Bild 6.3a: Vom Step-Down-Wandler (oben) zum Inverswandler (unten)
Wie der Name schon vermuten lässt, werden Inverswandler eingesetzt, um Spannungen umgekehrter Polarität zu erzeugen. Da im Normalfall immer eine positive Spannung vorhanden ist, dienen sie meistens der Erzeugung einer negativen Spannung. Die Funktionsweise ist im Prinzip wieder identisch mit dem Step-Down-Wandler. Die Masse der Eingangsspannung liegt jedoch dort, wo beim Step-Down-Wandler der Ausgang war und die (negative) Ausgangsspannung wird dort abgenommen, wo vorher die Masse war. In Bild 6.3a ist die Funktionsweise des Inverswandler (unten) im Vergleich zum Step-Down-Wandler (oben) zu sehen. Wie Sie sehen, habe ich beim Inverswandler nur die Ein- und Ausgänge etwas vertauscht sowie die Stromrichtungen angepasst; sonst habe ich nichts geändert.
Trotz der offensichtlichen Ähnlichkeit zum Step-Down-Wandler gibt es bei der technischen Realisierung einen wesentlichen Unterschied: Die Masse der Eingangsspannung liegt jetzt direkt an der Speicherdrossel. Das bedeutet zunächst, dass die Ausgangsspannung, da sie negativ ist, nicht auf den invertierenden, sondern auf den nichtinvertierenden Eingang des Regelverstärkers zurückgekoppelt werden muss. Das setzt voraus, das dieser Eingang zugänglich ist, wie das z. B. beim SG3524 der Fall ist. Eine einfachere Lösung dieses Problems bekommt man, wenn man die Masse des gesamten Wandlers auf die negative Ausgangsspannung legt. Das setzt aber voraus, dass der Wandler bei Spannungen von etwa Ue sicher anläuft und die Gesamtspannung von Ue - (-Ua) noch verträgt. Der mögliche Spannungsbereich ist dadurch eingeschränkt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Ausgangsspannung bei eingeschaltetem Schalttransistor nicht ansteigt. Einfache „Geradeausregler“ wie in Bild 6.1c beschrieben würden daher nicht stabil funktionieren. Auch bei der maximalen Ausgangsleistung gibt es einen Unterschied. Im Gegensatz zu Step-Up- und Step-Down-Wandlern muss beim Inverswandler die gesamte Leistung über die Speicherdrossel übertragen werden. Bei gleicher Dimensionierung der Bauteile ist deshalb die erzielbare Ausgangsleistung des Inverswandlers immer geringer.
Die einfachste Reglerschaltung lässt sich wieder mit einem LM2576 realisieren.
Die Schaltung ist praktisch identisch mit der aus Bild 6.1b. Die gemeinsame Masse für Ein- und Ausgangsspannung wurde einfach nur auf den ursprünglichen Ausgang umgelegt. Die minimale Eingangsspannung beträgt 7 Volt. Die Potentialdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung darf maximal 40 Volt betragen. Die Ausgangsspannung bei den einstellbaren Versionen berechnet sich zu Ua = −1,23 V (1 + R2/R1).
Auch mit dem MC34063 kann man einen einfachen Inverswandler aufbauen:
Die Schaltung in Bild 6.3c arbeitet ab ca. 4 Volt. Die maximal zulässige Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung beträgt 40 Volt. Dasselbe würde auch für die mit dem SG3524 aufgebauten Wandler aus Bild 6.1d/e gelten. Der SG3524 hat aber beide Eingänge des Regelverstärkers herausgeführt. Beim Einsatz des SG3524 ist es deshalb sehr sinnvoll, diesen Vorteil zu nutzen, um ihn direkt an der Eingangsspannung betreiben zu können. Die negative Ausgangsspannung darf dann beliebig groß werden. Mit dem SG3524 lässt sich eine hochwertige Regelschaltung aufbauen. Bei der Schaltung aus Bild 6.1e sind dazu nur wenige Änderungen nötig.
Sollen Eingangsspannungen über 35 Volt gewandelt werden, kann einfach die Ausgangsstufe aus Bild 6.1g überommen werden. Eine interessante Variante wäre vielleicht noch die Kombination der Potentialtrennung aus Bild 6.1g mit der P-Kanal-MOSFET-Ansteuerung aus Bild 6.3e. Ggf. muss auch R4 und R5 vergrößert werden, damit die Verlustleistung in T3 nicht übermäßig groß wird.
Der Stützkondensator C5 muss bei dieser Schaltung möglichst dicht an den Source-Pin des MOSFETs und die Anode von D1 angeschlossen werden. Wenn dann noch D1 direkt neben T1 platziert wird, sind die kritischen Punkte weitgehend entschärft.
Wenn nun statt des SG3524 ein TL494 eingesetzt werden soll, ist das auch kein Problem, wenn keine Strombegrenzung benötigt wird. Die Schaltung ist auch dann wieder sehr ähnlich. In Bild 6.3f ist das Pendant zu 6.3e mit TL494 zu sehen. Eine separate Betriebsspannung für den TL494 ist hier allerdings nicht eingezeichnet. Die muss natürlich wieder erzeugt werden, wenn die Eingangsspannung über 35 Volt beträgt.
