Schaltregler, DC/DC-Wandler, Ladungspumpen und Schaltnetzteile

Schaltregler, DC/DC-Wandler, Ladungspumpen und Schaltnetzteile

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Schaltregler, DC/DC-Wandler, Abwärtswandler, Aufwärtswandler, invertierender Wandler, Rückkopplungs-Spannungsteiler, Ladungspumpe, Schaltnetzteil, Wirkungsgrad, Restwelligkeit, EMV, USV

tl/dr; (ca. 25 min Lesezeit): Ein Linearregler verheizt die überschüssige Spannung, ein Schaltregler schaltet sie mit hoher Frequenz weg und puffert die Energie in Spule und Kondensator. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Abwärts-, Aufwärts- und invertierende Wandler arbeiten und woran Du sie im Stromlaufplan erkennst, wie Du aus einem englischen Datenblatt Schaltungsvariante und Grenzwerte ermittelst und den Rückkopplungs-Spannungsteiler berechnest. Danach geht es um Ladungspumpen und negative Betriebsspannungen, um das Blockschaltbild des Schaltnetzteils, um Restwelligkeit, EMV und USV-Klassen sowie um die Auswahl von Netzteilen und Wandlern nach Datenblatt [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 13.11.2026)

Dieser Artikel baut auf dem Artikel Spannungsstabilisierung und Linearregler und dessen Kann-Liste auf.

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Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … die Betriebsart eines DC/DC-Wandlers (Abwärts-, Aufwärts-, invertierender Wandler) aus Stromlaufplan und Datenblatt bestimmen und seine Ein- und Ausgangsspannungen messen und dokumentieren.

• … lineare Netzteile und Schaltnetzteile nach Wirkungsgrad, Baugröße und Störaussendung vergleichen und den Wirkungsgrad eines Wandlers oder Schaltnetzteils berechnen.

• … die passende Schaltungsvariante eines Schaltreglers aus einem englischen Datenblatt auswählen, seine Grenzwerte (Eingangsspannung, Schaltstrom) ermitteln und Datenblattaussagen übersetzen.

• … den Rückkopplungs-Spannungsteiler eines Schaltreglers für eine geforderte Ausgangsspannung berechnen.

• … Möglichkeiten zur Erzeugung zusätzlicher, auch negativer Betriebsspannungen (invertierender Schaltregler, Ladungspumpe, weiteres Netzteil) nennen, skizzieren und vergleichen und Spannungsinverter beurteilen.

• … das Blockschaltbild eines primärseitig getakteten Schaltnetzteils erkennen und die Funktionsblöcke, z. B. den Optokoppler, zuordnen.

• … Restwelligkeit an Netzteilen und Schaltreglern oszilloskopieren, mit dem Lastenheft vergleichen und die Wirkung von Filtern und EMV-Maßnahmen wie dem Ferritkern begründen.

• … Netzteile, Wandler und Schaltregler-ICs nach Spannung, Strom und Wirkungsgrad aus Datenblättern auswählen und ihre Eignung als Ersatz begründen.

• … USV-Klassen (VFD, VI, VFI) nach ihrem Schutz gegen Netzstörungen unterscheiden.

Ein Linearregler ist einfach und rauscharm, hat aber einen Haken: Er setzt die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung vollständig in Wärme um. Ein Schaltregler (DC/DC-Wandler) geht anders vor. Ein Transistor schaltet die Eingangsspannung mit einigen hundert Kilohertz ein und aus, eine Spule speichert die Energie zwischen den Schaltvorgängen, und ein Kondensator glättet das Ergebnis. Weil der Schalter entweder ganz offen (kein Strom) oder ganz geschlossen (kaum Spannung) ist, entsteht in ihm wenig Verlustleistung. Das Bild zeigt das Prinzip an einem Abwärtswandler, der aus 12\ \mathrm{V} eine Spannung von 5\ \mathrm{V} macht: Die Spannung hinter dem Schalter springt zwischen 12\ \mathrm{V} und knapp unter 0\ \mathrm{V}, der Spulenstrom pendelt dreieckförmig um den Laststrom, und am Ausgang bleibt der Mittelwert.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Schaltreglern, DC/DC-Wandlern und Schaltnetzteilen.

