3-A-Gleichspannungswandler

Bessere Nutzung Ihrer Festspannungsquellen

Gleichspannungswandler können in Ihrem Elektroniklabor sehr nützlich sein. Diese Schaltungen erzeugen verschiedene geregelte Ausgangsspannungen, basierend auf der Eingangsgleichspannung einer Batterie oder einem Netzteil mit fester Ausgangsspannung. Dieser Entwurf kann eine Eingangsgleichspannung von 5...24 V in eine geregelte und durch Einstellen eines Trimmpotis einstellbare Ausgangsspannung im Bereich 5...20 V umwandeln.   

DC-DC-Wandler können auf Ihrer Werkbank sehr nützlich sein. Diese Schaltungen können verschiedene geregelte Ausgangsspannungen aus der von einer Batterie oder einem Netzteil mit fester Spannung gelieferten Eingangsspannung erzeugen. Dieser DC-DC-Wandler kann eine Eingangsspannung von 5 bis 24 V DC in verschiedene geregelte Ausgangsspannungen umwandeln, die mit einem Trimmer eingestellt werden können.

DC-DC-Leistungswandler-Design

Wie Bild 1 zeigt, ist die Schaltung ziemlich einfach. Sicherung F1 und der Varistor VR1 schützen vor Spannungsspitzen auf der Eingangsspannung. D1 verhindert Schäden am IC, falls die Schaltung versehentlich verkehrt gepolt angeschlossen wird. Kondensator C2 puffert die Eingangsspannung; R1 ist der Vorschaltwiderstand für LED1, die anzeigt, dass eine Eingangsspannung anliegt und der Wandler aktiv ist.

Im Zentrum des Projekts steht IC1, der einstellbare Schaltregler LM2576-ADJ von Texas Instruments, der hier als Abwärtswandler konfiguriert ist. Er schaltet mit der Nennfrequenz von 52 kHz und akzeptiert eine breite Palette von Eingangsspannungen, von 5 V bis 35 V. Um die Ausgangsspannung zu regeln, ändert dieser Schaltregler das Ein-Aus-Verhältnis (Tastverhältnis) eines Signals mit fester Frequenz, das den internen Schalttransistor steuert. Die Ausgangsspannung des ICs wird nach dem LC-Glättungsfilter (L2 und C1) über Pin 4 (Feedback) zurückgekoppelt, allerdings nicht direkt, sondern aus dem einstellbaren Spannungsteiler R2...R4. So kann an Trimmpoti R3 die Ausgangsspannung eingestellt werden.

D2 spielt eine Schlüsselrolle in dieser Art von Schaltung. Es handelt sich um eine Flyback-Diode (auf Deutsch auch Freilauf- oder Klemmdiode genannt), die bei jedem Öffnen des internen, in Serie geschalteten Schalttransistors die negativen Spannungsspitzen kurzschließt, die von L2 erzeugt werden. Dafür wird eine schnelle Schottky-Diode („Fast recovery Diode“) benötigt. Verwenden Sie für D2 keine Gleichrichterdioden, die solch hohe Frequenzen nicht verarbeiten können!

Hinter diesem wichtigsten LC-Filter wurde eine sekundäre Stufe (L1 und C3) hinzugefügt, um die Ausgangswelligkeit weiter zu reduzieren. Widerstand R5 stellt eine Mindestlast für die Schaltung dar für den Fall, dass der Ausgang offen betrieben wird. C4 ist der klassische HF-Entkopplungskondensator.

Diese Schaltung bietet einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 88 %, was im Vergleich zu anderen linearen Reglern recht hoch ist. Darüber hinaus ermöglicht ein großzügig dimensionierter Kühlkörper einen kontinuierlichen Betrieb ohne Überhitzungsprobleme, selbst ohne Lüfter.

Aufbau

Für das Projekt wurde eine einseitige Platine entworfen, die sehr einfach zu bestücken ist. Platinenlayout und Bestückungsaufdruck können von heruntergeladen werden. Wie aus dem Bestückungsaufdruck und auch aus dem Titelbild hervorgeht, werden nur bedrahtete Bauteile verwendet, die keine Schwierigkeiten beim Aufbau verursachen.

Folgen Sie einfach der Zeichnung und achten Sie auf die Ausrichtung der polarisierten Bauteile. Die Montage stellt selbst für Elektronikeinsteiger kein Problem dar. Es genügt ein Lötkolben mit geringer Leistung (30...40 W) mit einer feinen Spitze und Lötzinn mit einem Durchmesser von höchstens 1 mm. Am Ende der Lötarbeiten sieht der Wandler wie der Prototyp in Bild 2 aus.

Während Schaltregler eine wesentlich höhere Effizienz als lineare Regler bieten, erfordert ihre hohe Betriebsdynamik vor der endgültigen Inbetriebnahme eine sorgfältigere Überprüfung. Es ist ratsam, einen Hochlastwiderstand — entsprechend der bei der gewünschten Prüfspannung anfallenden Verlustleistung — an den Ausgang anzuschließen und mit einem Oszilloskop die Höhe der Restwelligkeit und (das Fehlen von) HF-Schwingungen zu überprüfen. In diesem Stadium ist es auch möglich, die maximale Ausgangsspannung bei bestimmten Eingangsspannungen zu überprüfen.

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Der Originalartikel "DC-DC 3-A Power Converter" (240036-02) soll im Elektor Circuit Special 2024 erscheinen, das im August 2024 in den Handel kommt.