Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, englisch DC-DC Converter, bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzung erfolgt mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher. Sie bilden neben Gleichrichtern, Wechselrichtern und Umrichtern eine Untergruppe der Stromrichter und zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern. Im Bereich der elektrischen Energietechnik werden sie auch als Gleichstromsteller bezeichnet.

Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität (induktiver Wandler) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Transformator. Im Gegensatz dazu werden Wandler mit kapazitiver Speicherung (kapazitiver Wandler) als Ladungspumpen bezeichnet. Ladungspumpen werden eingesetzt, wenn entweder – wie in integrierten Schaltungen – Induktivitäten nicht verfügbar sind, oder wenn so wenig Ausgangsleistung erforderlich ist, dass sich der Einsatz der teuren Spulen gegenüber den billigen Kondensatoren nicht lohnt.

Geräte, die im Unterschied eine Gleich- in eine Wechselspannung umwandeln, heißen dagegen Wechselrichter, beide gehören zusammen mit weiteren Wandlerarten zur Gruppe der Stromrichter.

Anwendungen

Gleichspannungswandler sind Bestandteil von Schaltnetzteilen, mit denen Verbraucher wie PC-Netzteile, Notebooks, Mobiltelefone, Kleinmotoren, HiFi-Geräte u. v. m. betrieben werden. Die Vorteile gegenüber Linearnetzteilen liegen im besseren Wirkungsgrad und geringerer Wärmeentwicklung. Vor allem ersteres spielt bei der Wandlung einer Batteriespannung eine große Rolle, da die Lebensdauer der Batterie bei einem Schaltnetzteil wesentlich höher liegt: Bei einem linearen Spannungsregler oder einem Vorwiderstand hingegen wird die am Längswiderstand abfallende Leistung in Abwärme umgewandelt. Die beim Schaltnetzteil auftretenden Schaltverluste sind dagegen wesentlich geringer.

Neben seinem Zweck als Spannungswandler dient ein getakteter Spannungssteller auch gleichzeitig als Filter, um besonders bei Hochleistungsanwendungen den negativen Einfluss auf das Stromnetz (so genannte Netzrückwirkung) so gering wie möglich zu halten. Ein Beispiel ist die aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC).

DC-DC-Wandler werden auch als vollständig gekapselte Wandlermodule angeboten, welche teilweise für die direkte Bestückung auf Leiterplatten vorgesehen sind. Die Ausgangsspannung kann je nach Bauart kleiner, gleich oder größer als die Eingangsspannung sein. Am bekanntesten sind die Baugruppen, welche eine Kleinspannung auf eine galvanisch getrennte Kleinspannung übersetzen. Die gekapselten DC-DC-Wandler werden für Isolationsspannungen von 1,5 kV bis über 3 kV angeboten und dienen der Stromversorgung kleiner Verbraucher in Gleichspannungsnetzen wie z. B. an 24 V in Industrieanlagen oder an 48 V in der Telekommunikation oder Bereich elektronischer Baugruppen beispielsweise 5 V für Digitalschaltungen oder ±15 V für den Betrieb von Operationsverstärkern.

Gleichspannungswandler und im historischen Bezug für hohe Ausgangsspannungen werden auch Transverter bezeichnet. Die Schaltung enthält einen Wechselrichter und einen Transformator mit nachfolgender Gleichrichtung. Beispiele sind akkumulatorbetriebene Elektronenblitzgeräte oder auch Gleichspannungswandler mit Potentialtrennung.

In der elektrischen Energietechnik und Antriebstechnik werden Gleichstromwandler als Gleichstromsteller bezeichnet. Die Unterschiede betreffen primär den Einsatz und den Leistungsbereich. Als Schalter, im Bereich der Energietechnik auch als Ventile bezeichnet, kommen dabei Leistungs-MOSFET, IGBTs und Thyristoren zum Einsatz. Gleichstromsteller werden in diesem Anwendungsgebiet auch als Kombination in Form des Zwei- oder Vierquadrantensteller eingesetzt. In Anlehnung an diese Terminologie bezeichnet man den einfachen Gleichstromsteller als Einquadrantensteller.

