6.3 Inverswandler mit Speicherdrosseln
Wie der Name schon vermuten lässt, werden Inverswandler eingesetzt, um Spannungen umgekehrter Polarität zu erzeugen. Da im Normalfall immer eine positive Spannung vorhanden ist, dienen sie meistens der Erzeugung einer negativen Spannung. Die Funktionsweise ist im Prinzip wieder identisch mit dem Step-Down-Wandler. Die Masse der Eingangsspannung liegt jedoch dort, wo beim Step-Down-Wandler der Ausgang war und die (negative) Ausgangsspannung wird dort abgenommen, wo vorher die Masse war. In Bild 6.3 A ist die Funktionsweise des Inverswandler (unten) im Vergleich zum Step-Down-Wandler (oben) zu sehen. Wie Sie sehen, habe ich beim Inverswandler nur die Ein- und Ausgänge etwas vertauscht sowie die Stromrichtungen angepasst; sonst habe ich nichts geändert.

Bild 6.3 A Vom Step-Down- Wandler (oben) zum Inverswandler (unten)

Trotz der offensichtlichen Ähnlichkeit zum Step-Down-Wandler gibt es bei der technischen Realisierung einen wesentlichen Unterschied. Die Masse der Eingangsspannung liegt jetzt direkt an der Speicherdrossel. Das bedeutet zunächst, dass die Ausgangsspannung, da sie negativ ist, nicht auf den invertierenden, sondern auf den nicht invertierenden Eingang des Regelverstärkers zurückgekoppelt werden muss. Das setzt voraus, das dieser Eingang zugänglich ist, wie das z.B. beim SG 3524 der Fall ist. Eine einfachere Lösung dieses Problems bekommt man, wenn man die Masse des gesamten Wandlers auf die negative Ausgangsspannung legt. Das setzt aber voraus, dass der Wandler bei Spannungen von etwa Ue sicher anläuft und die Gesamtspannung von Ue - (-Ua) noch verträgt. Der mögliche Spannungsbereich ist dadurch eingeschränkt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Ausgangsspannung bei eingeschaltetem Schalttransistor nicht ansteigt. Einfache "Geradeausregler" wie in Bild 6.1 C beschrieben würden daher nicht stabil funktionieren. Auch bei der maximalen Ausgangsleistung gibt es einen Unterschied. Im Gegensatz zu Step-Up- und Step-Down-Wandlern muss beim Inverswandler die gesamte Leistung über die Speicherdrossel übertragen werden. Bei gleicher Dimensionierung der Bauteile ist deshalb die erzielbare Ausgangsleistung des Inverswandlers immer geringer.
Die einfachste Reglerschaltung lässt sich wieder mit einem LM2576 realisieren.

Bild 6.3 B Inverswandler mit Step-Down-Reglern

Die Schaltung ist praktisch identisch mit der aus Bild 6.1 B . Die gemeinsame Masse für Ein- und Ausgangsspannung wurde einfach nur auf den ursprünglichen Ausgang umgelegt. Die minimale Eingangsspannung beträgt 7 Volt. Die Potentialdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung darf maximal 40 Volt betragen. Die Ausgangsspannung bei den einstellbaren Versionen berechnet sich zu Vout = -1,23V ( 1 + R 2/R 1 ).
Auch mit dem MC 34063 kann man einen einfachen Inverswandler aufbauen

Bild 6.3 C Inverswandler mit dem MC 34063

Die Schaltung in Bild 6.3 C arbeitet ab ca. 4 Volt. Die maximal zulässige Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung beträgt 40 Volt. Dasselbe würde auch für die mit dem SG 3524 aufgebauten Wandler aus Bild 6.1 D/E gelten. Der SG 3524 hat aber beide Eingänge des Regelverstärkers herausgeführt. Beim Einsatz des SG 3524 ist es deshalb sehr sinnvoll, diesen Vorteil zu nutzen, um ihn direkt an der Eingangsspannung betreiben zu können. Die negative Ausgangsspannung darf dann beliebig groß werden. Mit dem SG 3524 lässt sich eine hochwertige Regelschaltung aufbauen. Bei der Schaltung aus Bild 6.1 E sind dazu nur wenige Änderungen nötig.

Bild 6.3 D Inverswandler mit dem SG 3524 für mittlere oder hohe Ausgangsströme

Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Eingänge des Regelverstärkers (Pins 1 und 2) vertauscht wurden. Dadurch kann der SG 3524 auch direkt die negative Ausgangsspannung regeln. In Verbindung mit dem externen Schalttransistor ist es so möglich, die IC-Masse mit der gemeinsamen Masse von Ein- und Ausgangsspannung zu verbinden. Da die Drossel jetzt mit einem Anschluss direkt an Masse liegt, kann der Strommesswiderstand an dieser Stelle eingefügt werden. Das hat den Vorteil, dass Ein- und Ausgangsmasse direkt miteinander verbunden werden können.
Sollen Eingangsspannungen über 35 Volt gewandelt werden, kann einfach die Ausgangsstufe aus Bild 6.1 G überommen werden. Eine interessante Variante wäre vielleicht noch die Kombination der Potentialtrennung aus Bild 6.1 G mit der P-Kanal-MOSFET-Ansteuerung aus Bild 6.3 E. Ggf. muss auch R 4 und R 5 vergrößert werden, damit die Verlustleistung in T3 nicht übermäßig groß wird.

