Industrielle Automatisierungseffizienz mit DC/DC-Wandlern steigern

Leistungselektronik ist ein Bereich der Elektrotechnik, der sich mit elektronischen Schaltungen zur Umwandlung und Steuerung elektrischer Leistung befasst. Es ist ein extrem wichtiger Bereich mit weitreichenden Anwendungen, da praktisch jedes moderne Gerät mit irgendeiner Form einer Leistungselektronik-Schaltung ausgestattet ist. Zu den häufigsten elektronischen Komponenten für die Leistungswandlung gehören Dioden, Gleichrichter, Transistoren, Thyristoren, SCRs (Thyristor-gesteuerte Gleichrichter) und MOSFETs (Metall-Oxid-Feldeffekt-Transistoren).

 

Abbildung 1. Leistungselektronik sind entscheidende Elemente, die in fast jedem modernen elektrischen Gerät vorhanden sind. Bild mit freundlicher Genehmigung von Skyfi Labs

 

Elektrische Leistungswandler sind darauf ausgelegt, die Hauptmerkmale elektrischer Leistung wie Strom, Frequenz und Spannung zu ändern. Natürlich ist die Grundform, ob Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC), ein weiterer Schlüsselparameter, der von Eingang zu Ausgang ebenfalls geändert werden kann.

Diese Fähigkeiten ermöglichen es Leistungselektronik-Systemen, eine breite Palette nicht-elektrischer Variablen zu regeln, wie Temperatur, Motordrehzahl und Radiofrequenzen. Dieser Artikel fokussiert sich auf DC/DC-Wandler, die alle beschriebenen Funktionen besitzen, mit dem Hauptunterschied, dass die elektrische Leistungsform immer DC ist.

 

Was ist ein DC/DC-Wandler?

Ein DC/DC-Wandler nimmt Leistung in DC-Form auf und gibt eine modifizierte Spannungsebene aus, während er in DC-Form bleibt. Die Ausgangsspannung kann höher oder niedriger als die Eingangs sein. Sie werden auch häufig als Spannungsregler bezeichnet. Diese Geräte regeln die Ausgabe einer Stromquelle, die möglicherweise nicht stabil oder konstant ist, wie sie in batteriebetriebenen Systemen vorkommen.

DC/DC-Wandler werden normalerweise basierend auf Ein- und Ausgangsspannung und -strom bewertet. Obwohl viele Wandler eine feste Ausgangsbewertung haben, erlauben einige die Einstellung des Ausgangs innerhalb eines Bereichs. Die meisten Wandler haben einen einzelnen Ausgang, es gibt aber auch Optionen mit dualen und mehreren Ausgängen. Basierend auf der Primärfunktion können sie aus Spulen, Dioden, Gleichrichtern und Filtern bestehen.

 

Abbildung 2. Hochleistungs-DC/DC-Wandler werden breit in Massentransportsystemen eingesetzt. Bild mit freundlicher Genehmigung von Absopulse

 

Für einen effizienten Prozess nutzen Spannungsreglerschaltungen Leistungselektronik, um Rauschen zu reduzieren und eine konstante Ausgabe aufrechtzuerhalten. Gut designte Regler haben einen Wirkungsgrad von 90 % oder mehr, was eine wichtige Überlegung zur Reduzierung von Leistungsverlust und Wärmeabgabe ist.

 

DC/DC-Wandler-Topologien

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

Lineare Regler funktionieren ähnlich wie ein Spannungsteiler und halten eine modifizierte konstante Spannung am Ausgang. Ein großer Nachteil dieser Regler ist die Ineffizienz, da fast der gesamte Unterschied zwischen Eingang und geregelter Ausgabe als Abwärme verloren geht. Andererseits arbeiten Schaltregler effizienter, indem sie den Ausgang bedarfsweise ein- und ausschalten, anstatt ihn dauerhaft einzuschalten.

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

Letztere werden hauptsächlich verwendet, wenn die Spannungsänderung zwischen Ein- und Ausgang relativ klein ist. Ein- und Ausgang sind nicht voneinander isoliert, da sie einen gemeinsamen Masseanschluss teilen. Isolierte Wandler sind darauf ausgelegt, den Eingang physisch vom Ausgang zu trennen, was höheren Schutz vor Störungen bietet und eine zuverlässigere Ausgabe liefert. Im Folgenden sind einige der gängigsten Wandlerarten in jeder Kategorie aufgeführt.

 

Nicht-isoliert

• Step-Up-Wandler (Boost Converter): Auch als Boost Converter bekannt, ist die Ausgangsspannung dieses Geräts gleich oder höher als die Eingangsgröße bei Beibehaltung der gleichen Polarität. Dieses Gerät funktioniert, indem es Energie in einer Spule (L) speichert, die basierend auf der Vorspannung einer Diode (D), gesteuert durch einen Schalter (S), zum Ausgang fließen darf.

 

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

 

• Step-Down-Wandler (Buck Converter): Auch als Buck Converter bekannt, ist die Ausgangsspannung gleich oder niedriger als die Eingangsgröße. Der Hauptunterschied zum Boost Converter ist die Platzierung von Diode und Spule. In diesem Fall bildet, wenn der Schalter (S) aus ist, der äquivalente Schaltkreis aus Diode (D) und Spule (L) den Weg für die gespeicherte Energie zum Ausgang.
• Buck-Boost-Wandler: Diese Geräte erzeugen eine Ausgangsspannung, die niedriger, gleich oder höher als die Eingangsspannung sein kann. Sie bieten die Möglichkeit, Polaritäten umzukehren, eine häufige Anwendung. Die Schaltung ist eine Kombination aus Buck- und Boost-Wandler.

 

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

 

Isoliert

• Flyback-Wandler: Funktioniert ähnlich wie ein Buck-Boost-Wandler, aber ein Transformator speichert die Energie statt der Spule. Der Transformator bietet die Isolation zwischen Ein- und Ausgang.
• Forward-Wandler: Ähnlich wie der Flyback-Wandler, aber der Transformationsschritt wird zuerst platziert, gefolgt von einer traditionellen Buck-Boost-Wandlung.

 

Anwendungen in der industriellen Automatisierung

Wie erwähnt, haben DC/DC-Wandler ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich industrieller Automatisierung. Eine große Anzahl von Feldgeräten benötigt 24-V-Versorgungsspannung. Beispielsweise sind Schaltschränke mit DC/DC-Step-Down-Wandlern 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 – ein weiterer Grund für die Integration eines Wandlers.

 

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

Es gibt zahlreiche batteriebetriebene Automatisierungsanwendungen, in denen es entscheidend ist, DC/DC-Wandler zu integrieren, um eine konstante Stromversorgung für kleine Geräte aufrechtzuerhalten. Während eine Batterie entlädt, sinken die Spannungspegel allmählich. Die Batteriespannung unterliegt auch plötzlichen Abfällen aufgrund unerwartet hoher Energieanforderungen an die gesteuerte Ausrüstung. Mobile automatisierte Maschinen wie autonome mobile Roboter (AMR) und lasergeführte Fahrzeuge (LGV) sind Beispiele für batteriebetriebene Roboter, die DC/DC-Wandler benötigen, um eine stabile Stromversorgung für die SPS (PLC) und andere Steuergeräte zu garantieren.