Verwendung von DC/DC-Wandlern für die industrielle Automatisierung

Die Leistungselektronik ist ein Gebiet der Elektrotechnik, das sich mit elektronischen Schaltungen zur Umwandlung und Steuerung von elektrischem Strom beschäftigt. Dies ist ein äußerst wichtiges Gebiet mit weitreichenden Anwendungen, da praktisch jedes moderne Gerät mit einer leistungselektronischen Schaltung ausgestattet ist. Einige der gebräuchlichsten elektronischen Komponenten, die für die Leistungsumwandlung verwendet werden, sind Dioden, Gleichrichter, Transistoren, Thyristoren, SCRs (siliziumgesteuerter Gleichrichter) und MOSFETs (Metalloxid-Feldeffekttransistor).

Abbildung 1 . Leistungselektronik ist ein entscheidendes Element, das in fast jedem modernen Elektrogerät vorhanden ist. Bild mit freundlicher Genehmigung von Skyfi Labs

Stromwandler sind so konzipiert, dass sie die Haupteigenschaften elektrischer Energie wie Strom, Frequenz und Spannung ändern. Natürlich ist die Grundform, ob Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC), ein weiterer wichtiger Parameter, der ebenfalls von Eingang zu Ausgang verändert werden kann.

Diese Fähigkeiten ermöglichen es leistungselektronischen Systemen, ein breites Spektrum nichtelektrischer Variablen wie Temperatur, Motordrehzahl und Funkfrequenzen zu regulieren. Dieser Artikel konzentriert sich auf DC/DC-Wandler, die alle zuvor beschriebenen Funktionen aufweisen, mit dem Hauptunterschied, dass die elektrische Energieform immer DC ist.

Was ist ein DC/DC-Wandler?

Ein DC/DC-Wandler nimmt Strom in DC-Form auf und gibt einen modifizierten Spannungspegel aus, während er in DC-Form bleibt. Die Ausgangsspannung kann höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein. Sie werden auch allgemein als Spannungsregler bezeichnet. Diese Geräte regulieren die Leistung einer Stromquelle, die möglicherweise nicht stabil oder konstant ist, wie sie beispielsweise in batteriebetriebenen Systemen zu finden ist.

DC/DC-Wandler werden normalerweise basierend auf Eingangs- und Ausgangsspannung und -strom bewertet. Obwohl viele Wandler eine feste Ausgangsleistung haben, ermöglichen einige eine Anpassung der Ausgangsleistung innerhalb eines Bereichs. Die meisten Wandler zählen mit einem einzigen Ausgang, es gibt aber auch Optionen mit zwei und mehreren Ausgängen. Basierend auf der Primärfunktion können sie aus Induktivitäten, Dioden, Gleichrichtern und Filtern bestehen.

Abbildung 2. Hochleistungs-DC/DC-Wandler werden häufig in Nahverkehrssystemen verwendet. Bild mit freundlicher Genehmigung von Absopuls

Für einen effizienten Prozess verwenden Spannungsreglerschaltungen Leistungselektronik, um das Rauschen zu reduzieren und einen konstanten Ausgang aufrechtzuerhalten. Gut konstruierte Regler haben einen Wirkungsgrad von 90 % oder mehr, was ein wichtiger Aspekt ist, um den Leistungsverlust und die Wärmeableitung zu reduzieren.

DC/DC-Wandlertopologien

DC/DC-Wandler können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden:linear und schaltend.

Linearreglergeräte funktionieren ähnlich wie ein Spannungsteiler und halten eine modifizierte konstante Spannung am Ausgang aufrecht. Ein wesentlicher Nachteil dieser Regler ist die Ineffizienz, da fast die gesamte Differenz zwischen Eingang und geregelter Leistung als Abwärme verloren geht. Auf der anderen Seite arbeiten Schaltregler effizienter, indem sie den Ausgang bedarfsgerecht ein- und ausschalten, anstatt permanent am Ausgang.

Es gibt zwei Haupttypen von DC/DC-Schaltwandlern:isolierte und nicht isolierte.

