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Sep 02, 2023

Was ist ein Schaltspannungsregler?

Die Erzeugung stabiler Spannungen, die große Strommengen treiben können, ist eine der grundlegenden Aufgaben des Elektronikdesigns. Ein Grundmodell für eine elektronische Niederspannungsschaltung reicht aus

Die Erzeugung stabiler Spannungen, die große Strommengen treiben können, ist eine der grundlegenden Aufgaben des Elektronikdesigns. Ein Grundmodell für eine elektronische Niederspannungsschaltung sieht etwa so aus:

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen. Als ich anfing, Schaltungen zu entwerfen, verwendete ich, wann immer möglich, lineare Spannungsregler – wie den ehrwürdigen 7805. Heutzutage lässt sich jedoch nicht leugnen, dass Schaltregler oft die bessere Methode sind, und meiner Erfahrung nach sind sie in der Regel auch die bessere Methode.

In diesem Artikel besprechen wir die Nomenklatur und untersuchen anschließend die Grundprinzipien der Schaltregulierung.

„Schalt-(Spannungs-)Regler“ ist vielleicht der gebräuchlichste und bekannteste Begriff zur Bezeichnung dieser Schaltungsklasse. Allerdings werden Ihnen auch verschiedene Kombinationen der folgenden Begriffe angezeigt:

Eigentlich bevorzuge ich „Schaltregler“ oder „Schaltnetzteil“, weil „Schaltmodus“ die Natur dieser Schaltkreise besser zum Ausdruck bringt: Schalten ist der Modus, in dem sie ihre Aufgabe erfüllen, Spannung zu regulieren oder umzuwandeln.

Alle diese Begriffe unterliegen einer Mehrdeutigkeit, die selten zu Problemen führt, aber dennoch erwähnenswert ist: „Schaltregler“ oder „Schaltnetzteil“ könnte sich theoretisch auf einen Schaltkreis beziehen, der mithilfe von Schaltern in Verbindung mit einem der beiden eine Stromschiene erzeugt Induktivität oder Kondensator.

In der Praxis sind die oben genannten Begriffe jedoch induktorbasierten Schaltern vorbehalten. Abbildung 1 ist ein Beispiel eines induktorbasierten Schaltmodusreglers. Die überwiegende Mehrheit der Schaltnetzteile basiert auf Induktivitäten. Diese werden im Mittelpunkt dieses Artikels stehen.

Schalter auf Kondensatorbasis, wie die Beispielschaltung in Abbildung 2, werden üblicherweise als „Ladepumpen“-Netzteile oder „Schaltkondensator“-Netzteile bezeichnet. Die Abbildungen 1 und 2 sind Beispiele für Schaltungen, die eine Ausgangsspannung erzeugen, die höher als die Eingangsspannung ist.

Betrachten wir nun einen Linearregler, wie in Abbildung 3 dargestellt. Linearregler können nur die Spannung reduzieren, sodass wir wissen, dass die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist.

Ein Linearregler benötigt zum Betrieb eine geringe Strommenge; Dies wird als Erdstrom bezeichnet. Der Erdstrom ist oft vernachlässigbar klein. Ignorieren wir ihn also und gehen wir davon aus, dass der Strom, der in den Regler fließt, gleich dem Strom ist, der aus dem Regler heraus und in den gespeisten Lastkreis fließt.

Denken wir nun über Macht nach. Wir berechnen die elektrische Leistung als Spannung mal Strom, und da der Ausgang den gleichen Strom, aber eine niedrigere Spannung im Vergleich zum Eingang hat, muss irgendwo Leistung verloren gehen. Sie können sich auch vorstellen, dass der Linearregler ein einfaches Widerstandselement mit Spannungsabfall ist:

$$V_{DROP} = V_{IN} - V_{OUT}$$

In diesem Fall beträgt die Verlustleistung des Linearreglers PREG:

$$P_{REG} = V_{DROP} \cdot I_{LOAD}$$

Eine der Komponenten in einem Linearregler ist tatsächlich ein Schalter – kein elektromechanischer Schalter, sondern ein Transistor, der als rein elektrischer Schalter fungieren kann. Allerdings bezeichnen wir einen Linearregler nicht als Schaltregler, da der Schalter nicht ein- und ausschaltet; Stattdessen arbeitet der Schalter in einem Zwischenzustand, in dem er einen erheblichen Widerstand aufweist. Dieser Widerstand führt zu einer Verlustleistung und ermöglicht eine Spannungsreduzierung.