Schritt 1: Warum schalten statt verheizen?

Bei einem Linearregler fließt der Laststrom durch den Längstransistor, an dem die Spannungsdifferenz U_\mathrm{E} - U_\mathrm{A} liegt. Sein Wirkungsgrad ist deshalb nie besser als \eta \approx U_\mathrm{A} : U_\mathrm{E}. Ein Schaltregler wandelt dagegen Leistung um: Was am Ausgang gebraucht wird, nimmt er (zuzüglich seiner Verluste) am Eingang auf. Typische Wirkungsgrade liegen zwischen 80\ \% und 95\ \%, weitgehend unabhängig davon, wie groß die Spannungsdifferenz ist.

\eta = \frac{P_\mathrm{A}}{P_\mathrm{E}} = \frac{U_\mathrm{A} \cdot I_\mathrm{A}}{U_\mathrm{E} \cdot I_\mathrm{E}} \qquad P_\mathrm{V} = P_\mathrm{E} - P_\mathrm{A}

Daraus folgt eine Besonderheit, die oft überrascht: Beim Abwärtswandler ist der Eingangsstrom kleiner als der Ausgangsstrom. Ein Wandler, der aus 24\ \mathrm{V} eine Spannung von 5\ \mathrm{V} bei 1\ \mathrm{A} macht, nimmt bei \eta = 0{,}9 nur P_\mathrm{E} = 5\ \mathrm{W} : 0{,}9 \approx 5{,}56\ \mathrm{W} auf, also I_\mathrm{E} \approx 0{,}23\ \mathrm{A}. Ein Linearregler bräuchte 1\ \mathrm{A} am Eingang und müsste 19\ \mathrm{W} als Wärme abführen. Das Diagramm vergleicht beide Regler bei 5\ \mathrm{V} und 1\ \mathrm{A}:

Der Preis für den hohen Wirkungsgrad: Schaltregler brauchen mehr Bauteile (Spule, Diode, Kondensatoren mit niedrigem Innenwiderstand), ein sorgfältiges Layout und erzeugen Störungen bei der Schaltfrequenz und ihren Oberwellen. Am Ausgang bleibt eine kleine Restwelligkeit (Ripple). Wo es auf rauscharme Versorgung ankommt (Messverstärker, A/D-Umsetzer, Funkempfänger), schaltet man deshalb oft einen Low-Dropout-Linearregler hinter den Schaltregler: Der Schaltregler übernimmt den großen Spannungsabbau, der LDO glättet den Rest bei kleiner Spannungsdifferenz.

Schritt 2: Die drei Grundschaltungen erkennen

Alle einfachen DC/DC-Wandler bestehen aus denselben vier Bauteilen: einem Schalter S (im IC meist ein MOSFET), einer Spule L, einer Diode V (oder einem zweiten Schalter, dann heißt der Wandler synchron) und einem Ausgangskondensator C. Welche Betriebsart vorliegt, entscheidet allein ihre Anordnung.

Das Verhältnis von Einschaltzeit zu Periodendauer heißt Tastgrad D = t_\mathrm{ein} : T. Für verlustlose Wandler im nicht lückenden Betrieb (der Spulenstrom fällt nie auf null) gilt:

So funktionieren sie im Einzelnen:

• Abwärtswandler: Ist S geschlossen, liegt an der Spule U_\mathrm{E} - U_\mathrm{A}, der Spulenstrom steigt und versorgt Last und Kondensator. Öffnet S, hält die Spule den Strom aufrecht, er fließt nun über die Diode (Freilaufdiode). Im Mittel liegt am Spulenausgang der Mittelwert der Rechteckspannung, also D \cdot U_\mathrm{E}.

• Aufwärtswandler: Ist S geschlossen, liegt die Spule direkt an U_\mathrm{E} und nimmt Energie auf; die Diode sperrt, der Kondensator versorgt die Last. Öffnet S, addiert sich die Spannung der Spule zur Eingangsspannung, und der Strom fließt über die Diode in den Ausgang. Achtung: Auch bei offenem Schalter fließt über Spule und Diode Strom vom Eingang zum Ausgang, ein Aufwärtswandler lässt sich deshalb nicht einfach „abschalten“; der Ausgang liegt dann etwa bei U_\mathrm{E} - U_\mathrm{F}.

