Die Stromversorgung mit dem Step-Down-Wandler oder Abwärtswandler

Step-Down-Spannungswandler

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. 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:

  • 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. Während der darauf folgenden Ausschaltphase liegt die Ausgangsspannung an der Spule an. Der Ausgangsstrom nimmt 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.

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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 beim Volllastbetrieb 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 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 des Step-Down-Wandlers, 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 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 aber 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. Schaltungen dieser Art kommen auch in anderen Bereichen zur Anwendung, beispielsweise auf Computer-Mainboards zur Stromversorgung von Prozessoren sowie in vielen anderen Bereichen.

Computermainboard mit Spannungsreglern im linken Bereich
Computermainboard mit Spannungsreglern im linken Bereich

Probleme beim Einsatz von Step-Down-Wandlern

 

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 Pfeifen oder Brummen auf, die den Betrieb solcher Geräte mitunter unmöglich machen können.

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