Aufwärtswandler

Der Aufwärtswandler, auch Hochsetzsteller, englisch Boost-Converter, englisch Step-Up-Converter oder Aufwärtsregler, ist in der Elektronik eine Form von Gleichspannungswandler. Der Betrag der Ausgangsspannung U_A ist stets größer als der Betrag der Eingangsspannung U_E.

Schaltschema Aufwärtswandler

Aufbau und Funktion

Eine Induktivität (Spule) L ist in Reihe mit einer Freilaufdiode D geschaltet, hinter der ein Ladekondensator C die Ausgangsspannung aufsummiert. Die Spule wird durch einen Schalter S (in der Regel ein Halbleiterschalter: GTO-Thyristor oder Transistor) gegen Masse geschaltet. An der Spule fällt nun die Eingangsspannung U_E ab $\left(U_{\rm E} = U_{\rm L} = L \, \frac{d\,I_{\rm L}}{dt}\right)$, der Strom durch die Spule und damit die im Magnetfeld gespeicherte Energie steigen an. Wird der Schalter geöffnet, versucht die Spule den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Die Spannung an ihrem sekundären Ende steigt sehr schnell an, bis sie die am Kondensator anliegende Spannung U_A übersteigt und die Diode öffnet. Der Strom fließt im ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Das Magnetfeld wird dabei abgebaut und gibt seine Energie ab, indem es den Strom über die Diode in den Ladekondensator und zur Last treibt.

Eigenschaften

Die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers ist stets größer als die Eingangsspannung (im Gegensatz zum Abwärtswandler). Die Schaltung ist in sich weder kurzschluss- noch leerlauffest. Im Prinzip ist die Ausgangsspannung unabhängig vom Laststrom (solange dieser einen bestimmten Minimalwert überschreitet). Dennoch wird häufig die Pulsbreite durch eine Regelschaltung moduliert, insbesondere, wenn die Ausgangsspannung variabel oder der Strom geregelt sein soll (beispielsweise bei Ladegeräten). Aufwärtswandler kann man gut verwenden, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen oder um eine stark schwankende Eingangsspannung auszuregeln.

Anwendungsbeispiele

Die Grundschaltung eines Aufwärtswandlers wird in Gleichspannungswandlern eingesetzt, deren Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist, z. B.:

• batteriebetriebene Geräte, die an einer oder wenigen Zellen arbeiten
• Erzeugung von 24 V aus einer 12 V-Autobatterie
• Ansteuerung von Common-Rail-Injektoren
• Erzeugung von 400 V aus 12 V bei einer Kondensatorzündung
• Betrieb mehrerer Leuchtdioden an einer einzelnen Batteriezelle
• Gleichspannungs-Seite von Wechselrichtern bei Photovoltaik-Anlagen

Das gleiche Prinzip, jedoch mit einem Transformator anstelle der Spule, wird in Schaltnetzteilen kleiner Leistung angewandt (sog. Sperrwandler). (Genau genommen handelt es sich in diesem Fall nicht um einen Transformator, sondern um eine Drossel mit zwei Wicklungen. Beim Transformator wird die aufgenommene Eingangsleistung zeitgleich am Ausgang abgegeben. Beim Sperrwandler erfolgt die Leistungsaufnahme und -abgabe der Drossel durch die Wicklungen in unterschiedlichen Takten.)

Die Schaltung wird auch in PFC- (engl. Power Factor Correction für Leistungsfaktorkorrektur) Eingangsstufen verwendet, die geräteintern eine Zwischenkreisspannung von ca. 400 V Gleichspannung bereitstellen. Die Stromaufnahme dieser PFC-Stufen wird dem Sinusverlauf der Eingangsspannung nachgesteuert, so dass Verunreinigungen des Netzes durch Oberschwingungen vermieden werden. An dieser Zwischenkreisspannung arbeiten dann Schaltnetzteile, Frequenzumrichter oder elektronische Vorschaltgeräte, die ansonsten starke Oberschwingungen erzeugen würden.

Verallgemeinerung

Wird im obigen Schaltschema die Diode D durch einen weiteren Schalter S₂ ersetzt, samt der für die zeitlich korrekte Ansteuerung erforderlichen Steuerlogik, wird daraus der Synchronwandler. Der Name leitet sich von der notwendigen, zeitlich korrekten Ansteuerung der Schalter ab, welche ähnlich wie bei synchronen Gleichrichtern erfolgt. Der Synchronwandler kann dann durch Vertauschen von Eingang und Ausgang direkt in einen Abwärtswandler umgewandelt werden und stellt in der Topologie die Verallgemeinerung des Ab- und Aufwärtswandlers dar.

Weblinks

• Vorlesung Schaltnetzteile, Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter, Hochschule Darmstadt
• Jörg Rehrmann, Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch
• Interaktives Applet zum Verständnis des Aufwärtswandlers