• Invertierender Wandler: Ist S geschlossen, lädt sich die Spule gegen Masse auf. Öffnet S, treibt sie den Strom weiter von oben nach Masse; dieser Strom kann nur über Kondensator und Diode aus dem Ausgang nachfließen, der Ausgang wird negativ.

Im Stromlaufplan sitzt der Schalter fast immer im IC. Dann hilft der Anschluss SW (Switch, auch LX): Führt er über eine Spule zum Ausgang und liegt an ihm eine Diode nach Masse, ist es ein Abwärtswandler. Führt die Spule vom Eingang zum SW-Anschluss und von dort eine Diode zum Ausgang, ist es ein Aufwärtswandler. Spule vom SW-Anschluss nach Masse und negativer Ausgang bedeutet invertierend. Bestätigen lässt sich das am Datenblatt (Titel wie „step-down converter“, „boost regulator“, „inverting regulator“) und am Vergleich der Spannungsangaben im Plan.

Schritt 3: Schaltregler-IC und Datenblatt

Ein Schaltregler-IC enthält Schalttransistor, Oszillator, Pulsweitenmodulator, Referenzspannung, Fehlerverstärker sowie Schutzschaltungen gegen Überstrom und Übertemperatur. Außen bleiben Spule, Diode, Kondensatoren und ein Spannungsteiler. Herstellerdatenblätter sind in der Regel englisch. Diese Begriffe brauchst Du immer wieder:

Viele ICs lassen sich in mehreren Schaltungsvarianten einsetzen; das Datenblatt zeigt sie unter „Typical applications“ oder „Application information“, z. B. „Step-down converter“, „Positive-to-negative (inverting) converter“ oder „Boost converter“. Die Auswahl folgt aus der Aufgabe: Ist die geforderte Ausgangsspannung positiv und kleiner als die kleinste Eingangsspannung, kommt der Abwärtswandler in Frage; ist sie größer als die größte Eingangsspannung, der Aufwärtswandler; ist sie negativ, die invertierende Variante. Liegt die Ausgangsspannung innerhalb des Eingangsbereichs (z. B. 3{,}3\ \mathrm{V} aus einer Zelle mit 3{,}0 \dots 4{,}2\ \mathrm{V}), braucht man einen Buck-Boost- bzw. SEPIC-Wandler.

Danach werden die Grenzwerte geprüft:

• Die größte Eingangsspannung einschließlich Toleranz und Spitzen muss im Bereich „Input voltage range“ liegen und deutlich unter dem Absolute-Maximum-Wert bleiben.

• Der Schaltstrom begrenzt den Ausgangsstrom. Beim Abwärtswandler ist der Spitzenstrom im Schalter etwa I_\mathrm{A} + \Delta I_\mathrm{L} : 2; der nutzbare Ausgangsstrom liegt deshalb unter der Strombegrenzung. Beim Aufwärtswandler fließt durch den Schalter der (größere) Eingangsstrom: I_\mathrm{A,max} \approx \eta \cdot \dfrac{U_\mathrm{E,min}}{U_\mathrm{A}} \cdot (I_\mathrm{LIM} - \Delta I_\mathrm{L} : 2). Ein Boost-IC mit 2\ \mathrm{A} Strombegrenzung liefert bei 3\ \mathrm{V} Eingang und 12\ \mathrm{V} Ausgang also nur knapp 0{,}4\ \mathrm{A}.

• Spule, Diode und Kondensatoren müssen die Ströme und Spannungen ebenfalls aushalten (Sättigungsstrom der Spule, Sperrspannung und Strom der Schottky-Diode, Spannungsfestigkeit und Ripple-Strom der Kondensatoren).

