Vor einiger Zeit haben wir in einem Artikel die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten integrierter Spannungswandler besprochen. Heute möchten wir dieses Thema fortsetzen und euch mit einem weiteren wichtigen Aspekt von Stromversorgungssystemen vertraut machen. Spannungswandler und lineare Regler – also Systeme, die ähnliche Aufgaben erfüllen, jedoch auf völlig unterschiedliche Weise. Im heutigen Text werden wir uns die Unterschiede zwischen ihnen im Detail ansehen und erklären, in welchen Fällen welche Lösung gewählt werden sollte
Ein Spannungswandler ist ein elektronisches System, dessen Aufgabe die Spannungsumwandlung unter Nutzung der Impulstechnik ist. Er besteht hauptsächlich aus einem Transistor, der als Schalter fungiert, einer Trägheitseinheit – meist einer Induktivität, einer Diode sowie einer Steuerungsschaltung. [caption id="attachment_70257" align="aligncenter" width="800"]
Abb. 1. Vereinfachtes Schaltbild eines Abwärtswandlers (Buck Converter)[/caption]
Der Durchlasstransistor arbeitet wie ein gesteuerter Schalter – er wechselt zwischen Abschalt- und Sättigungsmodus (Leitung). Dadurch verliert er kaum Leistung, was eine hohe Effizienz ermöglicht. Der durchschnittliche Ausgangsspannungswert wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) des Gatesignals am Transistor gesteuert. Für die Umwandlung der Impulsfolge zurück in Gleichstrom sind die Induktivität und der Kondensator verantwortlich. Die Induktivität wirkt dabei wie ein "Schwungrad" – wenn der Schalttransistor leitet, speichert sie Energie im Magnetfeld. Wenn der Transistor sperrt, fungiert sie als zeitweilige Energiequelle. Der Kondensator speichert elektrische Ladung und gleicht so Spannungsschwankungen aus. Zusammen bilden sie einen LC-Filter – einen Tiefpassfilter, der aus der Impulsfolge einen Gleichstrom erzeugt. Zu den gängigsten Topologien von Schaltnetzteilen zählen der Abwärtswandler (Buck) und der Aufwärtswandler (Boost). Es gibt auch Kombinationen beider Funktionen – sogenannte Buck-Boost-Wandler – sowie Inverter, die die Polarität der Spannung umkehren.
Die wesentlichen Bauteile eines Reglers sind ein Durchlasstransistor und eine Art Referenzspannung – meist über eine Zener-Diode realisiert. Das System wird durch negative Rückkopplung gesteuert, welche die konstante Ausgangsspannung hält. [caption id="attachment_70263" align="aligncenter" width="800"]
Abb. 2. Vereinfachtes Schaltbild eines linearen Reglers[/caption]
Der Transistor reguliert den Stromfluss abhängig von der Differenz zwischen Soll- und Ausgangsspannung. Das System fungiert somit wie ein Spannungsteiler, der automatisch seinen Widerstand an Eingangsspannung und Ausgangslast anpasst. Dadurch wird eine konstante Ausgangsspannung gehalten, während überschüssige Energie in Form von Wärme im Transistor verloren geht. Daraus ergibt sich der größte Nachteil von linearen Reglern – ihre vergleichsweise niedrige Effizienz. Genauer gesagt ist die Wirkungsgrad eines Reglers das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung. Das bedeutet, je größer die Spannungsdifferenz ist, desto niedriger ist die Effizienz. Dies führt oft zu hohen Verlusten in Form von Wärme. Außerdem können lineare Regler nur spannungsabsenkend arbeiten – andere Konfigurationen, die bei Schaltnetzteilen möglich sind, sind hier nicht realisierbar. Heutzutage sind die meisten linearen Regler als integrierte Schaltkreise verfügbar, wodurch sie sehr flexibel und einfach anwendbar sind. Manche verwenden auch einen externen Widerstands-spannungsteiler, der eine individuelle Einstellung der Ausgangsspannung ermöglicht.
Im Folgenden möchten wir euch einige typische Einsatzbereiche vorstellen, in denen die Vorteile von Schaltnetzteilen besonders wichtig sind.
Die höhere Effizienz der Spannungsumwandlung ist der Hauptgrund, warum Schaltnetzteile andere Lösungen verdrängen. Das ist besonders relevant bei stromstarken Versorgungssystemen. Je geringer die Energieverluste, desto weniger Abwärme muss abgeführt werden. Auch sinkt der Energiebedarf des gesamten Systems. Deshalb sind sie heutzutage das bevorzugte Mittel in Netzteilen, Inverterschweißgeräten oder Ladegeräten für Elektrofahrzeuge.
