Aufwärts- oder Step-Up-Wandler werden dann eingesetzt, wenn man Spannungen benötigt, die höher sind als die Versorgungsspannung(en) eines Systemes. Die Ausgangsspannung kann jedoch nicht kleiner werden als die Eingangsspannung. Genau wie der Step-Down-Wandler besteht auch der Step-Up-Wandler aus zwei Schaltern, einer Speicherdrossel und einem Elko am Ausgang.
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Bild 6.2a: Der Auflade-,
der Entladezyklus
mit Diode als Schalter |
Die Induktivität berechnet sich zu L ≈ µNA/l, (µ0 = 4π*10−7Vs/Am, N Windungszahl; A, l Querschnittsfläche und Länge des Luftspaltes in m2 und m) oder, falls der AL-Wert bekannt ist, zu L = AL N2. Die maximale Stromstärke der Speicherdrossel errechnet sich wieder zu Imax ≈ Bl/Nµ mit B ≈ 0,4 Tesla bei Ferritkernen. Bei optimaler Dimensionierung muss die Drossel mindestens den doppelten Eingangsstrom verkraften. Die minimale Induktivität der Spule hängt von der Schaltfrequenz f ab. Auch hier lassen sich die Formeln aus Kapitel 6.1 anpassen. Bei Verwendung einer vorgegebenen Drossel für den zu bauenden Wandler kann die minimale Schaltfrequenz f nach der Formel f = 1/T = Ue/2IeL berechnet werden. Ie ist der kleinstmögliche Eingangsstrom im Normalbetrieb. Ist die Schaltfrequenz vorgegeben, muss die Induktivität mit L = Ue/2Ief berechnet werden.
Auch beim Step-Up-Wandler kann einer der beiden Schalter durch eine Diode ersetzt werden. In diesem Fall ist es jedoch der Schalter, der nicht gegen Masse schaltet. Das hat den großen Vorteil, dass der aktive Schalter, da er mit einem Pol an Masse liegt, sehr leicht angesteuert werden kann.
Da dieser Wandlertyp ebenfalls sehr gebräuchlich ist, gibt es auch dafür schon fertige Regler-ICs.
Der älteste und bekannteste Vertreter dieser Step-Up-Regler-ICs dürfte wohl der TL497 sein. Da Emitter und Kollektor des Schalttransistors von außen zugänglich sind, kann dieses IC auch als Step-Down-Regler eingesetzt werden. Allerdings beträgt die maximale Betriebsspannung des ICs nur 12 Volt, was die Anwendungsmöglichkeiten als Step-Down-Regler deutlich einschränkt. Eine sehr beliebte Anwendung ist z. B. in Programmiergeräten die Erzeugung der Programmierspannung für Speicher, programmierbarer Logik oder Single-Chip-Controller. Dort steht meistens nur eine geringe Betriebsspannung, z. B. 5 Volt, zur Verfügung. Die programmierbaren Chips benötigen aber teilweise über 20 Volt für die Programmierung.
In Bild 6.2b links ist der Schaltplan eines solchen mit dem TL497 aufgebauten Wandlers zu sehen. R3 begrenzt den Kollektorstrom des Schalttransistors auf den zulässigen Maximalwert von ca. 500 mA. Ohne externen Leistungstransistor ist der TL497 also nur für Wandler mit kleiner Leistung geeignet. Daneben hat der TL497 noch eine Diode eingebaut. Diese vereinfacht den Aufbau. Bei höheren Leistungen müsste sie aber ebenfalls durch eine stärkere externe Diode ersetzt werden. Eine Besonderheit des TL497 ist das Timing. Der Kondensator C2 bestimmt eine feste Einschaltzeit des Schalttransistors. Sie liegt bei einem Wert von 470 pF bei ca. 40 µs. Das Tastverhältnis am Schaltausgang wird durch Variation der Schaltfrequenz eingestellt.
Bild 6.2b: Einfachste Ausführungen von Step-Up-Reglern
Sollen größere Leistungen gewandelt werden, bietet sich wieder
ein kompaktes IC aus der Simple-Switcher-Serie von NSC an.
Bild 6.2b rechts zeigt einen Wandler,
der mit dem LM2577-ADJ und einigen externen Bauteilen aufgebaut ist.
Die maximale Ausgangsspannung darf bis zu 60 Volt betragen,
allerdings ist dafür auch eine andere Diode zu verwenden.
Mit der angegebenen Schottky-Diode vom Typ 1N5822
muss die Ausgangsspannung unter 40 Volt bleiben.
Der Drosselstrom ist auf 3 Ampere begrenzt, was
einem mittleren Eingangsstrom von min. 1,5 Ampere entspricht.
