Aufwärtswandler
Der Aufwärtswandler, auch Hochsetzsteller oder Aufwärtsregler, englisch Boost-Converter oder Step-Up-Converter, ist in der Elektronik eine Form eines Gleichspannungswandlers. Der Betrag der Ausgangsspannung UA ist im Allgemeinen größer als der Betrag der Eingangsspannung UE.
Aufbau und Funktion
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Eine Induktivität (Spule) L ist in Reihe mit einer Freilaufdiode D geschaltet, hinter der ein Ladekondensator C die Ausgangsspannung aufnimmt. Es ist ein geeigneter Schalter S (beispielsweise ein Transistor (MOSFET) oder ein GTO-Thyristor) vorhanden, der von einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Ansteuerschaltung regelmäßig (üblicherweise einige hundert bis mehrere Millionen Mal je Sekunde) ein- und ausgeschaltet wird. Die Spule wird durch den Schalter gegen das Bezugspotential (Masse) geschaltet. An der Spule fällt nun näherungsweise die Eingangsspannung UE ab ; der Strom durch die Spule und damit die im Magnetfeld gespeicherte Energie steigen an. Wird der Schalter S ausgeschaltet, versucht die Spule den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Die Spannung an ihrem sekundären Ende steigt sehr schnell an, bis sie die am Kondensator C anliegende Spannung UA übersteigt und somit die Diode leitet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Das Magnetfeld wird dabei abgebaut und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Diode in den Ladekondensator sowie zur Last treibt. Mit dem Abbau des Magnetfeldes sinkt auch die Stromstärke. Zu unterscheiden ist, ob der Strom durch die Spule währenddessen bis auf Null absinkt oder nicht. Die daraus resultierenden Betriebsarten werden lückender bzw. nichtlückender Betrieb (engl. Discontinuous (current) mode bzw. Continuous (current) mode) genannt. Welche Betriebsart sich einstellt, hängt von der Auslegung der Schaltung und den Bedingungen an Eingangs- und Lastseite ab; die Betriebsarten führen jeweils zu einem grundsätzlich anderen Betriebsverhalten des Aufwärtswandlers. Die Kapazität des Kondensators ist so ausgelegt, dass die Ausgangsspannung während eines Arbeitszyklus näherungsweise als konstant betrachtet werden kann.
Eigenschaften
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Ausgangsspannung eines Aufwärtswandlers ist normalerweise höher als die Eingangsspannung (im Gegensatz zum Abwärtswandler). Ist der Schalter S dauerhaft ausgeschaltet, wird in diesem Fall die Ausgangsspannung durch die Spannungsabfall der Diode (Schwellenspannung) sowie den Kupferwiderstand der Spule begrenzt. Die Schaltung ist (in ihrer einfachsten Bauweise) weder kurzschluss- noch leerlauffest, beides kann aber durch zusätzlichen Schaltungsaufwand sichergestellt werden. Im Prinzip ist die mittlere Ausgangsspannung unabhängig vom Laststrom (solange dieser einen bestimmten Minimalwert überschreitet, so dass Bedingungen für nichtlückenden Betrieb herrschen). Dennoch wird häufig die Pulsbreite der Schalteransteuerung durch eine Regelschaltung moduliert, insbesondere, wenn die Ausgangsspannung variabel oder der Strom geregelt sein soll (beispielsweise bei Ladegeräten). Aufwärtswandler kann man gut verwenden, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen oder um eine stark schwankende Eingangsspannung auszuregeln.
Anwendungsbeispiele
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Die Grundschaltung eines Aufwärtswandlers wird in Gleichspannungswandlern eingesetzt, deren Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist, z. B.:
- batteriebetriebene Geräte, die an einer oder wenigen Zellen arbeiten
- Erzeugung von 24 V aus einer 12 V-Autobatterie
- Ansteuerung von Common-Rail-Injektoren
- Erzeugung von 500 V aus 12 V für den Betrieb einer Kondensatorzündung
- Betrieb einer oder mehrerer Leuchtdioden an einer einzelnen Batteriezelle
- Gleichspannungs-Seite von Wechselrichtern bei Photovoltaikanlagen
Das gleiche Prinzip, jedoch mit einem Transformator anstelle der Spule, wird in Schaltnetzteilen kleiner Leistung angewandt (sog. Sperrwandler). (Bei diesem Transformator wird die aufgenommene Eingangsleistung nicht (wie beim üblichen Wechselstrom-Transformator) zeitgleich am Ausgang abgegeben; vielmehr sollte man sich den Transformator eher als Speicherdrossel mit zwei galvanisch getrennten Wicklungen vorstellen: Die Energieaufnahme und -abgabe der Drossel erfolgt durch die beide Wicklungen in zeitlich getrennten Phasen.)
Die Schaltung wird auch in PFC- (engl. Power Factor Correction für Leistungsfaktorkorrektur) Eingangsstufen verwendet, die geräteintern eine Zwischenkreisspannung von typisch 400 V Gleichspannung bereitstellen. Die Ansteuerschaltung sorgt hierbei dafür, dass der (gefilterte) zeitliche Verlauf der Stromaufnahme am Eingang der PFC-Schaltung dem Verlauf der (Netz-)Eingangsspannung (wie bei einem ohmschen Widerstand) folgt. So werden Verunreinigungen des Netzes durch nichtsinusförmigen Stromfluss (Oberschwingungen) stark vermindert. Ursache der Oberschwingungen ohne PFC sind die Ladestromstöße über den Diodengleichrichter in den Zwischenkreiskondensator; siehe dazu den Artikel Stromflusswinkel.
Verallgemeinerung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Wird im obigen Schaltschema die Diode D durch einen weiteren Schalter S2 ersetzt, samt der für die zeitlich korrekte Ansteuerung erforderlichen Steuerlogik, wird daraus der Synchronwandler. Der Name leitet sich von der notwendigen, zeitlich korrekten Ansteuerung der Schalter ab, welche ähnlich wie bei synchronen Gleichrichtern erfolgt. Der Synchronwandler kann dann durch Vertauschen von Eingang und Ausgang direkt in einen Abwärtswandler umgewandelt werden und stellt in der Topologie die Verallgemeinerung des Ab- und Aufwärtswandlers dar.
