Wie funktioniert ein Step-Down-Spannungswandler oder auch Abwärtswandler und wozu wird er verwendet? Darum geht es in diesem Beitrag.
Was ist ein Step-Down-Spannungswandler?
Schließen Sie Ihr Handy-Ladekabel an der 12-Volt-Steckdose im Auto an, verwenden Sie Ihren PC daheim oder den Laptop, setzen sie damit eine solche Schaltung in Betrieb.
Es handelt sich um nichts anderes als um eine Schaltung, die eine hohe Eingangsspannung in eine geringere umwandelt.
Doch wie funktioniert so ein Step-Down-Wandler eigentlich und warum verwendet man ihn in vielen Geräten statt integrierter linearer Spannungswandler wie solchen der 78XX- oder 79XX-Reihe?
Darum geht es in diesem Beitrag.
In vielen Ladekabeln für Handys, Anschlusskabeln für Navigationsgeräte oder USB-Adaptern für den Zigarettenanzünder des Autos findet man sie: Spannungswandler mit einer Ausgangsspannung von meist 5,0 Volt, die mithilfe von so genannten Step-Down-Wandlern oder auch Abwärtswandlern umgesetzt wurden.
Step-Down-Spannungswandler, auch als Abwärtswandler (oder englisch step-down converter oder buck converter) bezeichnet, sind heute ein wichtiger Bestandteil vieler elektronischer Geräte. Sie reduzieren elektrische Spannungen und ermöglichen es, elektronische Geräte wie Mobilgeräte, Navigationsgeräte oder Computerschaltungen über das Bordnetz im Auto mit Strom zu versorgen oder deren Akkus wieder aufzuladen.
Und sie kommen in PCs, Laptops und vielen anderen Geräten zum Einsatz, um intern unterschiedliche Spannungen zur Verfügung zu haben.
Step-Down-Spannungswandler als Gleichspannungswandler
Es handelt sich um elektronische Gleichspannungswandler, bei denen die Ausgangsspannung geringer ist als die Eingangsspannung. Die Schaltung oben im Bild wurde mithilfe eines ICs aufgebaut. Dieses IC enthält die wichtigsten Komponenten eines solchen Spannungswandlers und ermöglicht den Aufbau der kompletten Schaltung auf einer winzig kleinen Platine, die in einen Stecker für den Zigarettenanzünder passt.
Die kleine Platine befand sich ursprünglich in einem solchen Stecker, der für die Stromversorgung eines Navigationsgerätes im Auto benötigt wurde. Doch zunächst soll es um den Aufbau und die Funktion einer solchen Schaltung gehen.
Hier ist das so genannte Prinzipschaltbild eines solchen Step-Down-Wandlers zu sehen. Bei diesem Schaltbild gibt es nur darum, die grundsätzliche Funktion eines solchen Spannungswandlers verständlich zu machen. Der Schalter mit der Bezeichnung „S“ ist kein Schalter im eigentlichen Sinn. Es handelt sich vielmehr um einen symbolisierten Schalttransistor, der die Eingangsspannung in sehr schneller Folge auf die Schaltung gibt.
Nun zur Funktion der Step-Down-Wandler oder Abwärtswandler
- Während der Einschaltzeit (wenn der Transistor bzw. Schalter geschlossen ist) fließt ein Strom durch die Spule L und lädt den Kondensator C auf. Die Diode D ist in diesem Zustand gesperrt, durch sie fließt in diesem Moment kein Strom. Die Spannung am Ausgang steigt an.
- Ist der Schalter geöffnet (also während der Ausschaltphase), wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut, und zwar durch die Diode. Der Kondensator entlädt sich über den am Ausgang der Schaltung angeschlossenen Verbraucher.
Während der Einschaltphase werden sowohl der magnetische Speicher in Form der Spule als auch der Kondensator geladen. Der Ausgangsstrom steigt in dieser Phase kontinuierlich an.
In der darauf folgenden Ausschaltphase liegt die Ausgangsspannung an der Spule an. Der Ausgangsstrom nimmt nun kontinuierlich ab. Je länger die Einschaltzeit ist, desto weiter steigt die Ausgangsspannung an. Über eine entsprechende Taktung (die Bestimmung der Einschalt- und Ausschaltzeiten) kann also die Höhe der Ausgangsspannung bestimmt werden.
Ein Step-Down-Spannungswandler arbeitet also durch schnelles Ein- und Ausschalten eines Transistors und den darüber gesteuerten Strom durch eine Spule. Die Spule dient dabei als Energiespeicher, die ihre während der Einschaltphase gespeicherte Energie während der Ausschaltphase über eine Diode an den Verbraucher abgibt.
Die Spannung am Ausgang kann dabei durch die Pulsweite (also die Dauer des Ein- und Ausschaltens des Transistors) gesteuert werden.
