Der Spannungswandler
Die Wandlung von Spannungen ist in der Elektrotechnik ein regelmäßig wiederkehrendes Problem. Es haben sich in der Praxis verschiedene Varianten etabliert, wie Spannungen gewandelt werden können.
Varianten von Spannungswandlern
Der DC-DC-Wandler (Boost Converter)
Ein DC-DC-Wandler, auch als Boost-Converter bekannt, ist eine elektronische Schaltung, die eine niedrigere Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung umwandelt.
Funktionsweise eines Boost-Converters
- Schalter (Transistor): Ein Transistor schaltet periodisch und verbindet den Stromkreis.
- Spule (Induktivität): Wenn der Transistor geschlossen ist, fließt Strom durch die Spule und baut ein Magnetfeld auf. Diese gespeicherte Energie wird verwendet, wenn der Schalter geöffnet wird.
- Diode: Die Diode verhindert, dass Strom zurückfließt.
- Kondensator: Glättet die Ausgangsspannung.
Beispiel
Wenn der Transistor schließt, fließt Strom durch die Spule und ein Magnetfeld wird aufgebaut. Wenn der Transistor öffnet, bricht das Magnetfeld zusammen und die Spannung über der Spule steigt an, was durch die Diode zum Kondensator und zur Last geleitet wird. Dadurch wird die Spannung auf einen höheren Wert angehoben.
Die Ladungspumpe (Charge Pump)
Eine Ladungspumpe ist ein elektronischer Schaltungstyp, der Kondensatoren verwendet, um die Spannung zu erhöhen. Dabei werden mehrere Kondensatoren zeitversetzt geschalten, um somit die Ladungen zwischen den Kondensatoren zu transferieren. Typischerweise sind die Schaltzyklen im (zweistelligen) Kiloherzbereich.
Sie haben typischerweise einen sehr hohen Wirkungsgrad von etwa .
Funktionsweise einer Ladungspumpe
- Kondensatoren: Diese speichern und übertragen elektrische Ladung.
- Schalter: Diese steuern den Fluss der Ladung.
Beispiel
Eine einfache Ladungspumpe besteht aus zwei Kondensatoren und zwei Schaltern, die in einem bestimmten Takt ein- und ausgeschaltet werden. In einer Phase wird ein Kondensator aufgeladen, in der nächsten Phase wird die Ladung auf den zweiten Kondensator übertragen und addiert sich zur Eingangsspannung, was eine höhere Ausgangsspannung ergibt.
Der Transformator (nur für Wechselspannung)
Ein Transformator wird verwendet, um Wechselspannungen zu erhöhen oder zu verringern. Für Gleichspannung (DC) funktioniert ein Transformator jedoch nicht.
Funktionsweise eines Transformators:
- Primärspule: Diese Spule ist mit der Eingangswechselspannung verbunden.
- Sekundärspule: Diese Spule liefert die Ausgangswechselspannung.
- Kern: Ein magnetischer Kern koppelt die Primär- und Sekundärspulen.
Vergleiche auch Übertrager II.
Beispiel
Wenn eine Wechselspannung an die Primärspule angelegt wird, erzeugt dies ein wechselndes Magnetfeld im Kern, das in der Sekundärspule eine Wechselspannung induziert. Das Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen bestimmt das Spannungsverhältnis.
Vergleich und Anwendungen:
- DC-DC-Wandler: Oft in tragbaren Geräten wie Smartphones und Laptops verwendet, da sie effizient sind und Gleichspannung in Gleichspannung umwandeln.
- Ladungspumpe: Wird in Anwendungen mit niedriger Leistung verwendet, wie in Uhren oder Mikrocontrollern.
- Transformator: Verwendet in Netzteilen und Stromversorgungen für Haushaltsgeräte, da sie Wechselspannung umwandeln.
Ein praktisches Beispiel eines Boost-Converters könnte ein tragbares USB-Ladegerät sein, das eine 3.7V Lithium-Ionen-Batterie verwendet, um die 5V bereitzustellen, die zum Laden eines Smartphones erforderlich sind.
Der Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad eines Spannungswandlers ergibt aus dem Verhältnis von der Leistung auf der Ausgangsseite zu der Leistung auf der Eingangsseite.
Disclaimer
Teile des Textes wurde mit Hilfe einer KI erstellt, und manuell überarbeitet.
Quellen
- https://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter, aufgerufen am 08.07.2024
- https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump, aufgerufen am 08.07.2024