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Praxistipp Elektronik und Messtechnik: Kleine DC/DC-Konverter
Präsentiert von ELEKTOR, dem Magazin für Elektronik und Computertechnik
Schaltnetzteile gehören nicht unbedingt zu den beliebtesten Schaltungen von Hobbyelektronikern. Spezialteile sind oft schwer zu beschaffen und teuer, und Fehler werden mit einem lauten und teuren Knall bestraft. Beschränkt man sich aber auf kleine Spannungen und sehr kleine Leistungen, gibt es ein paar universelle und modifizierbare Schaltungen, an denen man die wichtigsten Prinzipien veranschaulichen kann. Die Aufgabe von DC/DC Wandlern ist, eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung umzusetzen. Dabei kann die neue Gleichspannung höher, niedriger, invertiert und oder isoliert von der Eingangsgleichspannung sein. Dementsprechend gibt es mehrere Konverterprinzipien, von denen wir einige besprechen.

Bild 1. Einige DC/DC-Wandler: a) Buck, b) Boost, c) BuckBoost, d) Flyback
Die Grundschaltungen sind in Bild 1 zusammengefasst dargestellt. Die Eingangsspannungen sind mit Uin bezeichnet, die Ausgangsspannung mit Uout. Allen hier gezeigten Schaltungen ist gemeinsam, dass die wesentliche Funktion von einem Schalter S, einer Diode D und einer Spule L erledigt wird.

Zuerst besprechen wir die einfachste Schaltung, den so genannten Down- oder Buck-Konverter, auch als Tiefsetzsteller bekannt. Er setzt eine Eingangs- in eine niedrigere Ausgangsspannung um. Sein Arbeitsprinzip ist wie folgt umrissen: Ist der Schalter S geschlossen, liegt an der Induktivität L eine positive Spannung UL, weil Uin > Uout ist. Deswegen steigt der Spulenstrom linear an. Die Spule nimmt Energie auf. Öffnet man nun den Schalter S, fließt der Strom weiter durch die Spule in den Ausgangskondensator, aber über die Diode D. Jetzt ist die Spulenspannung UL negativ, so dass der Spulenstrom linear sinkt. Die in der Spule gespeicherte Energie wird zum Ausgang transferiert. Dann schaltet man Schalter S wieder ein, und das Spiel beginnt von vorne.

Bild 2. Prinzipielle Stromformen
Welche Spannung am Ausgang erzeugt wird, hängt nun davon ab, wie man den Schalter ansteuert. Dabei können sich prinzipiell drei Arten des Stromverlaufes einstellen, wie sie im Bild 2 dargestellt sind. Ist der Spulenstrom beim Einschalten des Schalters S noch nicht auf Null abgeklungen, fließt ständig ein Spulenstrom: Man spricht vom kontinuierlichen Betrieb (CM Continous Mode). Ist der Spulenstrom wie in b) zeitweilig null, spricht man vom diskontinuierlichen oder lückenden Betrieb (DM discontinous mode). Lässt man den Spulenstrom genau auf Null sinken und schaltet dann sofort den Schalter wieder ein, spricht man von CM/DM Grenzbetrieb. Über die Einschaltdauer beziehungsweise das Puls/Pausenverhältnis kann man nun Ausgangsspannung und übertragene Leistung regeln. Soweit die Theorie, doch nun direkt zu einer einfachen praktischen Schaltung.

LED-Treiber

Die Schaltung (J.S. Rohrer, LED Switching driver Cuts Current Draw to 3 mA, Electronic Design, August 7.th, 2000, Page 130) in Bild 3 versorgt eine LED, ausgehend von einer Betriebsspannung von 9 V mit hohem Wirkungsgrad. Die Bauteile wurden von der Originalschaltung auf europäische Verhältnisse angepasst. Wie funktioniert sie nun im Detail?