Volllastbetrieb und Niederlastbetrieb
Ist am Ausgang der Schaltung einen Verbraucher mit einem hohen Strombedarf angeschlossen, arbeitet die Schaltung im Volllastbetrieb, der häufig auch als Continous-Mode (kontinuierlicher Betrieb) bezeichnet wird.
Ist während des Volllastbetriebs der Transistor (der im Schaltbild symbolisch als Schalter dargestellt wird) durchgeschaltet, erhöht sich auch die in der Spule gespeicherte Energiemenge, bei geöffnetem Transistor verringert sie sich.
Die Induktivität in Form der Spule wird dabei aber nie komplett entladen. Bevor die Spule stromlos wird, schaltet der Transistor schon wieder durch und die Spannung am schalterseitigen Anschluss der Spule steigt wieder auf den Wert der Eingangsspannung an.
Besteht nur geringer Energiebedarf an der Ausgangsseite von einem Step-Down-Spannungswandler, wird auch am Eingang der Schaltung eine wesentlich geringere Energiemenge benötigt.
Diese kann nun in einer wesentlich kürzeren Zeit zum Ausgang übertragen werden. Auch der Strom durch die Spule kann während dieser Phase, die auch als Discontinous Mode (nichtkontinuierlicher Betrieb) bezeichnet wird, auf fast Null zurückgehen. Die Spule kann also während dieser Phase komplett entladen werden. Der Speicherkondensatorausgang der Schaltung sorgt in dieser Zeit für eine ausreichend hohe Ausgangsspannung.
Einsatzbereiche vom Step-Down-Wandler bzw. Abwärtswandler
Schaltungen dieser Art werden überall dort eingesetzt, wo relativ niedrige Ausgangsspannungen benötigt werden, diese zum Teil mit relativ hohen Ausgangsströmen.
Ein gutes Beispiel dafür ist die Ladeschaltung für ein Navigationsgerät im Auto. Das Navigationsgerät mit Strom versorgt werden, außerdem muss genügend Energie zur Verfügung stehen, um den im Gerät eingebauten Akku aufzuladen.
Abwärtswandler haben deutlich geringere Verluste als andere Spannungsregler wie lineare Spannungsregler, besonders wenn sie Spannungen erzeugen, die deutlich unter der Eingangsspannung liegen. Außerdem benötigen Längsregler einen höheren Eingangsstrom als Ausgangsstrom, verhält es sich bei Abwärtswandlern umgekehrt. Der mittlere Eingangsstrom ist hier oft sogar niedriger als der Strom, der an den Verbraucher abgegeben wird.
Abwärtswandler finden in vielen Bereichen Anwendung.
- Man setzt sie ein, um die Prozessoren in Computern, Servern und Notebooks mit niedrigen Spannungen von etwa 1,2 bis 3,5 Volt zu versorgen. Ebenso kommen sie in Ladegeräten für Akkus oder bei der Stromversorgung von LEDs für Beleuchtungszwecke zum Einsatz.
- In Fahrzeugen wie Lastwagen oder Schiffen wandeln sie die Bordspannung von 18 bis 30 Volt in kleinere Spannungen von 12 oder 5 Volt um.
- Weitere Anwendungsbeispiele sind die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren oder der Betrieb von Peltierelementen, die zum Kühlen oder Heizen dienen.
- Auch in Stromquellen für Halbleiterlaser werden Abwärtswandler häufig verwendet.
Spannungswandler-ICs
Zur Realisierung von Abwärtswandlern stehen integrierte Schaltkreise zur Verfügung, die die wesentlichen Halbleiterkomponenten enthalten. Diese ICs sorgen für eine stabile Ausgangsspannung und schützen die Leistungshalbleiter vor Überlastung. Das gilt auch dann, wenn sich die Lastbedingungen am Ausgang der Schaltung ändern. Für Anwendungen mit geringeren Leistungen werden oft Hybridschaltungen verwendet, die auch Bauteile wie Speicherdrosseln und Kondensatoren enthalten.
Ein typisches Merkmal von Schaltreglern ist, dass ihre Ausgangsspannung durch die Schaltzyklen leichte Schwankungen aufweist, die als Welligkeit oder „Ripple“ bezeichnet werden. In einigen Fällen wird diese Welligkeit durch LC-Filter oder nachgeschaltete Linearregler geglättet, insbesondere in Anwendungen, die eine besonders stabile Spannung erfordern. Schaltregler können auch Störungen verursachen, sowohl über die Leitungen als auch durch Funkwellen. Mehr dazu finden Sie weiter unten.
Auch die meisten der USB-Ladegeräte für das Bordnetz sind mit solchen Step-Down-Wandlern ausgestattet, um eine 5-Volt-Gleichspannung aus dem 12-Volt-Bordnetz zu gewinnen.
Aber Schaltungen dieser Art kommen auch in anderen Bereichen zur Anwendung, beispielsweise auf Computer-Mainboards zur Stromversorgung von Prozessoren sowie in vielen anderen Bereichen.