Topologien (Grundschaltungen)

Gleichspannungswandler werden nach verschiedenen Kriterien klassifiziert und in verschiedene Topologien eingeteilt. Die Zuordnung der einzelnen Topologien zu den Hauptgruppen Flusswandlerprinzip, Sperrwandlerprinzip und Resonanzwandlerprinzip ist in der Literatur nicht einheitlich festgelegt.

Der Parameter D in der Spalte Spannungsbereich spezifiziert den Pulsbreitenfaktor, welcher im Bereich von 0 bis 1 liegen kann. Die Spannung U_E ist die Eingangsspannung mit gültigen Bereich in Relation zur Ausgangsspannung U_A und dem Übersetzungsverhältnis.

Wandlertopologien ohne galvanische Trennung

Wandlertyp	Energieübertragende Bauelemente	q = UAusgang/UEingang	Prinzipschaltung
Ladungspumpe positiv	Kondensator C1	q > 1
Ladungspumpe negativ	Kondensator C1	q < 0
Abwärtswandler englisch Buck Converter	Speicherdrossel L	q = 0…1, = D
Aufwärtswandler englisch Boost Converter	Speicherdrossel L	q ≥ 1, = 1 / (1 − D)
Inverswandler englisch Inverting Buck–Boost Converter	Speicherdrossel L	UA ≤ 0, ${\displaystyle U_{A}=-{\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}}$
Synchronwandler	Speicherdrossel L	0 ≤ UA ≤ UE, ${\displaystyle U_{A}=D\cdot U_{E}}$ Leistungsfluss- richtung wählbar
SEPIC-Wandler	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	UE > 0, ${\displaystyle U_{A}={\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}}$
Ćuk-Wandler	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	UE > 0, ${\displaystyle U_{A}=-{\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}}$
Zeta-Wandler	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	UE > 0, ${\displaystyle U_{A}={\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}}$
Doppelinverter	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	q = -D / (1 - D)
Split-Pi-Wandler englisch Boost–Buck Converter	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C2	beliebig, Leistungsfluss- richtung wählbar
Kaskadierter Ab-Aufwärtswandler englisch Buck-Boost Converter	Speicherdrossel L	beliebig, Leistungsfluss- richtung wählbar

Bauelemente im Gleichspannungswandler

Literatur

• Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis. 3. Auflage. Vogel Buchverlag, 1992, ISBN 3-8023-1436-0. 

Weblinks

• Skript (PDF; 679 kB), Gregor Schenke, FH OOW
• Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch

Anmerkungen

1. ↑ Die gegebenen Werte sind Richtwerte aus der Praxis, nicht jedoch prinzipielle Grenzen.

Einzelnachweise

1. ↑ Adolf Güntherschulze: Elektrische Gleichrichter und Ventile. 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1929, S. 253 ff.
2. ↑ Günter Lindemann: Grundlagen der Elektronik. VEB Verlag Technik, Berlin, ISBN 978-3-663-00612-1, S. 30–31.
3. ↑ ST AN2389: "An MCU-based low cost non-inverting buck-boost converter for battery chargers"
4. ↑ Beschreibung von Resonanzwandlern
5. ↑ 11kW, 70kHz LLC Converter Design for 98% Efficiency. Abgerufen im 1. Januar 1 
6. ↑ Microchip: Multiphase Synchronous Buck Converter (PDF; 825 kB) (englisch). Seite 4 ff.
7. ↑ Voltage Regulator-Down (VRD) 11.1, Processor Power Delivery Design Guidelines. Intel, September 2009, abgerufen am 12. Januar 2013. 
8. ↑ Pfeifendes Mainboard. c't Magazin 15/10, 2010, abgerufen am 12. Januar 2013.