LE4_3a DC/DC Wandler - Abwärtswandler/Tiefsetzsteller - Funktionsweise - Zeitverläufe - CCM

Summary

In diesem Video wird die Funktionsweise eines DC-DC-Abwärtswandlers (Buck Converter) detailliert erklärt. Es wird gezeigt, wie die Schaltung aus einer Eingangsquelle, einem Schalter (MOSFET oder IGBT), einer Diode, einer induktiven Last und einem LC-Tiefpassfilter besteht. Der Schalter wird pulsweitenmoduliert (PWM), um eine pulsierende Spannung zu erzeugen, die durch den Tiefpassfilter in eine konstante Ausgangsspannung umgewandelt wird. Zudem wird der Energiefluss durch die Induktivität und die Rolle der Diode erklärt, um eine stabile Energieversorgung bei hohem Wirkungsgrad zu gewährleisten. Diese Theorie wird durch zeitliche Analysen der Schaltzustände und Stromverläufe verdeutlicht.

Takeaways

• 😀 Der Buck-Wandler ist ein DC-DC-Konverter, der die Eingangsleistung auf eine niedrigere Ausgangsspannung reduziert.
• 😀 Der Schalter (MOSFET oder IGBT) wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert, um die Ausgangsspannung zu regeln.
• 😀 Während der Schalter eingeschaltet ist, speichert der Induktor Energie und der Strom durch ihn nimmt linear zu.
• 😀 Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, wird die gespeicherte Energie des Induktors durch die Diode freigesetzt, die Stromversorgung bleibt aufrechterhalten.
• 😀 Der Einsatz eines LC-Filters sorgt dafür, dass die Ausgangsspannung geglättet wird, um ein stabiles Gleichstromsignal zu liefern.
• 😀 Die Ausgangsspannung hängt direkt von der Tastverhältnis (Duty Cycle) des PWM-Signals ab.
• 😀 Bei einem höheren Duty Cycle ist die Ausgangsspannung näher an der Eingangs- und umgekehrt bei einem niedrigeren Duty Cycle.
• 😀 Der Induktor verhindert plötzliche Änderungen des Stroms und hilft, Spannungsspitzen zu reduzieren.
• 😀 Der Strom durch den Induktor steigt während der Einschaltdauer des Schalters und fällt während der Ausschaltdauer.
• 😀 Die Energieübertragung im Induktor sorgt für eine kontinuierliche Stromversorgung, auch wenn der Schalter nicht aktiv ist.
• 😀 Durch die Anpassung des PWM-Signals kann die Ausgangsspannung des Buck-Wandlers genau reguliert werden.

Q & A

Was ist die grundlegende Funktionsweise eines Abwärtswandlers?

Ein Abwärtswandler funktioniert durch Schalten eines Transistors, um eine pulsweitenmodulierte Spannung zu erzeugen. Diese Spannung wird dann durch ein LC-Filter geglättet, um eine konstante Ausgangsspannung zu erhalten, die kleiner als die Eingangsspannung ist.

Warum wird ein LC-Filter in einem Abwärtswandler verwendet?

Ein LC-Filter wird verwendet, um die pulsierende Spannung zu glätten und den Mittelwert der Spannung herauszufiltern, wodurch eine konstante Ausgangsspannung erzeugt wird. Ohne diesen Filter würde die Spannung am Ausgang weiterhin pulsieren.

Was passiert, wenn der Schalter in einem Abwärtswandler geöffnet wird?

Wenn der Schalter geöffnet wird, muss der Strom durch die Induktivität weiterfließen, da eine plötzliche Änderung des Stroms vermieden werden muss. Eine Diode wird in diesem Fall eingesetzt, um den Stromfluss zu ermöglichen und die Energie weiterzugeben.

Warum ist die Verwendung einer Diode erforderlich, wenn der Schalter geöffnet ist?

Die Diode wird verwendet, um den Strom durch die Induktivität weiterzuleiten, wenn der Schalter geöffnet ist. Ohne die Diode würde die Induktivität eine hohe Spannung induzieren, die den Schalter beschädigen könnte.

Was ist die Bedeutung des Pulsweitenmodulationssignals im Abwärtswandler?

Das Pulsweitenmodulationssignal steuert den Schalter und bestimmt, wie lange der Schalter an oder aus ist. Diese Modulation ermöglicht es, die durchschnittliche Ausgangsspannung zu steuern, die am Lastwiderstand anliegt.

Wie wird die Ausgangsspannung eines Abwärtswandlers berechnet?

Die Ausgangsspannung eines Abwärtswandlers ist der Mittelwert der pulsweitenmodulierten Spannung, die durch das LC-Filter geglättet wird. Dieser Mittelwert hängt vom Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation ab.

Warum ist die Induktivität in einem Abwärtswandler wichtig?

Die Induktivität speichert Energie während des Einschaltens des Schalters und gibt sie beim Öffnen des Schalters wieder ab. Sie sorgt für einen kontinuierlichen Stromfluss und verhindert plötzliche Änderungen des Stroms, die den Schalter beschädigen könnten.

Was passiert im stationären Betrieb eines Abwärtswandlers?

Im stationären Betrieb wiederholt sich der Ablauf des Schaltens periodisch, wobei der Schalter abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Der Strom durch die Induktivität steigt während der Einschaltzeit an und sinkt während der Auszeit des Schalters.

Was sind die Hauptkomponenten eines Abwärtswandlers?

Die Hauptkomponenten eines Abwärtswandlers sind eine Eingangsquelle, ein Schalter (typischerweise ein MOSFET oder IGBT), eine Diode, eine Induktivität, ein Ausgangskondensator und ein Lastwiderstand.

Warum ist der Wirkungsgrad eines Abwärtswandlers in der Regel hoch?

Der Wirkungsgrad eines Abwärtswandlers ist hoch, weil der Schaltvorgang verlustarm ist und das LC-Filter hilft, Energie effizient zu übertragen. Dadurch wird die Energie hauptsächlich in Form von Strom und nicht als Wärmeverlust abgegeben.