Schritt 4: Rückkopplungs-Spannungsteiler berechnen

Einstellbare Schaltregler regeln den FB-Anschluss auf die interne Referenz U_\mathrm{FB} (typisch 0{,}6 \dots 1{,}25\ \mathrm{V}). Ein Spannungsteiler R_1, R_2 vom Ausgang nach Masse legt fest, bei welcher Ausgangsspannung das der Fall ist. Weil in den FB-Anschluss praktisch kein Strom fließt, gilt die unbelastete Spannungsteilerregel:

U_\mathrm{A} = U_\mathrm{FB} \cdot \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) \qquad \Rightarrow \qquad R_1 = R_2 \cdot \left(\frac{U_\mathrm{A}}{U_\mathrm{FB}} - 1\right)

Vorgehen: R_2 nach Datenblatt wählen (meist 10 \dots 100\ \mathrm{k\Omega}, damit der Querstrom klein bleibt, aber Leckströme am FB-Anschluss nicht stören), R_1 berechnen, einen Normwert wählen und mit ihm die tatsächliche Ausgangsspannung nachrechnen. Beispiel: U_\mathrm{FB} = 0{,}6\ \mathrm{V}, U_\mathrm{A} = 3{,}3\ \mathrm{V}, R_2 = 20\ \mathrm{k\Omega}:

R_1 = 20\ \mathrm{k\Omega} \cdot \left(\frac{3{,}3\ \mathrm{V}}{0{,}6\ \mathrm{V}} - 1\right) = 90\ \mathrm{k\Omega} \qquad \text{E24: } 91\ \mathrm{k\Omega} \Rightarrow U_\mathrm{A} = 0{,}6\ \mathrm{V} \cdot \left(1 + \frac{91}{20}\right) = 3{,}33\ \mathrm{V}

Die Abweichung von 1\ \% liegt in der Toleranz eines 3{,}3-V-Mikrocontrollers. Zur Gesamttoleranz tragen die Toleranz von U_\mathrm{FB} (oft \pm 1 \dots 2\ \%) und die der Widerstände bei. Das ist dieselbe Rechnung wie beim einstellbaren Linearregler (siehe Spannungsstabilisierung und Linearregler); dort kommt nur noch der Strom aus dem ADJ-Anschluss hinzu. Beim invertierenden Wandler gilt die Formel für den Betrag der Ausgangsspannung; je nach IC liegt der Teiler dann zwischen negativem Ausgang und einem eigenen Referenzanschluss, das Datenblatt zeigt die Beschaltung.

Bei Festspannungs-Schaltreglern (z. B. „-5.0“ im Typnamen) ist der Teiler intern, der FB- bzw. SENSE-Anschluss kommt direkt an den Ausgang. Für den schnellen Ersatz eines Linearreglers gibt es fertige Schaltregler-Module im TO-220-Format mit gleicher Anschlussbelegung wie ein 78xx. Sie ersetzen ihn, wenn Ausgangsspannung, Strom, Eingangsspannungsbereich (oft mit höherer Mindesteingangsspannung), Restwelligkeit und Bauhöhe passen. Umgekehrt ersetzt ein Linearregler einen Schaltregler nur, wenn die höhere Verlustleistung abgeführt werden kann und die Ausgangsspannung kleiner ist als die Eingangsspannung.

Schritt 5: Ladungspumpen und zusätzliche Betriebsspannungen

Ein Operationsverstärker mit symmetrischer Versorgung, ein RS-232-Treiber oder eine LCD-Vorspannung brauchen oft eine Spannung, die auf der Baugruppe nicht vorhanden ist, häufig eine negative. Ein Linearregler kann sie nicht erzeugen, er kann eine vorhandene Spannung nur verkleinern. Es gibt vier Wege:

Eine Ladungspumpe arbeitet nur mit Schaltern und Kondensatoren. Im ersten Takt wird der Pumpkondensator C_1 auf die Eingangsspannung geladen. Im zweiten Takt wird sein Pluspol an Masse gelegt, sein Minuspol liegt nun bei -U_\mathrm{E} und lädt den Speicherkondensator C_2. Bei einigen Kilohertz wiederholt sich das ständig. Mit anderer Verschaltung entsteht auf die gleiche Weise ein Spannungsverdoppler (U_\mathrm{A} \approx 2 \cdot U_\mathrm{E}).

