Abwärtswandler (Buck)

Ein Raspberry Pi soll in einem Schaltschrank mit 24 V laufen, ein Mikrocontroller samt Display im Wohnmobil am 12-V-Bordnetz, ein Funkmodul an einem 18-V-Werkzeugakku. Mit einem Linearregler wären das bei 24 V und 2 A rund 38 W Wärme – ein Kühlkörper so groß wie das Gerät. Ein Abwärtswandler, englisch Buck Converter, schaltet stattdessen die Eingangsspannung schnell ein und aus und glättet die Pulse mit einer Spule. Er kommt mit 1 bis 2 W Verlust aus.

Wie Schaltregler-ICs grundsätzlich arbeiten und welche Arten es gibt, erklären Schaltregler-ICs und Speicherdrossel. Hier baust du einen konkreten Wandler mit dem LM2596 auf: robust, gut dokumentiert, in bedrahteter Bauweise lötbar und Kern unzähliger fertiger Module.

Schaltplan

• IC1, LM2596S-5.0: Schaltregler mit internem Leistungsschalter, 150 kHz fest, Festspannung 5 V, bis 3 A, Eingang bis 40 V. Gehäuse TO-263 zum Auflöten (S) oder TO-220 (T).
• L1, 68 µH: Speicherdrossel für mindestens 3 A, geschirmt.
• D1, 1N5822: Schottky-Diode 3 A, 40 V. Sie übernimmt den Spulenstrom, solange der Schalter offen ist.
• C1, 470 µF, 50 V: Eingangselko, der die Stromimpulse des Schalters liefert. Entscheidend ist seine Strombelastbarkeit.
• C2, 220 µF, 25 V, low ESR: glättet den Ausgang; auf seinen inneren Widerstand kommt es an, siehe Low-ESR-Elko.
• ON/OFF an Masse: Der Wandler läuft. Ein Pegel über etwa 2 V an diesem Pin schaltet ihn ab.
• FB: misst bei der Festspannungsversion direkt die Ausgangsspannung.

So funktioniert die Schaltung

Der Schalter im IC verbindet den Schaltknoten für eine kurze Zeit t_ein mit dem Eingang. An der Spule liegt dann die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, und ihr Strom steigt linear an – so, wie es das Induktionsgesetz verlangt. Öffnet der Schalter, will die Spule ihren Strom weitertreiben. Die Spannung am Schaltknoten fällt, bis D1 leitet; jetzt liegt die Ausgangsspannung umgekehrt an der Spule, und ihr Strom sinkt wieder.

Im Mittel fließt also ein Gleichstrom mit einem kleinen Dreieck darauf in den Ausgangskondensator, der das Dreieck schluckt. Das Verhältnis von Ein- zu Periodendauer heißt Tastgrad D. Ohne Verluste wäre U_A = D · U_E; der Regler im IC stellt D so ein, dass am FB-Pin genau 5 V liegen.

Dimensionierung

Gegeben: Eingang 24 V nominal, 18 V bis 30 V; Ausgang 5 V, 2 A. Das Datenblatt des LM2596 gibt das Verfahren vor; die Zahlen dahinter rechnest du selbst nach.

1. Tastgrad. Mit der Sättigungsspannung des internen Schalters U_sat = 1,16 V und der Flussspannung der Schottky-Diode U_D = 0,5 V:

Bei 30 V ergibt das 0,19, bei 24 V 0,24 und bei 18 V 0,32.

2. Spannungszeitfläche E·T. Das Datenblatt wählt die Drossel nach dem Produkt aus Spulenspannung und Einschaltzeit, gerechnet bei der höchsten Eingangsspannung:

Für 5 V und 2 A bei bis zu 40 V Eingang empfiehlt die Auswahltabelle 68 µH.

