Topologien für Leistungswandlergeräte

Die Topologien der Schalter zur Umsetzung dieser Aufgabe von SMPS wurden ständig weiterentwickelt; wobei jeder Typ spezielle Vor- und Nachteile aufwies. Jedoch wird bei allen Typen beim Anlegen einer Spannung über einen Induktor und den dadurch einsetzenden Stromfluss Energie im Induktor gespeichert, und eine der angelegten Spannung entgegengesetzte Spannung erscheint im Induktor. Im Laufe der Zeit wird die entgegengesetzte Spannung im Induktor abgebaut. Wenn die Spannung vor der entgegengesetzten Spannung des Induktors abgebaut wird, entsteht durch die gespeicherte Energie eine Spannung und ein Strom, welcher in entgegengesetzter Richtung zur ursprünglich entgegengesetzten Richtung fließt.

Abwärtswandler

Der Abwärtswandler wird dann verwendet, wenn eine höhere Gleichspannung in einen geringeren DC-Wert konvertiert werden muss. Er wird oft als Ersatz für den sehr ineffizienten Linearregler verwendet, sodass moderne Geräte einen Wirkungsgrad von mindestens 95 Prozent aufweisen.

 

Abbildung 1: Abwärtsregler mit eingeschaltetem Schalter. (Quelle: Learnabout Electronics)


Beim obigen Diagramm ist ein Abwärtsregler stark vereinfacht dargestellt. Beim Einschalten des Schalters (meist ein Leistungs-MOSFET) wird im Induktor (L1) eine der Spannung aus der Quelle entgegengesetzte Spannung erzeugt. Daher erreicht die Spannung über Last und Kondensator (C1) nie den Wert der Eingangsspannung von der Quelle.
 

Abbildung 2: Abwärtsregler mit ausgeschaltetem Schalter. (Quelle: Learnabout Electronics)

Beim Ausschalten des Schalters induziert die in der Spule des Induktors verbleibende Energie eine Spannung in umgekehrter Richtung bzw. in der gleichen Richtung wie der ursprünglich aus der Quelle gelieferten Spannung. Diese Spannung, die immer niedriger als die Quellspannung ist, fließt durch die Last und den Kondensator, sodass die Diode eingeschaltet wird, welche die jetzt getrennte Stromquelle ersetzt und dadurch den Kreislauf vervollständigt.

Daher ist die Spannung über der Last immer geringer als die der Spannungsquelle. Im Kondensator wird Energie gespeichert. Wenn die im Magnetfeld des Induktoren gespeicherte Energie langsam abnimmt, fließt die Ladung des Kondensators weiter in die Last. Der MOSFET wird kontinuierlich ein- und ausgeschaltet, wodurch sich der Zyklus ständig wiederholt. Durch Auswahl der korrekten Werte von Induktor und Kondensator und die automatische Anpassung der Zeiten innerhalb eines Ein-/Aus-Zeitraums, in dem der Schalter geschlossen oder offen ist (der Arbeitszyklus) lassen sich eine beachtliche Stabilität und ein hoher Wirkungsgrad erzielen.

Aufwärtswandler

Beim Aufwärtswandler handelt es sich um einen DC-DC-Wandler, welcher meist zur Erhöhung der Quellenspannung eingesetzt wird, aber auch zur Versorgung mit einer geringeren Spannung dienen kann.


 
Abbildung 3: Aufwärtswandler. (Quelle: The University of Newcastle)

Beim Einschalten des MOSFET-Schalters wird durch die Quellenspannung ein dieser entgegengesetztes Magnetfeld im Induktor aufgebaut. Beim Ausschalten des Schalters wechselt die Spannung wie bereits zuvor die Richtung. Jetzt ergeben Quellenspannung und die vom Induktor erzeugte Spannung gemeinsam mehr als die Quelle allein. Die daraus resultierende höhere Spannung fließt durch die Diode, ermöglicht das Aufladen des Kondensators und fließt durch den Lastwiderstand.

Beim Einschalten des Schalters kann die im Kondensator gespeicherte Ladung nicht durch die Diode fließen, da die Diode Spannung nur in einer Richtung übertragen kann, daher bleibt sie nur mit dem Lastwiderstand verbunden. Wie bisher wird im Induktor Ladung aufgebaut, und der Zyklus wiederholt sich.

Sperrwandler

Dieser Switcher konvertiert von AC- auf DC-Spannung. Da der Quellenstrom vom Schalt-MOSFET ein- und ausgeschaltet und direkt auf einen Transformator geleitet wird, hat dieser Versorgungstyp den weiteren Vorteil der Isolation zwischen der Ausgangsspannung sowie Erde und Netzstrom. Dies ist für viele Anwendungen ausgesprochen wichtig (siehe „Medizinische Stromversorgungen bieten Schutz auf mehreren Ebenen“).

Während das detaillierte Design der Sperrwandler wie bei allen SMPS eine bedeutende Rolle spielt, sind die Grundprinzipien relativ einfach.

 

Abbildung 4: Sperrwandler. (Quelle: Texas Instruments)

Beim Einschalten des Schalters (meist ein Leistungs-MOSFET) wird der Transformator mit Energie versorgt. Das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung des Transformators wird durch das Übersetzungsverhältnis bestimmt. Das “dots” auf der Verkabelung des Transformators zeigt an, dass eine positive Spannung am Eingangskabelbaum zu einer negativen Spannung auf dem sekundären führt. Daher ist die Diode in Sperrrichtung orientiert, sodass keine Spannung fließt, aber in der Wicklung der primären (Eingangs)-Spule ein Magnetfeld entsteht.

Beim Ausschalten des Schalters induziert das im primären Kabelbaum gespeicherte Magnetfeld im sekundären eine entgegengesetzte Spannung. Mit der jetzt vorwärts gerichteten Diode ist ein Stromfluss durch Last und Kondensator möglich. Beim erneuten Einschalten kann die im Kondensator gespeicherte Ladung nur über die Last entladen werden, da die Diode wieder entgegengesetzt gerichtet ist. Wie bei den zuvor beschriebenen SMTPs wiederholt sich der Zyklus, und durch die passende Auswahl von Transformator und Kondensator sowie die dynamische Überwachung des Arbeitszyklus lässt sich der gewünschte Ausgangswert in der Praxis aufrechterhalten.

In vorliegenden Artikel wurden die heute vermutlich drei gängigsten Topologien beschrieben, es gibt aber noch viele weitere. Designer finden einen großen Teil der beschriebenen Schaltkreistechnik auf kommerziell erhältlichen Siliziumchips und eine große Auswahl an vollständigen sofort betriebsbereiten Stromversorgungseinheiten in OEM-Modellen (siehe „Schaltnetzteile erreichen neue Bestwerte beim Wirkungsgrad“). Zudem geht die Entwicklung kleinerer und leichterer Stromrichter mit dem Ziel einer Erhöhung der Effizienz und der damit einhergehenden Verringerung der Wärmeerzeugung immer weiter. Besonders vielversprechend erscheint in diesem Zusammenhang die Topologie der hochfrequenten Resonanzwandlung, die seit Kurzem Eingang in kommerzielle Anwendungen gefunden hat.