Integrierte Spannungsinverter sind ungeregelt. Für ihre Beurteilung zählen vor allem drei Datenblattwerte: der zulässige Eingangsspannungsbereich, der Ausgangswiderstand R_\mathrm{OUT} und der höchste Ausgangsstrom. Die Ausgangsspannung sinkt mit dem Laststrom:

U_\mathrm{A} \approx -\left(U_\mathrm{E} - I_\mathrm{A} \cdot R_\mathrm{OUT}\right)

Ein Inverter mit R_\mathrm{OUT} = 50\ \mathrm{\Omega} liefert an 5\ \mathrm{V} bei 10\ \mathrm{mA} also nur noch etwa -4{,}5\ \mathrm{V}. Für die Beurteilung rechnest Du mit dem größten R_\mathrm{OUT} aus dem Datenblatt und dem größten Laststrom und vergleichst mit der Spannung, die die Schaltung mindestens braucht. Wird eine stabile negative Spannung gebraucht, folgt dem Inverter ein negativer Linearregler (79xx bzw. negativer LDO), der seinerseits eine Mindestdifferenz braucht. Zusätzlich prüfst Du, ob die versorgende Spannung mit ihrer Toleranz unter dem höchsten zulässigen Eingangswert des Inverters bleibt; viele Typen sind nur bis etwa 5{,}5\ \mathrm{V} oder 10\ \mathrm{V} zugelassen.

Für mehrere Ausgangsspannungen (z. B. \pm 12\ \mathrm{V} für Operationsverstärker und 5\ \mathrm{V} für die Logik) werden die Bausteine kombiniert: ein Netzteil oder Schaltregler für die Hauptspannung, daraus ein Abwärtswandler oder LDO für die Logik und ein invertierender Wandler bzw. eine Ladungspumpe für die negative Seite. Bei der Auswahl gilt: Der Strom aller nachgeschalteten Wandler belastet die vorgeschaltete Quelle, beim Schaltregler umgerechnet über die Leistung (P_\mathrm{E} = P_\mathrm{A} : \eta).

Schritt 6: Schaltnetzteile

Ein klassisches lineares Netzteil formt die Netzspannung mit einem 50-Hz-Transformator um, richtet gleich, glättet und stabilisiert mit einem Linearregler (siehe Netzteil: Transformator, Gleichrichtung und Glättung). Ein primärseitig getaktetes Schaltnetzteil dreht die Reihenfolge um: Es richtet die Netzspannung direkt gleich (etwa 325\ \mathrm{V} Gleichspannung am Ladekondensator) und schaltet sie mit einem MOSFET bei typisch 40 \dots 150\ \mathrm{kHz} auf einen kleinen Hochfrequenztransformator. Weil die Größe eines Transformators bei gleicher Leistung mit steigender Frequenz stark abnimmt, ist ein Schaltnetzteil viel kleiner und leichter.

Die Funktionsblöcke in Energierichtung:

1. Netzfilter: dämpft Störungen, die das Netzteil ins Netz zurückschicken würde, und solche aus dem Netz (Drosseln, X- und Y-Kondensatoren), oft mit Sicherung und Einschaltstrombegrenzung (NTC).

2. Gleichrichter und Ladekondensator: erzeugen die hohe Zwischenkreisspannung; größere Netzteile haben hier zusätzlich eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC).

3. Leistungsschalter mit PWM-Steuerung: takten den Transformator; die Pulsbreite bestimmt, wie viel Energie übertragen wird.

4. HF-Transformator: setzt die Spannung herab und trennt Netz- und Ausgangsseite galvanisch (Schutztrennung).

5. Sekundärgleichrichter und LC-Filter: schnelle Dioden (Schottky) oder Synchrongleichrichter erzeugen die Ausgangsgleichspannung.

6. Regelung mit Optokoppler: Ein Regelverstärker auf der Sekundärseite (häufig eine einstellbare Shunt-Referenz) vergleicht die Ausgangsspannung mit einer Referenz und steuert die LED eines Optokopplers. Dessen Fototransistor meldet die Abweichung an die PWM-Steuerung auf der Primärseite. So wird die Regelinformation übertragen, ohne die galvanische Trennung zu überbrücken.

