Viele elektronische Schaltungen benötigen eine geregelte, konstante Spannungsversorgung. So lange der Stromverbrauch nicht zu groß ist und genug Energie zur Verfügung steht (etwa durch ein Steckernetzteil im Gegensatz zur Versorgung mit Batterien) greift man dann oft zu Linearreglern wie dem 7805 (für 5V), 7812 (für 12V) oder dem LM317 (einstellbare Spannung).
Diese Regler haben aber einen wesentlichen Nachteil: Die "überschüssige" Spannung wird in Form von Wärme vernichtet. Dies ist dann ein Problem, wenn die Energie knapp ist. Sobald diese in Wärme umgesetzt ist, ist sie für die Versorgung der Schaltung verloren. Andererseits wird es ein Problem, wenn die Schaltung sehr viel Strom benötigt oder die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des Reglers sehr hoch ist. Dann wird nämlich so viel Energie in Wärme umgesetzt, dass die Abfuhr der Wärme ein Problem wird.
Ein Beispiel: Eine Schaltung wird über einen Trafo mit 24 Volt versorgt. Es wird aber ein kleiner Mikrocontroller mit Display und Hintergrund-Beleuchtung eingesetzt, der 5 Volt und etwa 500mA benötigt. Mit einem Linearregler werden dann (24V - 5V) * 0,5A = 9,5W in Wärme umgesetzt. Dies kann bei einem kleinen Gehäuse schon ein Problem werden und einen großen Kühlkörper erfordern.
Aber es gibt einen Ausweg: Den Schaltregler. Dieser kann eine Eingangs- in eine Ausgangsspannung konvertieren, ohne viel Energie in Form von Wärme zu "verlieren".
Funktionsweise
Die Funktion eines Schaltreglers kann man sich etwa so vorstellen: Der Regler legt die Eingangsspannung an eine Spule. Dabei fließt ein Strom, so dass 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 nun 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.
Beispielschaltung
An dieser Stelle möchte ich zunächst einmal nur die Art von Reglern beschreiben, die eine hohe in eine niedrigere Spannung wandeln. Im Folgenden wird ein LM2576-ADJ aus der Simple-Switcher-Serie von National Semiconductor verwendet. Dieser benötigt als externe Beschaltung nur ein paar Elkos, eine Speicherspule und eine Diode und ist damit ziemlich einfach aufzubauen. Die Schaltung entspricht der im Datenblatt des Reglers beschriebenen. Dort ist auch die Auslegung der Spule und der Diode in Form eines Design Guide sehr ausführlich beschrieben, so dass es nicht schwer ist, den Regler in Betrieb zu nehmen.
Für alle, die sich damit nicht so genau beschäftigen wollen, hier die von mir verwendeten Bauteile und der Schaltplan, um 12 Volt am Eingang in 3,3 Volt am Ausgang zu konvertieren, wobei bis zu 3 Ampere fließen dürfen. Der Regler erwärmt sich dabei auch ohne Kühlkörper nicht wesentlich. Der gemessene Wirkungsgrad liegt bei ca. 75 Prozent. Nach Datenblatt sollten sich bis zu 77 Prozent erreichen lassen. Die geringe Differenz kann an der Tolleranz meines Messgerätes, aber auch an der Verwendung "normaler" anstelle von Low-ESR-Elkos liegen.
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 Regler-Schaltung, vermindert durch die Erwärmung der Elkos aber auch deren Lebensdauer.
- IC1: LM2576T-ADJ
- C1, C2: 47 Microfarad, 25V
- C3, C4: 470 Microfarad, 16V
- D1: 1N5822
- L1: 0,8mm Kupferlackdraht, 45 Windungen auf Eisenpulver-Ringkern T80-26
- R1: 1kOhm
- R2: 1,5kOhm
Die Ausgangsspannung wird durch das Verhältnis der beiden Widerstände R1 und R2 festgelegt. Die Elkos am Eingang und Ausgang der Schaltung sind jeweils parallel geschaltet. Im Datenblatt sind hier Low-ESR-Typen vorgesehen, die jedoch schlecht erhältlich sind. Bei die Parallelschaltung von Standard-Elkos wird der ESR ebenfalls verringert. Im Datenblatt wird darauf hingewiesen, dass die Verbindungen zwischen Regler und GND, Diode und den Ein- und Ausgangs-Elkos möglichst kurz sein müssen, um den angegebenen Wirkungsgrad zu erreichen. Außerdem sollte die Feedback-Leitung (FB) nicht in der Nähe der Spule verlaufen, damit dort keine Störungen eingekoppelt werden.
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, so dass 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.