Wie bereits erwähnt, ist die Effizienz eines linearen Reglers das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung. Je größer der Unterschied, desto geringer die Effizienz. Mit anderen Worten: Je stärker die Spannung gesenkt wird, desto mehr Energie geht als Wärme verloren. Um dies zu verdeutlichen, folgendes Beispiel: Aus einer 24V Versorgung möchten wir eine 3,3V Schiene erzeugen, um eine Niederspannungslogik zu versorgen. Beim Einsatz eines linearen Reglers beträgt der Wirkungsgrad: 
Das bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Energie, nämlich 86,25%, in Wärme umgewandelt wird. Solch hohe Verluste führen zu einem deutlich höheren Energiebedarf des Systems und können die Wärmeableitung erschweren. Demgegenüber erreicht unser PSR1-783R3C Spannungswandler bei dieser Umwandlung eine Effizienz von bis zu 90%. Außerdem bietet er einen breiten Eingangsspannungsbereich und ein kompaktes, integriertes SIP-Gehäuse, das eine einfache Anwendung ermöglicht. Wir empfehlen, sich mit unserem Angebot an Gleich- und Wechselstromwandlern der renommierten deutschen Marke PEAK Electronics vertraut zu machen.
Bei batteriebetriebenen Geräten ist ebenfalls die Energieeffizienz entscheidend. Bei der Entwicklung solcher Geräte strebt man meist eine möglichst lange Batterielebensdauer an. Die höhere Effizienz von Schaltnetzteilen ist hierbei ein großer Vorteil. Einige erreichen Wirkungsgrade bis 96%, was bei linearen Reglern unerreichbar ist. Ein weiterer Punkt ist der Spannungsabfall⟧(Dropout), der typisch für lineare Regler ist. Er liegt üblicherweise zwischen 1V und 2V – das bedeutet, die Eingangsspannung muss mindestens so viel höher als die Zielspannung am Ausgang sein. Bei batteriebetriebenen Geräten ist das problematisch, denn die Zellenspannung sinkt mit zunehmender Belastung und Entladung. Zum Beispiel kann eine LR6/AA Alkalibatterie mit 1,5V Nennspannung auf etwa 0,8V abfallen. Um dennoch die Zielspannung am Ausgang zu erreichen, müssen oft mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden. Eine mögliche Lösung sind LDO-Regler (Low Dropout) mit geringem Spannungsabfall – teils unter 200mV. Das beseitigt das Problem aber nicht vollständig. Ein Beispiel: Wir entwickeln ein 3,3V-System mit einem 3,6V Nennspannungs Li-Ion NCM14500-850mAh Akku und wollen die Spannung mit einem LDO-Regler mit 120mV Dropout reduzieren. Der Verlauf der Eingangs- und Ausgangsspannung des Reglers beim Entladen des Akkus sieht so aus: 
Wie im Diagramm zu sehen ist, wird die gewünschte Ausgangsspannung nicht über die gesamte Betriebsdauer gehalten – sie fällt nach einer gewissen Zeit unter 3,3V ab. Da unser System bei geringerer Spannung nicht korrekt funktioniert, verlieren wir etwa 25% der Batterielaufzeit. Wie kann man dieses Problem lösen? Die bessere Wahl ist ein Spannungswandler – genauer gesagt in der Buck-Boost-Konfiguration. Dieser hält die Ausgangsspannung unabhängig vom Ladezustand konstant und nutzt die Kapazität des Akkus vollständig aus.
Obwohl Spannungswandler oft die bessere Lösung sind, werden lineare Regler an vielen Stellen nach wie vor häufig verwendet. Neugierig warum? Im Folgenden betrachten wir Fälle, in denen ein herkömmlicher Regler der impulsiven Variante deutlich überlegen sein kann.