Bei Betriebsspannungen unter 20 Volt kann wieder das RC-Glied R5/C5 entfallen und überbrückt werden. Bei Betriebsspannungen unter 35 Volt kann auch T3 enfallen und die Basis von T1 direkt mit dem IC (Pin 8 u. 11) verbunden werden. Bei höheren Eingangsspannungen muss dagegen das IC mit einer separaten Spannungsversorgung von ca. 15 Volt ausgestattet werden, wobei C5 und R5 natürlich wieder entfällt.
Wenn man von gut beschaffbaren P-Kanal-MOSFETs bis 200 Volt Sperrspannung ausgeht, können beide Versionen aus Bild 6.3e/f für eine Differenzspannung zwischen Ein- und Ausgang bis etwa 180 Volt ausgelegt werden. Soll die Spannungsdifferenz noch größer oder die Leistung sehr hoch werden, empfehle ich die Verwendung von N-Kanal-MOSFETs oder IGBTs. Da hier die Gate-Steuer-ICs wegen des negativen Gate-Potentials nicht geeignet sind, bietet sich zur Ansteuerung z. B. die Trafoansteuerung aus Bild 5.1b an. Um den Trafo ansteuern zu können, muss der TL494 noch mit einem Ausgangstreiber-Transistor versehen werden. Wie man einen SG3524 entsprechend beschaltet, ist in Bild 6.1i zu sehen.
Inverswandler haben bei hoher Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannzng kaum noch Nachteile gegenüber Abwärtswandlern, da der direkte Stromfluss vom Ein- zum Ausgang durch die Drossel kaum noch ins Gewicht fällt. Hingegen ist von Vorteil, dass beim Versagen (= Kurzschluss) des Leistungsschalters die Last nicht durch Überspannung gefährdet ist. Daher ist diese Topologie bevorzugt geeignet für eine netzverbundene Stromversorgung, wenn ein Kondensatornetzteil nicht stromergiebig genug ist, der Kondensator baulich zu groß wird oder wechselnde Ströme bei gleich bleibender Spannung erforderlich sind. In Verbindung mit einer Triac-Steuerung wird ohnehin eine gegenüber P negative Spannung von typisch –5 V, –50 mA, benötigt.
Ein etwas exotischerer Wandler, der sich nicht eindeutig in die Gruppe der bisher behandelten Schaltregler einordnen lässt, ist der SEPIC-Konverter (Single Ended Primary Inductance). Er ist eine Art Kombination aus Step-Down- und Step-Up-Wandler. Der Vorteil des SEPIC-Konverters besteht darin, dass die Höhe der Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung ist. Das ist ganz praktisch, wenn nicht von vornherein feststeht, ob die Eingangsspannung größer oder kleiner als die Ausgangsspannung ist. Ein weiterer Vorteil ist die Gleichspannungsentkopplung zwischen Ein- und Ausgang. Während beim Step-Down-Wandler die Spannung am Ausgang nie größer und beim Step-Up-Wandler nie kleiner werden darf als am Eingang, sind Ein- und Ausgang des SEPIC-Konverters beim Abschalten des Schalttransistors voneinander entkoppelt. In Bild 6.4a ist die Grundschaltung des SEPIC-Konverters zu sehen.
Der Aufbau des SEPIC-Konverters ist dem Step-Up-Wandler ähnlich. Vor der Diode befindet sich jedoch ein Koppelkondensator Ck, der den Gleichspannungsanteil von Ue auskoppelt. Da über die Diode nur ein Gleichstrom fließen kann, würde sich Ck schnell aufladen und es würde kein weiterer Strom fließen. Die Spule L2 sorgt dafür, dass der mittlere Gleichspannungspegel hinter Ck immer etwa auf null Volt bleibt. Die Diode richtet den positiven Anteil der Spulenspannung gleich, der dann am Elko CS zur Verfügung steht. Je nach Tastverhältnis der Rechteckspannung kann dieser Anteil fast null oder auch beliebig hoch werden.
Im Grunde genommen könnten sich die beiden Spulen auch auf dem gleichen Spulenkörper befinden. Der Koppelkondensator Ck ersetzt nur die magnetische Kopplung zwischen den Spulen. Wären also L1 und L2 die Spulen eines Übertragers mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1, könnte man theoretisch auf Ck verzichten. Wenn man davon absieht, dass man dann schon einen Sperrwandler hätte, kann man auf Ck auch dann nicht ganz verzichten. Da die Kopplung zwischen den Spulen nicht ideal ist (Stichwort Streuinduktivität), würde beim Abschalten des Schalters an L1 kurzzeitig eine sehr hohe Spannung induziert werden und diesen u. U. zerstören. Auf diese Problematik werde ich aber noch in den folgenden Kapiteln bei den Sperr- und Flusswandlern näher eingehen. Eine magnetische Kopplung der Spulen hat aber auf jeden Fall den Vorteil, dass nur ein kleiner Teil der Gesamtleistung über Ck übertragen werden muss und dieser wesentlich kleiner sein kann.
Da der Schalter auf Masse liegt, ist der elektronische Teil des SEPIC-Konverters mit dem eines Step-Up-Wandlers identisch. Es können demnach die Schaltungen aus Kapitel 6.2 direkt übernommen werden. Als einfaches Beispiel möchte ich eine Schaltung mit dem LM2577 zeigen.