Im Stromlaufplan eines Geräts erkennst Du den AC/DC-Block an Netzanschluss mit Sicherung, Brückengleichrichter, großem Hochvolt-Elko, Transformator mit Trennlinie und Optokoppler über dieser Linie. Häufig ist er als fertiges Netzteilmodul nur als Block mit „L, N, PE“ und „+V, −V“ eingezeichnet.

Den Wirkungsgrad eines Schaltnetzteils bestimmst Du wie bei jedem Wandler aus Ein- und Ausgangsleistung. Am Netz misst Du dazu die Wirkleistung (mit einem Leistungsmessgerät), nicht das Produkt aus Spannung und Strom, weil der Strom nicht sinusförmig ist. Beispiel: Ein 12-V-Netzteil liefert 2\ \mathrm{A} und nimmt 27\ \mathrm{W} Wirkleistung auf: \eta = 24\ \mathrm{W} : 27\ \mathrm{W} \approx 88{,}9\ \%; als Wärme bleiben 3\ \mathrm{W}. Ein vergleichbares lineares Netzteil erreicht selten mehr als 50 \dots 60\ \%.

Schritt 7: Restwelligkeit, Filter und EMV

Die Ausgangsspannung eines Schaltreglers enthält eine dreieckförmige Restwelligkeit mit der Schaltfrequenz (aus dem Spulenstrom-Ripple am Innenwiderstand des Ausgangskondensators) und kurze Schaltspitzen an den Umschaltflanken. Lastenhefte und Datenblätter geben sie als Spitze-Spitze-Wert an, z. B. „Ripple & noise \le 50\ \mathrm{mV_{pp}}, 20\ \mathrm{MHz} bandwidth“.

So oszilloskopierst Du die Restwelligkeit:

• AC-Kopplung einstellen, damit der Gleichanteil wegfällt und Du die Ablenkung auf wenige \mathrm{mV/div} stellen kannst.

• Bandbreitenbegrenzung auf 20\ \mathrm{MHz} einschalten, wenn das Datenblatt so misst; sonst erscheinen hochfrequente Störungen, die die Last gar nicht erreichen.

• Den Tastkopf mit kurzer Masseverbindung (Massefeder statt langer Krokodilklemme) direkt am Ausgangskondensator ansetzen; eine lange Masseleitung bildet eine Antenne und zeigt Schaltspitzen, die gar nicht da sind. Ein Tastkopf 1:1 verbessert die Empfindlichkeit.

• Unter der vorgesehenen Last messen, den Spitze-Spitze-Wert ablesen (Kästchen \cdot Ablenkkoeffizient oder Messfunktion V_\mathrm{pp}) und mit der Vorgabe vergleichen. Das Ergebnis mit Messgerät, Einstellungen, Messpunkt und Last dokumentieren.

Ist die Restwelligkeit zu groß, helfen ein größerer oder ein zusätzlicher keramischer Ausgangskondensator mit niedrigem Innenwiderstand (ESR), ein LC-Nachfilter (kleine Spule oder Ferritperle und Kondensator; seine Grenzfrequenz liegt weit unter der Schaltfrequenz, sodass er den Ripple stark dämpft, die Gleichspannung aber durchlässt) oder ein nachgeschalteter LDO.

Für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sorgen außerdem:

• Ferritkern (Klappferrit) an der Ein- oder Ausgangsleitung eines Schaltnetzteils: Er wirkt für hochfrequente Gleichtaktströme auf der Leitung wie ein Widerstand und setzt die Störungen in Wärme um, während der Nutz-Gleichstrom ungehindert fließt. So strahlt die Leitung weniger ab und wird weniger zur Antenne für eingestrahlte Störungen.

• Layout: Die Schleife aus Eingangskondensator, Schalter und Diode, in der sich der Strom schlagartig ändert, so klein wie möglich halten; Masseflächen, kurze Leitungen am SW-Knoten.

• Schirmung und Netzfilter am Gerät, Gehäuse aus Metall mit Verbindung zum Schutzleiter.