Der maximale Ausgangsstrom verringert sich dann der Spannungserhöhung
entsprechend.
Wie der LM2576 hat auch der LM2577 eine fest eingestellte
Oszillatorfrequenz von 52 kHz.
Ebenfalls gibt es einige Festspannungsversionen des LM2577,
bei denen der Feedbackeingang Pin 2 direkt mit der
Ausgangsspannung verbunden wird.
Natürlich lässt sich ein Step-Up-Regler auch anderen Standardbauteilen aufbauen. Zunächst wären da wieder die Lösungen mit dem schon bekannten MC34063. Für kleine Leistungen sind auch hier nur wenige externe Bauteile nötig.
Eine Strombegrenzung ist nicht vorgesehen, da sie beim TL494 etwas aufwendiger wäre. Falls die Eingangsspannung nicht abgesichert ist, muss eine Schmelzsicherung vorgeschaltet werden.
Die Sperrspannung der Diode D1 muss mindestens um einige Volt höher sein als die Ausgangsspannung. Bei Schottky-Dioden kann es manchmal etwas knapp werden. Bei normalen Dioden ist es sowieso kein Problem, da es diese mit ausreichend hohen Sperrspannungen gibt und man sie großzügig überdimensionieren kann. Wichtig bei normalen Dioden ist es, dass nur ultraschnelle Typen mit Sperrverzugszeiten unter 100 ns verwendet werden. Andernfalls wird der Wirkungsgrad durch Schaltverluste unnötig verschlechtert. R6 muss ggf. noch an die Gate-Kapazität von T1 angepasst werden. Bei zu hohem Wert von R6 schaltet T1 langsamer und verursacht Schaltverluste. Bei zu niedrigem Wert neigen MOSFETs zu hochfrequenten Schwingungen.
Bei der Auswahl eines Typs für T1 bleibt die Wahl relativ frei. Es können auch mehrere Transistoren parallel geschaltet werden, um auf die erforderliche Strombelastbarkeit zu kommen. Jedem Transistor sollte aber ein eigener Gate-Widerstand (R6) spendiert werden. Beim Design bzw. Aufbau der Schaltung ist darauf zu achten, dass insbesondere die Verbindungsleitungen zwischen D1, T1 und C8 sehr kurz und induktionsarm sind. Das ist umso wichtiger, je höher die Ströme sind. In diesen Leitungen können bei höheren Wandlerleistungen ohne weiteres periodische Stromanstiegsgeschwindigkeiten von etlichen ±100 A/µs auftreten. Da kann schon ein zu lang geratenes Stück Draht soviel Spannung induzieren, dass Bauteilfunktionen gestört oder sogar Bauteile zerstört werden. Abhilfe schaffen nur ein kompakter Aufbau und großflächige Leiterbahnen. Ggf. muss auch der Gatewiderstand R6 vergrößert werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu reduzieren, was natürlich den Wirkungsgrad verschlechtert. Ich verweise an dieser Stelle auch nochmal auf die Designregeln aus Kapitel 6.1.
Statt des TL494 lässt sich auch ein SG3524 einsetzen. In Bild 6.2e sind zwei solcher Wandler zu sehen. Da auch beim SG3524 Kollektor und Emitter der Ausgangstransistoren herausgeführt sind, ist die Beschaltung der externen Endstufe weitgehend identisch. Die internen Transistoren des SG3524 sind mit einem maximalen Kollektorstrom von 100 mA so schwach, dass ein Wandler ohne externen Schalttransistor kaum Sinn macht.
Ein weiteres interessantes IC für Step-Up-Wandler ist der UC3842, den ich bereits in Bild 6.1m als Regler für einen Abwärtswandler missbraucht habe. Da die Funktionsweisen von Sperr- und Step-Up-Wandlern einander ähneln, lässt sich der UC3842 auch als Step-Up-Regler einsetzen. Ich habe deshalb zwei Beispiele aus meinem Monitor-Handbuch übernommen, in denen dieses IC zum Einsatz kommt. Es handelt sich dabei um zwei Versionen eines einstellbaren Gleichspannungsnetzteiles, mit dem man Spannungen von 24–300 Volt erzeugen kann. Das Gerät diente ursprünglich zum Testen von Netzteilen und anderen Schaltungen mit hoher Betriebsspannung. Natürlich sind auch beliebige andere Anwendungen denkbar.