Letztere kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn die Spannungsänderung zwischen Eingang und Ausgang relativ klein ist. Eingang und Ausgang sind nicht voneinander isoliert, da sie eine gemeinsame Masse haben. Umgekehrt sind isolierte Wandler so konzipiert, dass sie den Eingang vom Ausgang physisch trennen, einen höheren Schutz vor Störungen bieten und einen zuverlässigeren Ausgang liefern. Im Folgenden sind einige der gängigsten Konvertertypen in jeder Kategorie aufgeführt.

Nicht isoliert

• Aufwärtswandler :Auch als Aufwärtswandler bekannt, ist der Spannungsausgang dieses Geräts gleich oder höher als der Eingang, während die Polarität beibehalten wird. Dieses Gerät arbeitet, indem es Energie in einer Induktivität (L) speichert, die basierend auf der Vorspannung einer Diode (D), die von einem Schalter (S) gesteuert wird, zum Ausgang fließen kann.

Abbildung 3. Eine Aufwärtswandler-Animation. Bild mit freundlicher Genehmigung von Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• Abwärtswandler: Auch bekannt als Abwärtswandler, ist die Ausgangsspannung gleich oder niedriger als die Eingangsspannung. Der Hauptunterschied zwischen diesem und dem Aufwärtswandler besteht in der Platzierung der Diode und des Induktors. In diesem Fall, wenn der Schalter (S) ausgeschaltet ist, lässt die aus der Diode (D) und der Induktivität (L) gebildete Ersatzschaltung die gespeicherte Energie zum Ausgang fließen.
• Buck-Boost-Konverter :Diese Geräte erzeugen eine Ausgangsspannung, die niedriger, gleich oder größer als die Eingangsspannung sein kann. Sie bieten die Möglichkeit, Polaritäten umzukehren, eine häufige Anwendung. Die Schaltung ist eine Kombination aus Abwärts- und Aufwärtswandlern.

Abbildung 4. Vergleich von Buck-, Boost- und Buck-Boost-Wandlern. Bild mit freundlicher Genehmigung von Cyril Buttay

Isoliert

• Flyback-Konverter :Funktioniert ähnlich wie ein Abwärts-/Aufwärtswandler, aber ein Transformator speichert stattdessen Energie. Der Transformator sorgt für die Isolierung zwischen Eingang und Ausgang.
• Forward-Konverter :Ähnlich dem Flyback-Konverter, aber der Transformationsschritt wird zuerst platziert, gefolgt von einer traditionellen Buck-Boost-Konvertierung.

Industrielle Automatisierungsanwendungen

Wie bereits erwähnt, haben DC/DC-Wandler ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich der industriellen Automatisierung. Eine Vielzahl von Feldgeräten benötigt eine 24V-Versorgungsspannung. Schalttafeln sind beispielsweise mit DC/DC-Abwärtswandlern ausgestattet, die die Spannung von der Hauptstromversorgung senken. Einige Feldgeräte benötigen nicht nur diese Spannungsebene, sondern sind auch empfindlich genug, um eine saubere und stabile Energieversorgung zu benötigen, was ein weiterer Grund für die Integration eines Umrichters ist.

Abbildung 5. Ein isolierter DC/DC-Wandler von Phoenix Contact. Bild mit freundlicher Genehmigung von Phoenix-Kontakt

Es gibt zahlreiche batteriebetriebene Automatisierungsanwendungen, bei denen es entscheidend ist, DC/DC-Wandler zu integrieren, um eine konstante Stromversorgung kleiner Geräte aufrechtzuerhalten. Wenn sich eine Batterie entlädt, fallen die Spannungspegel allmählich ab. Die Batteriespannung unterliegt auch plötzlichen Einbrüchen aufgrund unerwartet hoher Energieanforderungen an die gesteuerten Geräte. Mobile automatisierte Maschinen wie autonome mobile Roboter (AMRs) und lasergeführte Fahrzeuge (LGVs) sind Beispiele für batteriebetriebene Roboter, die DC/DC-Wandler benötigen, um eine stabile Stromversorgung der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und anderen zu gewährleisten Steuergeräte.