Schritt 8: Netzteile und Wandler auswählen und in Betrieb nehmen

Für die Auswahl eines Netzteils oder DC/DC-Wandlers aus Datenblatt oder Katalog gehst Du die Kennwerte der Reihe nach durch:

1. Ausgangsspannung(en) und Toleranz, ggf. einstellbar; Polarität und Anzahl der Ausgänge.

2. Ausgangsstrom bzw. Leistung mit Reserve (üblich 20 \dots 30\ \%), Einschaltströme von Lasten (Motoren, Kondensatoren) beachten.

3. Eingangsspannungsbereich passend zur Quelle (Netz, 24\ \mathrm{V}-Steuerspannung, Akku).

4. Wirkungsgrad: bestimmt Wärme im Gehäuse und Eingangsstrom.

5. Restwelligkeit, Regelgenauigkeit, Schutzfunktionen (Kurzschluss, Überspannung, Übertemperatur).

6. Bauform und Montage (Platine, Hutschiene, Gehäuse), Umgebungstemperatur und Derating, Zulassungen, Potenzialtrennung.

Ein Netzteil kommt als Ersatz in Frage, wenn es in allen Punkten mindestens gleichwertig ist; ein Netzteil mit deutlich höherer Leistung ist nicht automatisch besser (Preis, Größe, schlechterer Wirkungsgrad im Teillastbereich).

Bei der Inbetriebnahme misst Du Ein- und Ausgangsspannung jedes Wandlers mit dem Multimeter (DC-Bereich) direkt an den Anschlüssen bzw. an Messpunkten, zuerst ohne, dann mit Last. Dokumentiert werden Messgerät, Messpunkt, Lastzustand, Sollwert mit Toleranz, Istwert und Bewertung (in Ordnung bzw. nicht in Ordnung). Für den Wirkungsgrad misst Du zusätzlich Ein- und Ausgangsstrom.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Wo ein Netzausfall Daten oder Prozesse gefährdet, übernimmt eine USV die Versorgung. Die Norm DIN EN IEC 62040-3 unterscheidet drei Klassen nach der Abhängigkeit des Ausgangs vom Netz:

Für einen Büro-PC genügt meist VFD, für Server und Netzwerktechnik wird VI oder VFI eingesetzt, für Medizin- und Prozesstechnik, die keine Unterbrechung verträgt, VFI.

Wie geht es weiter?

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Schaltreglern, DC/DC-Wandlern und Schaltnetzteilen

• Die Versorgung einer ganzen Baugruppe planen: Energieversorgung eines Geräts planen

• Grundlagen: Spannungsstabilisierung und Linearregler, Netzteil: Transformator, Gleichrichtung und Glättung, Verlustleistung und Kühlung

Leitfragen

1. Warum hat ein Schaltregler einen viel besseren Wirkungsgrad als ein Linearregler, und warum ist beim Abwärtswandler der Eingangsstrom kleiner als der Ausgangsstrom? Antwort

Der Schalter ist entweder offen (kein Strom) oder geschlossen (kaum Spannung), deshalb entsteht in ihm wenig Verlustleistung; Spule und Kondensator speichern die Energie, statt sie zu verheizen. Der Wandler setzt Leistung um: U_\mathrm{E} \cdot I_\mathrm{E} = U_\mathrm{A} \cdot I_\mathrm{A} : \eta, bei U_\mathrm{E} > U_\mathrm{A} ist I_\mathrm{E} < I_\mathrm{A}. siehe Abschnitt „Schritt 1: Warum schalten statt verheizen?“

2. Woran erkennst Du im Stromlaufplan, ob ein Abwärts-, Aufwärts- oder invertierender Wandler vorliegt? Antwort

An der Lage der Bauteile: Abwärts – Schalter in Reihe, Diode nach Masse, Spule zum Ausgang; Aufwärts – Spule in Reihe am Eingang, Schalter nach Masse, Diode zum Ausgang; invertierend – Schalter in Reihe, Spule nach Masse, negativer Ausgang über Diode. Im IC hilft der SW-Anschluss. siehe Abschnitt „Schritt 2: Die drei Grundschaltungen erkennen“

3. Welche Grenzwerte prüfst Du im Datenblatt eines Schaltregler-ICs, und warum ist der Schaltstrom nicht der Ausgangsstrom? Antwort

