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Gleichstromsteller

Als Gleichstromsteller, auch DC-DC-Wandler oder „Chopper“, bezeichnet man einen selbstgeführten Stromrichter. Er wandelt eine konstante Eingangsspannung durch periodisches Schalten um, so dass am Ausgang im arithmetischen Mittel ein anderer Spannungswert entsteht. Insbesondere in der elektrischen Antriebstechnik kommen Gleichstromsteller zum Einsatz. Die Grundtypen sind Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller und Sperrsteller und entsprechen denen des Gleichspannungswandlers. Als Ventile kommen neben den verbreiteten Leistungs-MOSFET auch IGBTs und Thyristoren zum Einsatz.

Prinzipbedingt kann bei einem Gleichstromsteller der Strom nur in eine Richtung fließen. Damit ein Motor mehrere Betriebsarten, Rechts- und Linkslauf sowie Generator(/Bremse), durchführt, wird eine Kombination aus mehreren Wandlern in Form eines Zwei- oder Vierquadrantensteller eingesetzt. In Anlehnung an diese Terminologie bezeichnet man den einfachen Gleichstromsteller als Einquadrantensteller.

Inhaltsverzeichnis

Ansteuerung

Für die Regelung der Schalterstellung (ein/aus) gibt es unterschiedliche Verfahren zur Regelung eines Gleichstromstellers.

Da Gleichstromsteller den Eingangsstrom ständig ein- und wieder ausschalten, liegt am Ausgang kein reiner Gleichstrom vor. Vor allem kann der Strom nicht schlagartig ausgeschaltet werden, da im Schaltkreis immer Induktivitäten (Drosseln, Filter, Motorspulen, sog. parasitäre Induktivitäten) enthalten sind, in denen magnetische Feldenergie gespeichert ist, die erst abgebaut werden muss. Zu diesem Zweck kommt antiparallel zum Schalter immer auch eine Schutzdiode zum Einsatz, die den Stromfluss übernimmt (Kommutierung). Bei vielen Verbrauchern können die rechteckförmigen Spannungen auch zu Störungen führen, weshalb man die Spannung am Ausgang meist noch mittels eines Glättungskondensators glättet.

Tiefsetzsteller (Abwärtswandler, Buck-/Step-Down-Converter)

Beim Abwärtswandler ist die Ausgangsspannung immer kleiner als die Eingangsspannung.

Ist der Schalter geschlossen, fließt der Strom entlang des roten Pfades. Der Strom in der Spule wird größer.

Bei geöffnetem Schalter leitet der passive Schalter (die Diode) und der Strom fließt entlang des grünen Pfades. Der Strom in der Spule wird kleiner.

Anhand der Pfeile erkennt man, dass der Ausgang kontinuierlich mit Strom versorgt wird, während der Eingang lediglich bei geschlossenem Schalter mit der Aufladung der Spule belastet wird.

Hochsetzsteller (Aufwärtswandler, Boost-/Step-Up-Converter)

Beim Aufwärtswandler ist die Ausgangsspannung immer größer als die Eingangsspannung.

Ist der Schalter geschlossen, fließt der Strom entlang des roten Pfades. Der Strom in der Spule wird größer. Der magnetische Speicher (die Spule) wird geladen.

Bei geöffnetem Schalter leitet der passive Schalter (die Diode) und der Strom fließt entlang des grünen Pfades. Der Strom in der Spule wird kleiner. Die Energie, die im Magnetfeld der Spule gespeichert war, wird nun an den Verbraucher abgegeben. Dabei addieren sich die Eingangsspannung und die Selbstinduktionsspannung der Spule zu einer insgesamt höheren Gesamtspannung.

Anhand der Pfeile erkennt man, dass der Eingang kontinuierlich, aber mit wechselnder Belastung mit Strom belastet wird, während der Ausgang lediglich phasenweise mit Spulenstrom versorgt wird.

Sperrsteller

Beim invertierenden Wandler hat die Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung ein negatives Vorzeichen. Der Betrag der Ausgangsspannung kann größer oder kleiner sein als die Eingangsspannung.

Ist der Schalter geschlossen, fließt der Strom entlang des roten Pfades. Der Strom in der Spule wird größer.

Bei geöffnetem Schalter leitet der passive Schalter (die Diode) und der Strom fließt entlang des grünen Pfades. Die Diode wird nämlich dann leitend, wenn die Spannung an der Spule negativ wird (Induktionsgesetz, Lenzsche Regel). Der Strom in der Spule wird dann auch kleiner.