Bild 2. Prinzipschaltbild eines Abwärtswandlers.

Bild 2. Prinzipschaltbild eines Abwärtswandlers. Texas Instruments

Bei Abwärtswandlern wird die Eingangsspannung in schneller Folge immer wieder ein- und ausgeschaltet. Eine Induktivität und weitere Bauelemente glätten die entstehenden Impulse dann zu einer Ausgangsspannung, deren Höhe proportional zu der Zeit ist, in der VIN eingeschaltet ist. Ist VIN beispielsweise zu 25 % der Zeit eingeschaltet, beträgt VOUT theoretisch 25 % der Eingangsspannung, was einer Spannungsreduzierung im Verhältnis 4:1 entspricht. Allerdings ist dieser Vorgang nicht zu 100 % effizient, da es in der Schaltung unweigerlich zu Verlusten kommt.

Die Bauelemente eines elementaren Schaltwandlers sind in Bild 2 zu sehen. L ist die Induktivität und C der Ausgangskondensator, während es sich bei Q1 und Q2 um die Feldeffekt-Transistoren (FETs) handelt, die die Eingangsspannung abwechselnd ein- und ausschalten und dadurch für einen zweiphasigen Betrieb sorgen.

Induktivitäten sind nicht nur mit Verlusten behaftet, sondern durch ihre Größe und ihr Gewicht beanspruchen sie fast so viel Platz wie die gesamte übrige Schaltung. Da ihre Größe umgekehrt proportional zur Frequenz ist, mit der die Stromversorgung schaltet, können bei höheren Schaltfrequenzen kleinere Induktivitäten verwendet werden. Allerdings bringen höhere Schaltfrequenzen auch größere Schaltverluste mit sich, sodass ein Anheben der Frequenz in der Vergangenheit stets Einbußen beim Wirkungsgrad mit sich brachte.

Ein weiterer Faktor, der bei hohen Frequenzen schwierig in den Griff zu bekommen ist, ist die Einschaltzeit des Signals am Beginn des Impulses. Probleme ergeben sich hier bei einem großen Verhältnis zwischen VIN und VOUT, da das Signal hier nur für einen sehr geringen Bruchteil der gesamten Impulsdauer eingeschaltet sein darf. Bei einem Spannungsverhältnis von 10:1 und einer Schaltfrequenz von 2 MHz beträgt die Einschaltdauer beispielsweise nur 50 ns, wodurch in vielen Wandlerdesigns zu wenig Zeit für eine präzise Regelung bleibt.

Die meisten Abwärtswandler konnten deshalb nur mit Frequenzen von weniger als 1 MHz betrieben werden. Häufig lagen die Schaltfrequenzen sogar deutlich unter dieser Marke. Wurden höhere Schaltfrequenzen genutzt, war das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung geringer, sodass die längeren Impulse mehr Reserven bezüglich der Einschaltzeit boten. Wegen der Verluste bei hohen Frequenzen waren diese Schaltungen außerdem für geringe Ausgangsströme ausgelegt, sodass Art und Anzahl der von ihnen versorgten Bauelemente eingeschränkt waren. Wegen der Restriktionen hinsichtlich der Schaltfrequenz ließen sich Abwärtswandler zudem nicht nennenswert verkleinern, denn um die Verwendung großer Induktivitäten und anderer Bauteile führte kein Weg vorbei.

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