24-V-zu-12-V-DC-Wandlerschaltung [mit Schaltregler]

Sein Schaltregler Diese Schaltung ist hocheffizient und verschwendet oder zerstreut keine Energie, im Gegensatz zu Linearreglern wie IC 7812, IC LM317 oder IC LM338.

Warum sind Linearregler wie 7812, LM317 und LM338 schlechte Abwärtswandler?

Linearregler wie der 7812 und der LM317 gelten aufgrund ihrer Betriebseigenschaften als ineffiziente Abwärtswandler.

Bei einem Linearregler wird die überschüssige Eingangsspannung in Form von Wärme abgeführt. Dies bedeutet, dass der Spannungsabfall zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen einfach als Energieverschwendung „verbrannt“ wird. Der Linearregler fungiert als variabler Widerstand und passt seinen Widerstand an, um die überschüssige Energie abzuleiten und die Ausgangsspannung zu regulieren.

Dieser Dissipationsprozess führt zu erheblichen Leistungsverlusten und einem geringen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad eines Linearreglers wird durch das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung bestimmt. Mit zunehmender Eingangs-Ausgangsspannungsdifferenz steigt auch die als Wärme abgegebene Leistung, d. h. die Spannungsdifferenz multipliziert mit dem Ausgangsstrom. Folglich nimmt der Wirkungsgrad ab, wenn die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang steigt.

Wenn beispielsweise ein Linearregler verwendet wird, um einen 24-V-Eingang auf 12 V herunterzuregeln, werden die überschüssigen 12 V als Wärme abgegeben. Dies kann zu erheblicher Energieverschwendung führen und erfordert bei Anwendungen mit hoher Leistung zusätzliche Kühlmechanismen.

Im Gegensatz dazu sind Schaltregler (wie z Abwärtswandler ) sind für die Abwärtskonvertierung effizienter. Sie nutzen eine Kombination aus Induktivitäten, Kondensatoren und Schaltern, um die Spannung effizient umzuwandeln.

Schaltregler speichern Energie während einer Phase des Schaltzyklus und geben sie während einer anderen ab, wodurch die Energieabgabe in Form von Wärme minimiert wird. Abhängig von der konkreten Konstruktion können Schaltregler Wirkungsgrade von 80–95 % oder sogar mehr erreichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Linearregler wie der 7812 und der LM317 zwar unkompliziert und kostengünstig sind, jedoch nicht die effizienteste Wahl für die Abwärtswandlung, wenn die Energieeffizienz ein wichtiges Anliegen ist.

Schaltungsbeschreibung

Die folgende Abbildung zeigt das Prinzipschaltbild des 24-V-zu-12-V-Wandlers.

Als Schaltregler kommt ein gängiges Modell von Motorola zum Einsatz: der µA78S40.

Die folgende Abbildung zeigt die interne Struktur dieser integrierten Schaltung, die verschiedene notwendige Komponenten für einen Schaltregler umfasst: Oszillator, Flip-Flop, Komparator, Spannungsreferenzquelle, Treiber und Schalttransistoren.

Darüber hinaus gibt es einen Operationsverstärker, der für diese Anwendung nicht benötigt wird. Die Filterung und Glättung der Stromversorgung übernehmen die Kondensatoren C3 bis C7.

Der Kondensator C1 bestimmt die Frequenz des Oszillators, während die Widerstände R1, R5 und R6 dabei helfen, den Ausgangsstrom des Wandlers zu begrenzen.

Die Spannung am Widerstand R1 ist proportional zum vom Wandler gelieferten Strom.

Durch Einstellen einer Spannungsdifferenz von etwa 0,3 V zwischen den Pins 13 und 14 des µA78S40 erzeugen die Widerstände R6 und R7 einen Spannungsteiler, der eine Strombegrenzung auf etwa 5 A ermöglicht.

Die durch den Kondensator C2 entkoppelte Spannungsreferenzquelle steht an Pin 8 von IC1 zur Verfügung.

Diese Referenzspannung wird an den nichtinvertierenden Eingang des internen Komparators von IC1 angelegt. Der invertierende Eingang wird auf ein Potential proportional zur Ausgangsspannung des Wandlers gelegt.

Um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, steuert der Komparator die Ausgangsstufe von IC1.

Beide Eingänge des Komparators werden auf dem gleichen Potenzial gehalten und die Ausgangsspannung ergibt sich aus der folgenden Formel:

Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].

Der einstellbare Widerstand Aj1 ermöglicht die Einstellung der Ausgangsspannung des Wandlers im Bereich von +10 V bis +15 V.

Die beiden Ausgangstransistoren bilden ein Darlington-Paar und ihr aufeinanderfolgendes Schalten wird vom Flip-Flop synchron mit den Schwingungen des Kondensators C1 gesteuert.

In Kombination mit einem UND-Gatter wird dieses Flip-Flop vom Komparator gesteuert, um die Leitungszeit der Ausgangsstufe des µA78S40 anzupassen und eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

Der gesättigte oder gesperrte Zustand des Transistors T1 folgt dem Zustand des Darlington-Paares von IC1. Wenn die Ausgangsstufe von IC1 gesättigt ist, ist der Transistor T1 vorgespannt und sein Basisstrom wird durch den Widerstand R2 begrenzt.

Widerstand R3 bildet zusammen mit Widerstand R9 einen Spannungsteiler, der die VBE-Spannung des Transistors T1 zu Beginn des Schaltvorgangs begrenzt.

Der Transistor T1, der als Darlington-Modell fungiert, verhält sich bei der Frequenz des Oszillators des µA78S40 wie ein offener oder geschlossener Schalter.

Der Induktor L1 ermöglicht den Spannungsabfall von 24 V auf 12 V mithilfe der Eigenschaften der Induktivität. Im eingeschwungenen Zustand, wenn der Transistor T1 gesättigt ist, wird an der Induktivität L1 eine Spannung von +12 V angelegt.

Während dieser Phase speichert die Induktivität Energie, die sie bei Wegfall der angelegten Spannung wieder abgibt. Wenn der Transistor T1 gesperrt ist, neigt die Induktivität L1 dazu, den durch sie fließenden Strom aufrechtzuerhalten.

Die Diode D1 wird leitend und an der Induktivität L1 entsteht eine gegenelektromotorische Kraft von -12 V.