Die lineare Regulierung ist einfach und äußerst effektiv, aber ineffizient. Der Schalter arbeitet in einem mittleren Widerstandszustand und gibt potenziell große Energiemengen als Wärme ab. Sofern Sie nicht möchten, dass Ihr Regler als Regler und elektrische Heizung fungiert, wird diese Energie verschwendet.

Dies führt uns zum Konzept eines Schaltreglers. Wenn wir den Schalter vollständig ein- oder ausgeschaltet lassen können – mit anderen Worten, wenn wir diesen Zwischenbereich mit hoher Verlustleistung vermeiden können – können wir einen viel effizienteren Regler schaffen. Unsere Diskussion des Linearreglers legt jedoch nahe, dass die verschwendete Energie für die Spannungsreduzierung notwendig ist. Was zu tun?

Hier kommt der Induktor ins Spiel. Ein Induktor speichert und gibt Energie so ab, dass sich der Strom durch den Induktor nicht sofort ändern kann. Der Ein-/Ausschaltvorgang führt zu einem Induktorstrom, der allmählich ansteigt und abnimmt. Wenn eine Induktivität mit einem Kondensator kombiniert wird, kann der resultierende LC-Filter eine Ein-/Aus-Wellenform in eine relativ stabile Spannung glätten. Die Größe der geglätteten Spannung wird durch das Tastverhältnis der Ein/Aus-Wellenform bestimmt.

Schauen wir uns zum Beispiel Abbildung 4 an. Nach der Filterung entsprechen unterschiedliche Arbeitszyklen (in diesem Beispiel 10 %, 50 % und 90 %) unterschiedlichen Gleichspannungspegeln (angezeigt durch die roten Kurven). Diese Gleichspannungspegel sind nicht vollkommen flach, da nach der Filterung eine gewisse Welligkeit verbleibt.

So können wir den Schalter mit hoher Frequenz ein- und ausschalten und dann Pulsweitenmodulation und Filterung verwenden, um die gewünschte DC-Ausgangsspannung zu erzeugen. Wir können auch ein Rückkopplungssignal überwachen und den PWM-Arbeitszyklus entsprechend den Lastbedingungen anpassen. Dies ist die grundlegende Funktionsweise in Schaltreglerschaltungen: induktive Filterung zur Bereitstellung eines konstanten Laststroms trotz Ein-/Aus-Schaltvorgang; Feedback und PWM zur Spannungsregelung.

Auch wenn der Schalter mit hoher Frequenz arbeitet, verbringt er die meiste Zeit in den Zuständen mit geringer Verlustleistung (dh im vollständig eingeschalteten und vollständig ausgeschalteten Zustand). Aus diesem Grund können Schaltregler wesentlich effizienter sein als Linearregler.

Natürlich gibt es viele Details und Variationen, die ich nicht erwähnt habe, aber wenn Sie das alles verstehen, haben Sie eine solide Grundlage für weitere Studien.

Abbildung 5 zeigt die Grundtopologie eines Abwärtswandlers, auch Abwärtswandler genannt. Es verwendet einen Schaltbetrieb, um die Größe einer DC-Eingangsspannung zu reduzieren. (Beachten Sie, dass es sich streng genommen nicht um einen Spannungsregler handelt, da er nicht über das Rückkopplungssubsystem verfügt, das zur Aufrechterhaltung einer stabilen Spannung trotz variabler Lastbedingungen erforderlich ist.)

In einem zukünftigen Artikel werden wir die in diesem Artikel erlernten Prinzipien nutzen, um das Verhalten des Abwärtswandlers im Detail zu untersuchen.