Schaltregler
Was sind Schaltregler?
Schaltregler erreichen deutlich höhere Effizienzgrade als Linearregler. Sie verfügen über eine Speicherdrossel, die dank schneller Schalter periodisch entweder über die Eingangsspannung versorgt wird oder am Ausgang Energie liefert. Über einen zusätzlichen Kondensator wird dabei die Spannung am Ausgang der Drossel geglättet.
Zu den Schaltreglern gehört zum Beispiel der Abwärtswandler, auch Step-Down-Spannungswandler/-regler oder Buck Converter genannt. Er erzeugt am Ausgang immer eine Spannung, die niedriger als die Eingangsspannung ist.
Das Pendant hierzu bildet der Aufwärtswandler (Step-Up-Spannungswandler/-regler oder Boost Converter), der stets eine höhere Ausgangsspannung liefert.
Eine Sonderform ist der Inverswandler (Buck-Boost-Converter), der entweder eine höhere oder niedrigere Spannung am Ausgang erzeugt, die jedoch in jedem Falle invertiert ist.
Der SEPIC-Wandler ist die schaltungstechnische Kombination aus Abwärts- und Aufwärtswandlern und verfügt über einen Kondensator als zusätzlichen Energiespeicher.
Funktion
Die Funktion eines Schaltreglers kann man sich etwa so vorstellen:
Der Regler legt die Eingangsspannung an eine Spule. Dabei fließt ein Strom, sodass sich in der Spule ein Magnetfeld aufbaut. Dann wird die Eingangsspannung abgeschaltet. Die Spule hat nun die Eigenschaft, das Magnetfeld abzubauen, indem sie den Strom weiter fließen lässt. Die Spule bzw. deren Magnetfeld wird also als kurzzeitiger Energiespeicher eingesetzt. Je nach Form der Reglerschaltung und der Ansteuerung der Spule kann man jetzt am Ausgang eine niedrigere (Step-Down- oder Buck-Converter) oder sogar eine höhere Spannung (Step-Up- oder Boost-Converter) erzeugen, als sie am Eingang anliegt. Außerdem kann man die Spannung invertieren, d. h. aus einer positiven Eingangsspannung wird eine negative Ausgangsspannung.
Die Verwendung von Elkos mit Low-ESR ist bei Schaltreglern wichtig, da sie mit der Schaltfrequenz des Reglers ständig auf und entladen werden. Ein höherer Innenwiderstand der Elkos führt damit zu einer höheren Verlustleistung. Das senkt einerseits den Wirkungsgrad der Reglerschaltung, vermindert durch die Erwärmung der Elkos aber auch deren Lebensdauer.
ANWENDUNGS-MÖGLICHKEITEN
Schaltregler eignen sich für all die Anwendungen, wo es nicht darauf ankommt, dass die Ausgangsspannung besonders „glatt“ ist, also nicht mit einer kleinen Störspannung überlagert ist. Durch das ständige Ein- und Ausschalten des Spulenstroms entstehen am Ausgang geringe Störungen mit der Schaltfrequenz des Reglers. Außerdem entstehen an der Spule recht starke Magnetfelder, sodass in direkter Nähe der Spule keine Leitungen oder Bauteile liegen sollten, in denen ein induzierter Strom stören würde. Für digitale und Mikrocontroller-Schaltungen stellen diese Störungen im Allgemeinen kein Problem dar. Anders sieht es aber etwa bei Schaltungen aus, die analoge Signale verarbeiten (Operationsverstärker, Digital-Analog-Wandler oder Audio-Schaltungen). Diese können durch Schaltregler beeinflusst werden. Es müssen dann entweder weitere Entstörmaßnahmen getroffen werden oder auf den Einsatz von Schaltreglern verzichtet werden.