Wie bereits erläutert, schwankt die Ausgangsspannung eines Wandlers⟧ während jedes Schaltzyklus. Zwar glättet der Ausgangskondensator diese Schwankungen, kann sie aber nicht vollständig beseitigen. Deshalb treten am Ausgang immer kleine Hochfrequenzstörungen⟧ auf – bekannt als Ripple⟧ oder Rauschen⟧. Meist sind diese so gering, dass sie keine Probleme verursachen, dennoch sind manche Geräte besonders empfindlich – darunter Audioequipment und präzise Messtechnik. Hier ist eine gut stabilisierte Versorgung essenziell. Der Schlüssel liegt in einer sorgfältigen Gestaltung des Wandlers – um hochfrequente Störungen zu minimieren, werden Bypass-Kondensatoren⟧, Ferritperlen sowie Snubber-Schaltungen⟧ (Dämpfungsschaltungen) eingesetzt. Dies erhöht allerdings Komplexität und Kosten – ein weiterer Grund, warum lineare Regler hier vorteilhaft sind. Auch elektromagnetische Interferenzen (EMI) sind ein Thema: Schaltnetzteile arbeiten mit Frequenzen von bis zu einigen zehn MHz und sind daher häufig bedeutende Quellen von elektromagnetischen Störungen⟧. Übermäßige Emissionen können andere nahe Geräte stören und Probleme bei der EMC-Zertifizierung verursachen. Mit linearen Reglern entfallen solche Schwierigkeiten.
Ein unbestrittener Vorteil linearer Regler ist deren einfache Anwendung. Sie sind meist als integrierte Schaltkreise verfügbar und bestehen nur aus weniger als drei Bauteilen⟧. Die Implementierung ist daher für Elektroniker auch mit wenig Erfahrung problemlos. Einzig die Wärmeableitung bei höheren Leistungen kann herausfordernd sein. Lesen Sie auch: Kühlung elektronischer Bauteile. Bei Spannungswandlern kann die Implementierung deutlich aufwändiger sein. Der Entwickler muss Bauteile mit exakt definierten Parametern auswählen⟧. Falsche Komponenten können die Funktion beeinträchtigen. Ebenso wichtig ist die richtige Layoutgestaltung auf der Leiterplatte – kurze Bauteilabstände und korrekte Verbindungen sind essenziell. Dies erfordert umfangreiches Know-how und Erfahrung. Die erhöhte Komplexität führt auch zu höheren Kosten⟧. Zudem ist oft der Platz auf der PCB begrenzt, vor allem bei kompakten tragbaren Geräten zählt jeder Quadratmillimeter. Eine höhere Bauteilanzahl erschwert das effiziente Platzmanagement.
Jeder Spannungswandler zieht permanent einen kleinen Strom – den sogenannten Ruhe- oder Leerlaufstrom⟧. Dieser wird benötigt, um Funktionen auszuführen – wie Überwachung der Ausgangsspannung, interne Referenzspannungen, Schalten der Transistoren usw. Dieser Strom wird unabhängig von der Last verbraucht – selbst bei keiner Last zieht der Wandler Energie. Das kann z.B. zum Entladen der Batterie⟧ bei längerer Inaktivität führen. Lineare Regler haben aufgrund ihrer anderen Bauweise wesentlich geringere Ruheströme. Das ist vor allem für Systeme relevant, die lange Zeit im Standby⟧ verbringen – hier senken lineare Regler den Energieverbrauch. Wichtig ist auch, dass ein Wandler nur bei optimaler Last⟧ seine maximale Effizienz erreicht; bei anderen Bedingungen sinkt die Effizienz und kann sogar unter die eines linearen Reglers fallen. Daher ist es ratsam, Datenblätter mit Effizienzkurven in Abhängigkeit vom Laststrom genau zu studieren.
Zurück zur Frage aus dem Titel: Welche Lösung soll ich wählen? Welches System eignet sich besser für meine Anwendung oder bietet höhere Effizienz? Eine eindeutige Antwort gibt es leider nicht. Jeder Einzelfall muss individuell mit Berechnungen oder Abschätzungen betrachtet werden. Bei Elektronikdesign⟧ gibt es viele solcher Feinheiten, und die richtigen Entscheidungen erfordern umfangreiches Wissen und Erfahrung. Deshalb entscheiden sich immer mehr Unternehmen dafür, diese Aufgabe an externe Entwicklungsbüros zu vergeben. Wenn auch du solche Überlegungen anstellst, suche nicht weiter – das erfahrene Ingenieurteam von InterElcom übernimmt gerne deinen Auftrag! Wir bieten komplette Lösungen – von der Konzeption bis zur Produktion. Zudem gehört unser Elektronik-Komponentenangebot zu den attraktivsten auf dem polnischen Markt. Wir laden dich ein, dich mit den Dienstleistungen von InterElcom⟧ vertraut zu machen und dein Projekt kostenfrei bewerten zu lassen.