3. Welligkeit nachrechnen. Die Spannungszeitfläche geteilt durch die Induktivität ist die Stromschwankung:

Das sind 22 % des Laststroms, ein guter Wert. Der Spitzenstrom beträgt 2 A + 0,22 A ≈ 2,2 A. Die Drossel braucht einen Sättigungsstrom von mindestens 2,2 A, wegen der Strombegrenzung des IC (typisch 4,5 A, je nach Exemplar bis 6,9 A) besser 3 A oder mehr. Den allgemeinen Rechenweg zeigt der Rechner:

4. Ausgangskondensator. Das Datenblatt empfiehlt für 5 V und 2 A einen Low-ESR-Elko um 180 bis 220 µF, mindestens für das 1,5-Fache der Ausgangsspannung. Die Restwelligkeit bestimmt fast allein sein ESR: Mit etwa 0,1 Ω bei 100 kHz ergibt sich ΔU ≈ 0,44 A · 0,1 Ω ≈ 44 mV, unter 1 % von 5 V. Der kapazitive Anteil, ΔI_L / (8 · f · C) ≈ 1,7 mV, spielt dagegen keine Rolle. Ein 25-V-Typ hat bei gleicher Kapazität meist einen kleineren ESR als ein 10-V-Typ.

5. Eingangskondensator. Er muss einen Effektivstrom von etwa der Hälfte des Laststroms aushalten, hier 1 A, und für das 1,25-Fache der höchsten Eingangsspannung ausgelegt sein: mindestens 37,5 V, also 50 V. Ein Low-ESR-Elko 470 µF/50 V schafft gut 1 A.

6. Diode. Mindestens das 1,3-Fache des Laststroms (2,6 A) und das 1,25-Fache der höchsten Eingangsspannung (37,5 V): Die 1N5822 mit 3 A und 40 V passt. Soll der Wandler einen Dauerkurzschluss überstehen, nimm die 1N5825 mit 5 A.

Bauteilliste

Varianten

Andere Spannung. Die Version LM2596-ADJ hat am FB-Pin eine Referenz von 1,23 V und einen Teiler vom Ausgang: U_A = 1,23 V · (1 + R₂ / R₁) mit R₁ zwischen 240 Ω und 1,5 kΩ. Für 12 V nimmst du R₁ = 1 kΩ und R₂ = 8,66 kΩ (11,9 V). Ab etwa 10 V Ausgangsspannung verlangt das Datenblatt einen kleinen Kondensator parallel zu R2, für 12 V 1 nF.

Kleiner und effizienter. Moderne Synchronwandler ersetzen die Diode durch einen zweiten Schalter und arbeiten mit 500 kHz bis 2 MHz. Drossel und Kondensatoren werden dadurch viel kleiner, der Wirkungsgrad steigt auf über 90 %. Das Prinzip und die Rechnung bleiben gleich.

Mehr Spannung statt weniger. Liegt die Eingangsspannung unter der gewünschten Ausgangsspannung, brauchst du den Aufwärtswandler (Boost). Für empfindliche analoge Schaltungen ist nach dem Buck oft ein LDO sinnvoll, der den Rest des Schaltrauschens wegregelt; der Vergleich mit dem Festspannungsnetzteil mit 7805/7812 zeigt, warum der Linearregler allein hier zu heiß würde.

Typische Fehler

• Ausgang schwingt oder pfeift: Die Schleife aus C1, IC und D1 ist zu groß, oder der Ausgangselko hat einen zu großen oder zu kleinen ESR. Keramik allein am Ausgang mag der LM2596 nicht; er braucht einen Elko oder Tantal.
• Diode wird sehr heiß oder stirbt: Normale Gleichrichterdiode wie 1N4001 statt Schottky. Sie ist viel zu langsam.
• Drossel wird heiß, Ausgang bricht bei Last ein: Drossel sättigt. Ein Ringkern aus der Bastelkiste hat oft nicht den nötigen Sättigungsstrom.
• Störungen im Radio oder auf Messleitungen: Lange Leiterbahnen am Schaltknoten wirken als Antenne. Halte die Fläche des Schaltknotens klein und führe FB nicht unter der Drossel entlang; mehr unter Elektromagnetische Verträglichkeit.
• Fertigmodul liefert keine 3 A: Viele billige Module tragen nachgemachte ICs und zu kleine Drosseln. Mit Last prüfen, bevor du dich darauf verlässt.

Selbsttest