Bild 3. Down-Konverter zum LED-Betrieb
Transistor T1 erfüllt die Funktion des Schalters S. Diode D1 und Spule Ll bilden die weiteren Komponenten des Down-Konverters. Nach dem Einschalten sorgt R3 für einen ersten Basisstrom für T2 (da die Durchlassspannung von D2 höher als 0,7 V ist) und T2 beginnt zu leiten. Dann bekommt aber auch T1 via T2 Basisstrom, so dass er leitet. Die Spannung an Punkt P steigt und versorgt T2 nun mit viel Basisstrom. Am Punkt P liegen nun etwa 9 V, der Strom in L1 beginnt, anzusteigen. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit wird dabei von der Induktivität und der an ihr liegenden Spannung bestimmt. Der steigende Strom führt zu einem Spannungsabfall an R1. Erreicht dieser 0,7 V (bei etwa 70 mA), beginnt auch T3 zu leiten und zapft den Basisstrom von T1 ab. Der Strom an L1 kann nicht weiter steigen, deswegen sinkt die Spannung an Punkt P. Dadurch wird T2 ausgeschaltet und letztendlich auch T1. Der Strom durch L1 fließt nun durch D1 weiter, bis er auf null gesunken ist. Dann steigt die Spannung an T2 wieder und das Spiel beginnt von Neuem. Die Transistoren sorgen durch die Verschaltung als Thyristor-Tetrode für die positive Rückkopplung, die die Schwingung erzeugt. 		T3 führt zum Abschalten von T1 beim eingestellten Stromwert. Der Konverter arbeitet an der CM/DM Grenze. Ein Foto eines Testaufbaus ist in Bild 4 zu sehen.


Bild 4. Testaufbau des LED-Konverters

Geregelter Down-Konverter

Geht es nicht noch einfacher, reichen vielleicht sogar zwei Transistoren? Es geht tatsächlich. Bild 5 zeigt einen geregelten Down-Konverter von 20 V auf 12 V. Er wurde in der Literatur beschrieben (Eugene E. Mayle, Low-Cost Step-Down Regulator, Electronic Design, February 6.th 1995, page 118, und Professionelle Schaltungstechnik, Band 9, Seite 583, Franzis Verlag), lediglich die Bauteile sind an europäische Verhältnisse angepasst.

Bild 5. Geregelter Down-Konverter mit zwei Transistoren
Die zentralen Bauteile des Down-Konverters sind Transistor T1, Diode D1 und Spule L1. Erkennbar ist wieder die rückgekoppelte pnp/npn Transistor-Kombination. In diesem Konverter wird der Transistor T1 nicht durch das Erreichen des maximalen Spulenstroms ausgeschaltet, sondern gesteuert von der RC-Kombination C2/R4. Gleichzeitig sorgt die Zenerdiode D2 mit dem Emitteranschluss von T2 am Ausgang für die Spannungsregelung. Der Wirkungsgrad dieses Konverters wird mit bis zu 90 % angegeben.

Spulen

Das einzige Spezialbauteil in unseren Schaltungen sind die Induktivitäten. Zu diesen einige Bemerkungen. Im Fachhandel gibt es kleine Festinduktivitäten, die aber aufgrund ihres hohen Gleichstromwiderstandes für unsere Anwendungen nicht geeignet sind. Größere Bauformen mit entsprechender Strombelastbarkeit kann man allerdings verwenden. Als besonders einfach anzuwenden stellten sich so genannte Trommel-Kerne heraus, wie sie in Bild 6 dargestellt sind (Durchmesser und Höhe etwa 10 mm). Diese finden sich manchmal in alten PC-Netzteilen und können umgewickelt werden. In unseren Mustern fand dafür Draht mit 0,2...0,3 mm Durchmesser Verwendung. Der große "Luftspalt" sorgt dabei dafür, dass das Kernmaterial nicht in Sättigung gerät.


Bild 6. Trommelkerne für Spulen
Spannungswandler mit geschalteten Kondensatoren kommen übrigens ganz ohne eine Spule aus und können die Eingangsspannung verdoppeln, verdreifachen usw. Das Foto am Anfang dieses Beitrags zeigt einen Spannungswandler-Bausatz von Conrad, der die Eingangsspannung verdoppelt.

Quellenhinweis:
Prof. Dr.-Ing. Martin Oßmann, Kleine DC/DC-Konverter, Gleichspannungswandler unter der Lupe, Elektor 11/2002.
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Artikel: DC-SPANNUNGSWANDLER BS
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