Die Betriebsspannung des 3842 muss mindestens 16 Volt betragen, damit ihn dessen Unterspannungssensor sicher aktiviert. Die maximal sinnvolle Betriebsspannung ist ca. 20 Volt. Zwar verträgt der 3842 über 30 Volt, aber die Ausgangsspannung entspricht auch der Betriebsspannung und MOSFETs sollten mit nicht mehr als 20 Volt angesteuert werden. Einen größeren Betriebsspannungsbereich erreicht man mit dem sonst baugleichen UC3843, der aber bereits ab ca. 9 Volt arbeitet und ebenfalls sehr weit verbreitet ist.
In Bild 6.2f rechts wurde der Strommesswiderstand überbrückt. Dadurch entfällt zwar die Strombegrenzung, aber die Rampenspannung kann unabhängig vom tatsächlichen Drosselstrom mit einer kleinen Zusatzschaltung erzeugt werden. Der 3842 arbeitet dann wie die meisten Step-Up-Wandler im PWM-Modus (Pulsweitenmodulation). Deshalb darf die Drossel jetzt etwas überdimensioniert werden. Die Dimensionierung ist dann wesentlich unkritischer und die Effektiv- und Spitzenstrombelastung kann deutlich reduziert werden. Das steigert nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch die erzielbare Ausgangsleistung.
Der Wegfall der Strombegrenzung ist übrigens kein großer Nachteil, da bei einem Aufwärtswandler die Eingangsspannung sowieso strombegrenzt oder abgesichert sein muss. Selbst wenn der Schalttransistor abschaltet, wird im ausgangsseitigen Kurzschlussfall die Eingangsspannung über die Schaltdiode kurzgeschlossen.
Neben den Anwendungen im Bereich höherer Leistungen können solche Wandler auch bei sehr niedrigen Leistungen eingesetzt werden. Eine interessante Schaltung auf der Basis eines selbstschwingenden Step-Up-Reglers ist der „9-Volt-Blockbatterie-Emulator“. Solche Blockbatterien werden in vielen Geräten, auch Messgeräten für professionellen Einsatz verwendet. Bei häufigem Gebrauch verwendet man sinnvollerweise Akkus. Leider ist die Lebensdauer dieser 9-Volt-Akkus vergleichsweise gering. Beim Laden und Entladen der in Serie geschalteten Akkuzellen ist eine optimale Behandlung der Einzelzelle nicht möglich. Beim Entladen sind einzelne Zellen schon leer, während andere noch ihre volle Leistung abgeben. Bei Tiefentladung, die durch Vergesslichkeit des Anwenders beim Ausschalten der Geräte regelmäßig vorkommen kann, werden diese schwächeren Zellen durch den Entladestrom der stärkeren Zellen auch noch in entgegengesetzter Polarität aufgeladen. Beim Aufladen gibt es dann das gleiche Problem. Einige Zellen müssen überladen werden bis andere wirklich voll sind.
Wesentlich zuverlässiger funktionieren dagegen einzellige Akkus, die i. d. R. leider nur 1,2 Volt abgeben. Die meisten Schaltungen benötigen aber wesentlich höhere Betriebsspannungen. Bild 6.2g zeigt einen einfachen Step-Up-Regler, mit dem es möglich ist, solche Schaltungen mit einer einzelnen NiCd- oder NiMH-Zelle zu versorgen.
Solange die Sollspannung am Ausgang noch nicht erreicht ist, arbeitet der Wandler mit seiner maximalen Leistung. Erst wenn die Basisspannung von T3 die Akkuspannung, die hier als Referenzspannung für den Regler dient, überschreitet, beginnt T2 zu sperren. Das reduziert den Basisstrom von T1, sodass dieser schon bei geringeren Strömen in die Sättigung gerät und abschaltet. Bedingt durch das Teilungsverhältnis von R2 und R3 wird die Ausgangsspannung auf das ca. 7,5-fache der Eingangsspannung geregelt. Dies ist vor allem bei Verwendung von 1,5-Volt-Zellen zu berücksichtigen. Je nach verwendeten Bauteilen lässt sich dem Wandler ein Ausgangsstrom von 20–30 mA entnehmen. Das sollte für die meisten Geräte ausreichend sein. Im Leerlauf beträgt der Eingangsstrom 0,5–1 mA. Das ist zwar schon sehr sparsam, aber noch zuviel, um den Akku permanent am Wandler zu betreiben. Deshalb sollte der Geräteschalter möglichst die Akkuspannung unterbrechen. Die Schaltung lässt sich meistens sogar nachträglich samt Batteriefach für eine Mignonzelle an den für die Blockbatterie bestimmten Platz einbauen. Die Spulen werden einfach auf einen ca. 10 mm langen und 4 mm dicken Ferritkern gewickelt.