Eingangsspannungsbereich (mit Abstand zu den Absolute Maximum Ratings), Strombegrenzung des Schalters, Temperatur. Durch den Schalter fließt der Spitzenwert des Spulenstroms; beim Aufwärtswandler ist das der größere Eingangsstrom, der Ausgangsstrom ist dann nur etwa \eta \cdot U_\mathrm{E} : U_\mathrm{A} mal so groß wie der Schaltstrom. siehe Abschnitt „Schritt 3: Schaltregler-IC und Datenblatt“

4. Wie berechnest Du den Rückkopplungs-Spannungsteiler für eine geforderte Ausgangsspannung? Antwort

R_2 wählen, R_1 = R_2 \cdot (U_\mathrm{A} : U_\mathrm{FB} - 1) berechnen, Normwert wählen und U_\mathrm{A} = U_\mathrm{FB} \cdot (1 + R_1 : R_2) nachrechnen und mit der Toleranz vergleichen. siehe Abschnitt „Schritt 4: Rückkopplungs-Spannungsteiler berechnen“

5. Wie arbeitet eine Ladungspumpe, und welche Datenblattwerte brauchst Du, um einen Spannungsinverter zu beurteilen? Antwort

Ein Pumpkondensator wird auf U_\mathrm{E} geladen und dann mit dem Pluspol an Masse gelegt; sein Minuspol lädt den Ausgangskondensator auf etwa -U_\mathrm{E}. Wichtig sind Eingangsspannungsbereich, Ausgangswiderstand und höchster Ausgangsstrom: U_\mathrm{A} \approx -(U_\mathrm{E} - I_\mathrm{A} \cdot R_\mathrm{OUT}). siehe Abschnitt „Schritt 5: Ladungspumpen und zusätzliche Betriebsspannungen“

6. Aus welchen Funktionsblöcken besteht ein primärseitig getaktetes Schaltnetzteil, und welche Aufgabe hat der Optokoppler? Antwort

Netzfilter, Gleichrichter mit Ladekondensator, Leistungsschalter mit PWM-Steuerung, HF-Transformator, Sekundärgleichrichter mit LC-Filter, Regelverstärker mit Referenz. Der Optokoppler überträgt die Regelabweichung von der Sekundär- zur Primärseite, ohne die galvanische Trennung aufzuheben. siehe Abschnitt „Schritt 6: Schaltnetzteile“

7. Wie oszilloskopierst Du die Restwelligkeit eines Schaltreglers, und was hilft, wenn sie zu groß ist? Antwort

AC-Kopplung, kleiner Ablenkkoeffizient, Bandbreitenbegrenzung 20\ \mathrm{MHz}, Tastkopf mit kurzer Masse direkt am Ausgangskondensator, unter Last; Spitze-Spitze-Wert mit dem Lastenheft vergleichen. Abhilfe: Kondensator mit kleinem ESR, LC-Nachfilter, nachgeschalteter LDO. Ein Ferritkern dämpft Gleichtaktstörungen auf Leitungen. siehe Abschnitt „Schritt 7: Restwelligkeit, Filter und EMV“

8. Nach welchen Kennwerten wählst Du ein Netzteil aus, und wie unterscheiden sich die USV-Klassen VFD, VI und VFI? Antwort

Ausgangsspannung, Strom bzw. Leistung mit Reserve, Eingangsspannungsbereich, Wirkungsgrad, Restwelligkeit, Schutzfunktionen, Bauform, Temperatur. VFD schaltet bei Netzausfall um, VI regelt zusätzlich die Netzspannung nach, VFI versorgt die Last ständig über den Wechselrichter und schützt gegen alle Netzstörungen. siehe Abschnitt „Schritt 8: Netzteile und Wandler auswählen und in Betrieb nehmen“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Gleichspannungswandler

• zum Abwärtswandler: Wikipedia: Abwärtswandler

• zum Aufwärtswandler: Wikipedia: Aufwärtswandler

• zur Ladungspumpe: Wikipedia: Ladungspumpe

• zum Schaltnetzteil: Wikipedia: Schaltnetzteil

• zur USV: Wikipedia: Unterbrechungsfreie Stromversorgung

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Hinweis zur Nachnutzung als Open Educational Resource (OER)

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