Interessant an dieser Technologie ist, dass sie sehr effizient arbeitet. Während lineare Spannungsregler, wie sie auch heute noch häufig verwendet wurden, überschüssige Energie in Form von Wärme abführen müssen, nutzen Step-Down-Wandler die Energie der Eingangsspannung viel besser aus.
Sie benötigen deshalb bei gleicher Leistung weniger Kühlung.
Dies führt zu einer erheblich höheren Effizienz, was für eine Energieersparnis sorgt. Besonders bei mobilen Anwendungen, bei denen die Batterielaufzeit wichtig ist, bedeutet das einen enormen Vorteil. Denn Step-Down-Spannungswandler werden deswegen auch in mobilen Geräten wie Laptops eingesetzt.
Probleme beim Einsatz vom Step-Down-Spannungswandler
Die hohe Taktfrequenz, mit der Step-Down-Wandler arbeiten, kann mitunter zum Problem werden. So können zum Beispiel Verstärkerschaltungen in ihrem Betrieb beeinträchtigt werden, ebenso Funkempfänger oder ähnliche Geräte.
Hier treten häufig Störgeräusche in Form von starkem Rauschen oder Brummen auf. Diese machen den Betrieb solcher Geräte mitunter unmöglich.
Ein weiteres Problem entsteht manchmal durch kleine Schwankungen in der Ausgangsspannung. Diese entstehen ebenfalls durch die Schaltvorgänge und die Spannungsregelung des Step-Down-Spannungswandlers. Bei empfindlichen Geräten, etwa solchen im Bereich der Audiotechnik, kann dies zu Störgeräuschen im Ausgangssignal führen.
Auch wenn Step-Down-Wandler sehr effizient arbeiten, kann sich dennoch etwas Wärme entwickeln, besonders bei sehr hohen Ausgangsströmen. Wenn die Schaltung dann nicht gut gekühlt wird, kommt es zu einer Überhitzung, was die Lebensdauer der Bauteile deutlich verkürzt.
Um diese Störungen zu reduzieren, werden Filter eingesetzt. Kondensatoren oder andere Bauteile können die Störsignale dämpfen. Auch eine günstige Anordnung der Bauteile auf der Platine und eine gute Abschirmung der Schaltung helfen, elektromagnetische Störungen zu vermeiden oderr zumindest deutlich zu reduzieren.
Ein weiteres mögliches Problem tritt bei geringer Last am Ausgang der Schaltung auf.
Wenn der Wandler nur wenig Energie liefern muss, kann die Ausgangsspannung instabil werden. Manche Wandler verwenden dafür spezielle Regelungen, um auch bei geringer Last stabil zu bleiben. Allerdings können auch diese zusätzlichen Schaltvorgänge neue Störungen erzeugen.
Übersicht Spannungswandler- und Spannungsregler-ICs
Hier ist eine Tabelle mit verschiedenen Spannungswandler-ICs und deren Eigenschaften.
Es geht um den Vergleich verschiedener Spannungswandler-ICs, was den Wirkungsgrad, die Funktionalität und die Ausgangsleistung angeht. Wie Sie sehen können, sind darin auch Step-up-Spannungswandler enthalten, die eine höhere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung abgeben können.
| IC-Modell | Regler-Richtung | Wirkungsgrad | Funktionalität | Leistung |
|---|---|---|---|---|
| LM2596 | Step Down | 73% | Strombegrenzung, Übertemperaturschutz, geringer Leerlaufverlust | 3A, bis 125°C |
| XL4005 | Step Down | 90% | Strombegrenzung, Übertemperaturschutz, Unterspannungsschutz | 5A, bis 125°C |
| XL4015 | Step Down | 93% | Strombegrenzung, Übertemperatur- und Überspannungsschutz | 5A, bis 125°C |
| XL6009 | Step Up / Step Down / Invers | 92% | Strombegrenzung, Übertemperatur- und Überspannungsschutz | 4A, bis 125°C |
| XL6019 | Step Up / Step Down / Invers | 93% | Strombegrenzung, Übertemperatur- und Überspannungsschutz | 5A, bis 125°C |
| MP1484 | Step Down | 95% | Strombegrenzung, Unterspannungsschutz | 3A, bis 85°C |
| MT3608/SX1308 | Step Up | 97% | Sehr hohe Effizienz | 4A, bis 85°C |
| LM1577/LM2577 | Step Up | 80% | Strombegrenzung, Übertemperaturschutz, Unterspannungsschutz | 3A, bis 150°C |
| LM2587 | Step Up | 75% | Strombegrenzung, Übertemperaturschutz, Unterspannungsschutz | 5A, bis 125°C |
Informationen zum Step-Up-Wandler finden Sie in diesem Beitrag. Hier geht es darum, aus einer Gleichspannung eine höhere Ausgangsspannung zu gewinnen, zum Beispiel 12 Volt aus 5 Volt. Wenn Sie sich für Schaltnetzteile und mögliche Defekte können Sie auch im verlinkten Beitrag nachlesen.
