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Gleichspannungswandler - welche soll ich wählen?

2021-02-12

Gleichspannungswandler

Jedes elektronische Gerät benötigt eine geeignete Stromquelle. In den meisten Fällen stecken wir den Stecker einfach in die Steckdose. Es ist jedoch anzumerken, dass nur wenige Geräte mit 230 V Wechselstrom in der Steckdose verfügbar sind, während Geräte viel häufiger Gleichspannung mit einem viel geringeren Potenzial benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Um diese Spannung zu liefern, entwerfen Gerätehersteller entsprechende, oft sehr weit ausgebaute Leistungsteile oder statten das Gerät mit einem Anschluss aus, an den wir das Endstück eines klassischen Steckernetzteils anschließen. Es kann auch vorkommen, dass das Gerät für einen ordnungsgemäßen Betrieb mehrere Spannungen mit unterschiedlichen Werten benötigt. In diesem Fall müssen die Entwickler die Eingangsspannung richtig senken oder manchmal auch erhöhen.

Drei Arten der Stromversorgung: Wechselrichter, Spannungsteiler, linearer Spannungsregler

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten zur Stromversorgung: Das Leistungsteil kann auf einem Spannungsteiler, einem linearen Spannungsregler oder einem Wandler basieren. Jede der Methoden kann verwendet werden, um die Spannung zu senken, aber nur Wandler können sie erhöhen.

Spannungsteiler

Die erste Möglichkeit der Implementierung des Versorgungsteils, die wir finden können, sind Systeme, die auf Spannungsteiler basieren. Der Betrieb eines solchen Systems basiert auf dem Ohmschen Gesetz und der an einzelnen Widerständen abgelagerten Spannung. Durch Manipulieren ihres Wertes können wir eine Spannung mit einem beliebigen Wert am Ausgang erhalten, die jedoch niedriger als die Eingangsspannung ist. Diese Methode zur Stromversorgung des Geräts weist jedoch einige Nachteile auf. Der erste ist die Stromeffizienz - Spannungsteiler bestehen aus Widerständen, deren Leistung normalerweise sehr gering ist. Jeder höhere Strom verbrennt die Widerstände sehr schnell. Natürlich können leistungsstärkere Widerstände verwendet werden, aber dies würde den Preis eines solchen Systems erheblich erhöhen. Der zweite gravierende Nachteil ist die Tatsache, dass der Teiler immer in Bezug auf einen bestimmten Wert der Eingangsspannung ausgelegt ist. Wenn er erhöht oder verringert wird, ändert sich auch die Ausgangsspannung.

 

Spannungsteiler Das Schema eines einfachen Spannungsteilers.

Lineare Spannungsregler

Lineare Spannungsregler sind die zweite Option, dank der wir die Eingangsspannung senken werden. Meistens in Form von Elementen mit drei Beinen hergestellt, sind sie in Verbrauchergeräten weit verbreitet. Ihre Aufgabe ist sehr einfach - die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung konstant zu halten. Es soll natürlich beachtet werden, dass die Eingangsspannung höher sein muss als die Ausgangsspannung. Die Elemente dieses Typs zeichnen sich durch einen niedrigen Preis aus, haben jedoch ein Problem mit der Wärmeerzeugung. Jeder lineare Spannungsregler muss die Differenz zwischen der Eingangsspannung und dem gewünschten Wert der Ausgangsspannung in Wärmeenergie umwandeln. Infolgedessen erwärmen sich die Elemente selbst bei geringen Strömen sehr schnell, was die Verwendung zusätzlicher Kühlkörper erzwingt, die natürlich zu höheren Kosten einer solchen Lösung führt.

 

L7805ACV Linearer Spannungsregler:
L7805ACV

Spannungswandler

Die dritte Möglichkeit zur Implementierung des Stromversorgungssystems ist die Verwendung des Spannungswandlers . Er besteht aus mehreren Grundelementen: einer Spule, einem Schalttransistor, Kondensatoren, Widerständen und einer Siliziumdiode. Wie leicht zu erkennen ist, ist der Spannungswandler im Vergleich zu den zuvor vorgestellten Lösungen ein viel komplexeres Gerät. Sie sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich und können die Ausgangsspannung im Verhältnis zur Eingangsspannung sowohl erhöhen als auch verringern.

OKY3497-5 Wandler: OKY3497-5

Warum ist es empfehlenswert, einen Spannungswandler zu wählen?

