DC/DC Wandler

Ein PWM-Signal wechselt in regelmäßigen Abständen zwischen dem Ein-Zustand – zum Beispiel 5 Volt – und dem Aus-Zustand mit 0 Volt. Das Verhältnis zwischen der Dauer, in der das Signal eingeschaltet ist, und der Gesamtperiode des Signals definiert das Tastverhältnis. Ein Tastverhältnis von 50 Prozent bedeutet in diesem Fall, dass genau in der Hälfte der Zeit 5 Volt am Output zur Verfügung stehen und in der anderen Hälfte 0 Volt.

Von dem Tastverhältnis hängt somit die durchschnittliche Spannung ab, die über einen Zyklus geliefert wird, bei einem Tastverhältnis von 50 Prozent also 2,5 Volt. Eine pulsierende Gleichspannung lässt sich aber in der Praxis nur begrenzt verwenden, sie wird daher noch durch Induktivitäten und Kondensatoren geglättet, um eine stabile Gleichspannung am Ausgang zu erhalten.

Das Tastverhältnis bestimmt auch die Art des Reglers. Ist die Spannung am Eingang höher als am Ausgang, handelt es sich um einen Step-down-Wandler oder Abwärts-Konverter. Der Hauptschalter ist hier in Serie zur Last geschaltet, ein Diodenpfad parallel dazu ermöglicht den Stromfluss, wenn der Transistor ausgeschaltet ist.

Beim Step-up-Wandler oder Aufwärts-Konverter ist der Schalter in Serie zum Eingang geschaltet und der Diodenpfad ist umgekehrt. Am Output steht so eine höhere Spannung zur Verfügung. Ein sogenannter Buck-Boost-Wandler kann die Ausgangsspannung entweder erhöhen oder verringern. Der Hauptschalter verbindet den Input entweder direkt mit dem Filter und erhöht die Ausgangsspannung oder er ist über eine Diode mit dem Filter konnektiert. Hier liegt am Ausgang im Vergleich zum Eingang eine niedrigere Spannung an. Zur Verfügung stehen außerdem isolierte Wandler. Sie verwenden spezielle Transformatoren zur galvanischen Trennung der beiden Stromkreise und zur Spannungsanpassung.

Die meisten modernen DC/DC-Wandler nutzen die Kombination aus schnellem Schalten – oft im Kilohertz- bis zum Megahertz Bereich – und der Energiespeicherung in passiven Bauteilen wie Spulen und Kondensatoren. Hier sind oft Mikrocontroller oder spezielle ICs im Einsatz, um den Schaltvorgang zu steuern und eine stabile und präzise Ausgangsspannung sicherzustellen, selbst wenn sich die Last oder die Eingangsspannung ändert.

Die Auswahl an DC-DC-Wandlern ist recht groß, zu den wichtigsten Auswahlkriterien zählen neben Typ und Bauform die elektrischen Werte und die Anschlussform.

Die Nennspannung spezifiziert, für wie viel Volt der Ausgang des Spannungsreglers im Normalbetrieb ausgelegt ist. Die Skala reicht von 3,3 Volt bis zu 110 Volt. Die maximale Ausgangsspannung liegt aber oft nur bei höchstens 54 Volt. Die Bandbreite für die Eingangsspannung ist weitaus größer, sie kann bis zu 1500 Volt reichen. Beim Ausgangsstrom sieht es ähnlich aus, die meisten Wandler liefern bis zu 3 Ampere, einige Modelle können aber auch mehr als 500 Ampere bereitstellen. Entsprechend groß ist auch die Ausgangsleistung, sie liegt je nach Typ des Moduls zwischen 0,25 und rund 1000 Watt.

Hinsichtlich der Anschlussmöglichkeiten sind die weitaus meisten Spannungsregler für die SMD- oder THT-Montage gedacht. Besonders leistungsstarke Wandler verfügen dagegen über Schraubklemmen. Diese Modelle sind im Allgemeinen auch mit einer Lüfterkühlung ausgestattet.