung/Steuerung
- 1.2 Lückbetrieb
2 Spannungs- und Stromverlauf
- 2.1 Leistungsbilanz
3 Eigenschaften
4 Anwendungen
5 Weblinks
6 Siehe auch

[Bearbeiten] Aufbau und Funktion

Die Höhe der Ausgangsspannung kann durch geregeltes Ein- und Ausschalten des Schalters S (meist ein Transistor) eingestellt werden.

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

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

D ... Tastverhältnis
T_e... Einschaltdauer
T ... Periodendauer

Während der Einschaltzeit T_e fließt durch die Induktivität L und durch den Verbraucher der Laststrom i_L, die Diode sperrt.
Während der Ausschaltphase T_a wird die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut: der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Freilaufdiode.

[Bearbeiten] Regelung/Steuerung

Für die Regelung der Ausgangsspannung gibt es verschiedene Verfahren, von denen im Folgenden die Pulsweitenmodulation (PWM) im Continuous Current Mode (kontinuierlicher Betrieb) exemplarisch dargestellt wird: Der Laststrom i_L pendelt immer um den Mittelwert I_L,av (rot gestrichelte Linie) und sinkt nie auf Null ab.

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] Spannungs- und Stromverlauf

Funktion des Tiefsetzstellers

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. Der Ausgangsstrom nimmt kontinuierlich ab, da die Polarität der Spulenspannung nun gewechselt hat. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang.

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

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

Die Ausgangsspannung steigt also an, wenn die Einschaltzeit T_e größer wird (bei gleich bleibender Periodendauer T).

Die Erstellung der Steuerkennlinie kann hier (Java-Applet) interaktiv nachvollzogen werden.

[Bearbeiten] Leistungsbilanz

Bleiben die Verluste der Schaltung unberücksichtigt ergibt sich folgende Leistungsgleichung:

$U_{i} \cdot I_{i} = U_{o} \cdot I_{o}= P_{i} = P_{o}$

Der reale Tiefsetzsteller hat seine wesentlichen Verluste in folgenden Bauteilen:

Spule: sie hat ohmsche Verluste durch ihren Kupferwiderstand sowie magnetische Verluste im Kernmaterial
Schalttransistor: er hat einen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand sowie Schaltverluste (er schaltet in einer endlichen Zeit)
Freilaufdiode: sie hat eine typische Flussspannung von 0,4...1V sowie Schaltverluste. Um diese Verluste zu verringern, kann man stattdessen einen gesteuerten MOSFET einsetzen. Man spricht dann von Synchrongleichrichtung

[Bearbeiten] Eigenschaften

Leistungsteil eines dreiphasigen Schaltreglers zur Stromversorgung des Prozessors auf einer PC-Hauptplatine

Aus der Leistungsbilanz ergibt sich u.a., dass der Ausgangsstrom eines Tiefsetzstellers stets höher als dessen mittlerer Eingangsstrom ist. Jeweils für kurze Zeit fließt jedoch am Eingang ein Strom, der sogar noch etwas höher als der mittlere Ausgangsstrom ist. Daraus ergibt sich, dass besonders bei Tiefsetzstellern mit großem Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung eingangsseitig ein Stützkondensator mit besonders geringem äquivalentem Serienwiderstand (engl. low-ESR) erforderlich ist, um zusätzliche externe Leistungsverluste und Störungen der Speisespannung zu vermeiden.

U.a. diese Problematik führte zur Entwicklung mehrphasiger Tiefsetzsteller: diese bestehen aus mehreren parallelen, zeitversetzt gesteuerten Tiefsetzstellern kleinerer Leistung, die meist mit einem einzigen Steuerschaltkreis angesteuert werden

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 Transistor, IGBT oder MOSFET - muss über einen Regelkreis angesteuert werden, um über das Puls-Pausenverhältnis den Stromdurchfluss durch die Last oder die Spannung an der Last zu regeln.

Bei mehrphasigen Tiefsetzstellern muss zusätzlich das Stromgleichgewicht zwischen den einzelnen Phasen eingehalten werden. Meist ist zur ausgangsseitigen Spannungsstabilisierung parallel zur Last noch ein Glättungskondensator geschaltet.

Wird der Tiefsetzsteller zum Ansteuern von Motoren verwendet, können die Induktivität L und der Glättungskondensator auch entfallen, da die Wicklung des Motors meistens bereits eine ausreichende Induktivität darstellt.

[Bearbeiten] Anwendungen

Im Gegensatz zu Längsreglern können Tiefsetzsteller mit geringen Verlusten Ausgangsspannungen erzeugen, die niedriger als die Eingangsspannung sind. Ihr mittlerer Eingangsstrom ist daher geringer als der Ausgangsstrom.

Erzeugen von kleineren Spannungen (12 V, 5 V) aus 24 V (LKW, Industrienetzteile)
Bereitstellung der Prozessor-Versorgungsspannung (1,8...3,3 V) im Laptop
Ladegeräte für Akkumulatoren
Betrieb von Halbleiterlasern
Stromregelung an Schrittmotoren und Drehzahlregelung an Gleichstrommotoren
Betrieb/Regelung von Peltierelementen zum Heizen/Kühlen

Es gibt zur Realisierung von Tiefsetzstellern integrierte monolithische Schaltkreise (engl.: integrated circuit, IC), die einen Teil oder alle Halbleiterbauelemente enthalten, die erforderlich sind, um bei wechselnder Last eine konstante Ausgangsspannung zu regeln.
Für kleine Leistungen werden auch Hybrid-Schaltkreise angeboten, die zusätzlich sogar die Spule enthalten.