Spannungswandler zeichnen sich durch eine Eigenschaft aus, die beim Entwurf elektronischer Geräte nützlich ist - den Wirkungsgrad. Wie wir bereits wissen, sind die Leistungsverluste ein ziemlich großer Nachteil von linearen Spannungsreglern. In dieser Hinsicht sind Wandler viel wirtschaftlicher. Jeder Spannungswandler hat einen als Wirkungsgrad definierten Parameter, der als Prozentsatz ausgedrückt wird und sich auf das Verhältnis der Ausgangsleistung zur von der Quelle bezogenen Leistung bezieht. Mit anderen Worten, wenn die Vorrichtung einen Wirkungsgrad von 80% hat, bedeutet dies, dass 20% in Form von Wärme verloren gehen, die hauptsächlich auf den Transistor und die Spule abgegeben wird. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass der Wirkungsgrad kein konstanter Wert ist und von den Betriebsbedingungen des Wandlers abhängt, hauptsächlich von der Versorgungsspannung, der Ausgangsspannung und dem Laststrom.

Trotz der Vorteile haben Spannungswandler auch einen Nachteil, nämlich die Interferenz. Aufgrund seines Aufbaus und Funktionsprinzips ist die Ausgangsspannung des Wandlers nicht vollkommen konstant. Dies kann ein Problem sein, wenn wir einen Stromkreis mit Strom versorgen müssen, der eine vollkommen konstante Spannung benötigt. In diesem Fall sind die RC-Filter einzusetzen.

Spannungswandler können dank ihrer geringen Abmessungen und ihres hohen Wirkungsgrades fast überall eingesetzt werden. Bei der Entwicklung eines beliebigen Geräts lohnt es sich, diese Art von Elementen auszuwählen.

Spannungswandler - wie funktioniert das?

Der Spannungswandler ist ein Impulselement, das in einfachen Worten die Spannung durch das Umschalten senkt (abwechselndes Ein- und Ausschalten). Es ist ein Prozess, der so schnell ist, dass er den Betrieb des mit Strom versorgten Geräts oder Systems nicht beeinträchtigt. Das Steuerelement für das erwähnte Schalten in DC/DC-Wandlern ist normalerweise ein MOSFET-Transistor. Damit jedoch am Ausgang des Geräts Gleichspannung auftritt, sind zusätzliche Elemente wie Kondensatoren und eine Spule (Drossel) erforderlich. Während die Kondensatoren hier nur die Rolle von Filtern spielen, ist das induktive Element so ausgelegt, dass es Energie speichert, während das Gerät arbeitet, um sie später abzugeben. Zusätzlich muss eine Siliziumdiode in der Wandlerschaltung platziert werden, um die Richtung des fließenden Stroms zu steuern.

Spannungswandler: Arten

Es gibt verschiedene Arten von Spannungswandlern auf dem Markt, von denen zu den beliebtesten gehören:

  • Abwärtswandler – er verringert die Spannung,
  • Aufwärtswandler – er erhöht die Spannung,
  • Step-Up / Down-Wandler (SEPIC) – Das Gerät kann die Eingangsspannung sowohl erhöhen als auch verringern.

OKY3497-4 Wandler: OKY3497-4

Dazu gibt es auch andere Konstruktionen, von denen am interessantesten sind:

  • Vorwärtswandler (Drosselklappenwandler) – eine Art des DC/DC-Wandlers, auf einem Transformator basiert. Es ist ein Eintakt-Element - die der Quelle entnommene Energie wird in Echtzeit an den Ausgang übertragen. Dank der Verwendung eines Transformators ermöglicht ein Vorwärts-Netzteil eine galvanische Trennung von Eingang und Ausgang. Drosselklappenwandler werden in Impulsstromversorgungen, deren Leistung mehrere hundert Watt nicht überschreitet, und in Wechselrichterschweißmaschinen verwendet.
  • Flyback-Wandler – eine Art DC/DC-Wandler, der auch eine galvanische Trennung von Eingang und Ausgang verwendet. Es ist eine Zweitaktvorrichtung, bei der im ersten Takt die Energie im Magnetfeld der Spule gespeichert wird, um im zweiten Takt zurückgegeben zu werden. Die Systeme diesen Typs werden hauptsächlich in Schaltnetzteilen mit geringem Stromverbrauch verwendet.

Spannungswandler: Worauf sollten Sie bei der Auswahl achten?

Die Wahl des richtigen Spannungswandlers hängt hauptsächlich von der zu entwerfenden Installation ab. Wenn wir ein kleines tragbares Gerät entwerfen möchten, lohnt es sich, auf Konverter in Miniaturversion aufmerksam zu werden. Bei größeren Geräten können wir Wandler mit größeren Abmessungen und einem eingebauten Kühlkörper verwenden, um die Wärmeableitung zu erleichtern. Zusätzlich muss man den Typ des Konverters festlegen, der benötigt wird - step-up, step-down oder step-up/down.

Wenn wir so wenig Energie wie möglich verschwenden wollen, lohnt es sich, uns mit Spannungswandlern mit höchstem Wirkungsgrad auszustatten. Standardmäßig liegt der Wirkungsgrad dieses Gerätetyps im Bereich von 80 bis 95%. Darüber hinaus sollten die grundlegenden Parameter des Wandlers beachtet werden, wie z.B. maximaler Ausgangsstrom, Ausgangs- und Eingangsspannungsbereich.

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