Aufwärts-, Abwärts- und Auf-/Abwärtswandler – eine Einführung

Ein Buck- oder auch Abwärtswandler ist ein DC/DC-Schaltnetzteil, das die Eingangsspannung einer ungeregelten Gleichstromversorgung auf eine stabilisierte, niedrigere Ausgangsspannung herunterregelt (reduziert). Abwärtswandler sind insbesondere im Vergleich zu traditionellen Spannungsreglern aufgrund ihres sehr hohen Wirkungsgrads – oft über 95% – weit verbreitet. Das vereinfachte Schaltbild zeigt den Stromfluss während des Schaltvorgangs eines Abwärtswandlers.

Abwärtswandler werden oft anstelle von herkömmlichen, wenig effizienten Linearreglern verwendet, um in verschiedenen Anwendungen wie Mikroprozessoren, Kommunikationsgeräten oder Steuersystemen eine Niederspannungs-Bordstromversorgung bereitzustellen.

Ein Boost- oder auch Aufwärtswandler ist ein DC/DC-Schaltnetzteil, das die Eingangsspannung einer ungeregelten Gleichstromversorgung auf eine stabilisierte, höhere Ausgangsspannung aufwärts regelt (erhöht). Ähnlich wie ein Abwärtswandler verwendet der Aufwärtswandler eine Induktivität, Diode, einen Kondensator und einen Leistungsschalter zur Spannungsregelung – jedoch in abweichender Anordnung. Das vereinfachte Schaltbild zeigt, wie der Strom während eines Schaltvorgangs durch die Schaltung eines Aufwärtswandlers fließt.

In einem Aufwärtswandler wird die Ausgangsspannung durch das Tastverhältnis des PWM-Signals geregelt, sodass sie gleich oder größer als die Eingangsspannung Vin ist. Da die Leistung erhalten bleibt, kann ein Wandler, der die dreifache Spannung erzeugt, nur ein Drittel des Eingangsstroms als Ausgangsstrom liefern. Trotz dieses Kompromisses sind Aufwärtswandler weit verbreitet in batteriebetriebenen Geräten – etwa wenn zwei Batterien 3V liefern, aber eine Schaltung mit 5V betrieben werden muss.

Ein Auf-/Abwärtswandler kann einen geregelten DC-Ausgang aus einer Stromquelle bereitstellen, deren Spannung entweder unter oder über der gewünschten Ausgangsspannung liegt. Eine Auf-/Abwärtswandlerschaltung kombiniert Elemente sowohl eines Abwärtswandlers als auch eines Aufwärtswandlers, benötigt jedoch häufig eine größere Grundfläche als die beiden Einzelvarianten. Das vereinfachte Schaltbild zeigt, wie der Strom während eines Schaltvorgangs durch die Schaltung eines Auf-/Abwärtswandlers fließt.

Wie im Diagramm zu erkennen ist, ist die Ausgangsspannung (Vout) tatsächlich negativ in Bezug auf das Versorgungspotenzial, was bestimmte Designs erschweren kann. Auf-/Abwärtswandler erfordern zudem teurere Bauteile, da sie sowohl bei maximaler Eingangsspannung (Vin max) einer hohen Spannung als auch bei minimaler Eingangsspannung (Vin min) einem hohen Eingangsstrom standhalten müssen. Dennoch sind sie in vielen Anwendungen nützlich. Sehr häufig werden Auf-/Abwärtswandler in der Hochleistungs-LED-Beleuchtung eingesetzt, bei der z. B. Blei-Säure-Batterien eine nominale Spannung von 9–14V an eine konstante 12V-LED-Last liefern.