DC/DC Netzteile

Netzteile sind als Energieversorgung von Geräten in jedem Haushalt zu finden. Die Netzteile stellen den Geräten wie Mobiles und Computern eine abweichende Spannung zur Verfügung als die, die aus der Steckdose kommt. Zu den bekanntesten Netzteilen gehören Steckernetzteile, die für geringe Leistungen wie beim Handy verwendet werden. Neben Steckernetzteilen haben sich eigenständige Geräte wie Festspannungsnetzteile, Einbaunetzteile und DC-Schaltwandler durchgesetzt.

Festspannungsnetzteile finden für mittlere Energieleistungen Verwendung und sind insbesondere im Segment der Notebooks verbreitet. Die externen Netzteile können vergleichbar einfach gewechselt werden und sind heute soweit standardisiert, dass sie von vielen Herstellern nur noch zugekauft werden. Einbau-Netzteile werden hingegen für große Leistungen ab 100 W eingesetzt und sind unter Anderem in Fernsehgeräten, in Computern und Druckern zu finden. Die Einbau-Netzteile werden auch als Bauteile in Schalterschränken verwendet.

Zu den eigenständigen Netzteiltypen gehören weiterhin DC-Schaltwandler. Sie wandeln Gleichspannung in Wechselspannung um. DC-Schaltwandler finden in Autos und Solaranlagen Verwendung. Car-Hifi-Fans kennen DC-Schaltwandler aus ihrem Auto: Verstärker sind auf die Spannungsumwandlung der Bordspannung angewiesen. Dabei werden Endstufen mit einer erhöhten Spannung versorgt, die verbesserte Soundleistungen möglich macht, die in der Form vom Bordspannungsnetz des Fahrzeugs nicht erzeugt werden. Die DC/DC Netzteile bestehen aus einem Transformator und einen Wechselrichter zur Gleichrichtung der Spannung. Als Schalternetzteile machen die vergleichbar preisgünstigen DC/DC Netzteile einen erhöhten Wirkungsgrad bei geringerer Nennleistung als ein herkömmliches Netzteil möglich und sind auch deutlich kleiner.

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DC-Converter

In der Elektrotechnik werden DC-Converter auch als analoge Gleichstromwandler oder Gleichstromsteller bezeichnet. Sie haben die Aufgabe, eine konstante Eingangsspannung in eine andere Ausgangsspannung umzuwandeln. Diese selbstgeführten Stromrichter finden in der Praxis in der elektrischen Antriebstechnik Anwendung. Die drei Grundarten lauten hier Hochsetzsteller, Sperrsteller und Tiefsetzsteller. Alle drei Typen funktionieren nach dem Prinzip des Gleichspannungswandlers.

Regelung eines DC-Converters

Für die Regelung eines DC-Converters oder Gleichstromstellers sind verschiedene Verfahren möglich, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten. Gleichstromsteller schalten den Eingangsstrom grundsätzlich permanent ein und aus, so dass am Ausgang kein reiner Gleichstrom vorhanden sein kann. Außerdem ermöglichen in der Schaltung von DC-Convertern eingebaute Induktivitäten keine sofortige Abschaltung der Stromversorgung. Aus diesem Grund baut man antiparallel zum Schalter eine sogenannte Schutzdiode ein, die für die Zeit der Abschaltung den Stromfluss übernimmt und auf diese Weise die magnetische Feldenergie abgebaut werden kann. Oft kommen in elektrischen Verbrauchern zusätzlich Glättungskondensatoren zum Einsatz, um mögliche Störungen der Ausgangsspannung zu verhindern.

Verfahren zur Regelung eines DC-Converters

Für die Einstellung der gewünschten Ausgangsspannung werden bei DC-Convertern oder Schaltnetzteilen unterschiedliche Verfahren angewandt. Diese Verfahren sollen die erforderlichen Schaltzeitpunkte des Schalters regeln. Die Steuerung kann nach bestimmten Kriterien unterschieden werden, die je nach Kombination mehr oder weniger vorteilhaft sind.

Es gibt drei Größen, um Steuerungen von DC-Convertern zu charakterisieren:

  1. Regelgröße: Voltage Mode, Current Mode, Hysteretic Mode
  2. Frequenz: Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsfrequenzmodulation (PFM), Hysteretic Mode
  3. Strom/Spulenzustand: Unterbrochener Stromfluss (DCM), Kontinuierlicher Stromfluss (CCM)
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DC-DC Wandler

Der DC-DC Wandler, oder auch Gleichstromsteller genannt, ist ein selbstgeführter Stromrichter, der elektrischen Strom unter Verwendung von z.B. Transistoren in eine andere Stromart umwandeln kann. Der DC-DC Wandler hat die Aufgabe, durch periodisches Schalten die Ausgangsspannung zu verändern. Anwendung findet der Gleichstromsteller in der Elektrotechnik auf dem Gebiet der Antriebstechnik. Wissenswert ist in diesem Zusammenhang, dass das Prinzip des Gleichstromstellers mit dem des Gleichspannungsreglers identisch ist und nur das Einsatzgebiet der beiden Wandler variiert.

Der Gleichspannungswandler

Der Gleichspannungswandler ist ebenfalls ein DC-DC Wandler und somit ein selbstgeführter Stromrichter. Die Schaltung soll die Spannung übersetzen und durch periodisches Schalten Spannung oder Strom regeln. Zur Energiespeicherung dient dabei eine Spule oder ein Wandler-Transformator. Es können in diesem Fall aber auch Ladungspumpen zum Einsatz kommen, wenn keine Induktivität zur Verfügung steht oder nur eine geringe Ausgangsleistung erforderlich ist. Diese Ladungspumpen sind eine günstige Alternative zu DC-DC Wandlern.

Anwendung von DC-DC Wandlern

Die DC-DC Wandler oder Gleichspannungswandler werden in Schaltnetzteilen für den Betrieb von elektrischen Verbrauchern verwendet. Diese Verbraucher können Notebooks, PC-Netzteile oder Mobiltelefone sein. Die Schaltnetzteile haben gegenüber linear geregelten Netzteilen einige positive Eigenschaften. Sie verfügen über einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Wärmebildung. In der elektrischen Antriebstechnik kommen Gleichstromsteller bzw. DC-DC Wandler im Bereich des Elektroantriebs zum Einsatz. Beispielsweise wird in Elektrofahrzeugen unter anderem über einen DC-DC Wandler das Bordnetz mit Strom aus der Batterie versorgt.

Wandler, welche galvanisch nicht getrennt sind, können auf Rechnerplatinen als Wandler dienen. Diese werden zur Stabilisierung des Prozossors / CPU zum Einsatz gebracht. Hier geben sie dem Kern die nötige Strom Stabilität. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz befindet sich in den 24V Bordnetzen von LKWs, in denen 24V in 12V gewandelt werden. Man nennt Geräte zur Wandlung einer höheren Ausgangsspannung Transverter.

Mehr zum Thema: Leistungselektronik der Uni Stuttgart

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