Bild 6.3 E Inverswandler für hohe Eingangsspannungen und/oder Ströme

Der Stützkondensator C 5 muss bei dieser Schaltung möglichst dicht an den Source-Pin des MOSFETs und die Anode von D 1 angeschlossen werden. Wenn dann noch D 1 direkt neben T 1 platziert wird, sind die kritischen Punkte weitgehend entschärft.
Wenn nun statt des SG 3524 ein TL 494 eingesetzt werden soll, ist das auch kein Problem, wenn keine Strombegrenzung benötigt wird. Die Schaltung ist auch dann wieder sehr ähnlich. In Bild 6.3 F ist das Pendant zu 6.3 E mit TL 494 zu sehen. Eine separate Betriebsspannung für den TL 494 ist hier allerdings nicht eingezeichnet. Die muss natürlich wieder erzeugt werden, wenn die Eingangsspannung über 35 Volt beträgt.

Bild 6.3 F Inverswandler mit TL 494

Bei Betriebsspannungen unter 20 Volt kann wieder das RC-Glied R 5/C 5 entfallen und überbrückt werden. Bei Betriebsspannungen unter 35 Volt kann auch T 3 enfallen und die Basis von T 1 direkt mit dem IC (Pin 8 u. 11) verbunden werden. Bei höheren Eingangsspannungen muss dagegen das IC mit einer separaten Spannungsversorgung von ca. 15 Volt ausgestattet werden, wobei C 5 und R 5 natürlich wieder entfällt.
Wenn man von gut beschaffbaren P-Kanal-MOSFETs bis 200 Volt Sperrspannung ausgeht, können beide Versionen aus Bild 6.3 E/F für eine Differenzspannung zwischen Ein- und Ausgang bis etwa 180 Volt ausgelegt werden. Soll die Spannungsdifferenz noch größer oder die Leistung sehr hoch werden, empfehle ich die Verwendung von N-Kanal-MOSFETs oder IGBTs. Da hier die Gate-Steuer-ICs wegen des negativen Gate-Potentials nicht geeignet sind, bietet sich zur Ansteuerung z.B. die Trafoansteuerung aus Bild 5.1 B  an. Um den Trafo ansteuern zu können, muss der TL 494 noch mit einem Ausgangstreiber-Transistor versehen werden. Wie man einen SG 3524 entsprechend beschaltet, ist in Bild 6.1 I  zu sehen.

6.4 SEPIC-Konverter
Ein etwas exotischerer Wandler, der sich nicht eindeutig in die Gruppe der bisher behandelten Schaltregler einordnen lässt, ist der SEPIC-Konverter (Single Ended Primary Inductance). Er ist eine Art Kombination aus Step-Down- und Step-Up-Wandler. Der Vorteil des SEPIC-Konverters besteht darin, dass die Höhe der Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung ist. Das ist ganz praktisch, wenn nicht von vornherein feststeht, ob die Eingangsspannung größer oder kleiner als die Ausgangsspannung ist. Ein weiterer Vorteil ist die Gleichspannungsentkopplung zwischen Ein- und Ausgang. Während beim Step-Down-Wandler die Spannung am Ausgang nie größer und beim Step-Up-Wandler nie kleiner werden darf als am Eingang, sind Ein- und Ausgang des SEPIC-Konverters beim Abschalten des Schalttransistors voneinander entkoppelt. In Bild 6.4 A ist die Grundschaltung des SEPIC-Konverters zu sehen.

Bild 6.4 A Der SEPIC-Konverter

Der Aufbau des SEPIC-Konverters ist dem Step-Up-Wandler ähnlich. Vor der Diode befindet sich jedoch ein Koppelkondensator Ck, der den Gleichspannungsanteil von Ue auskoppelt. Da über die Diode nur eine Gleichstrom fließen kann, würde sich Ck schnell aufladen und es würde kein weiterer Strom fließen. Die Spule L 2 sorgt dafür, dass der mittlere Gleichspannungspegel hinter Ck immer etwa auf null Volt bleibt. Die Diode richtet den positiven Anteil der Spulenspannung gleich, der dann am Elko CS zur Verfügung steht. Je nach Tastverhältnis der Rechteckspannung kann dieser Anteil fast null oder auch beliebig hoch werden.
Im Grunde genommen könnten sich die beiden Spulen auch auf dem gleichen Spulenkörper befinden. Der Koppelkondensator Ck ersetzt nur die magnetische Kopplung zwischen den Spulen. Wären also L 1 und L 2 die Spulen eines Übertragers mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1, könnte man theoretisch auf Ck verzichten. Wenn man davon absieht, dass man dann schon einen Sperrwandler hätte, kann man auf Ck auch dann nicht ganz verzichten. Da die Kopplung zwischen den Spulen nicht ideal ist (Stichwort Streuinduktivität), würde beim Abschalten des Schalters an L 1 kurzzeitig eine sehr hohe Spannung induziert werden und diesen u.U. zerstören. Auf diese Problematik werde ich aber noch in den folgenden Kapiteln bei den Sperr- und Flusswandlern näher eingehen. Eine magnetische Kopplung der Spulen hat aber auf jeden Fall den Vorteil, dass nur ein kleiner Teil der Gesamtleistung über Ck übertragen werden muss und dieser wesentlich kleiner sein kann.
Da der Schalter auf Masse liegt, ist der elektronische Teil des SEPIC-Konverters mit dem eines Step-Up-Wandlers identisch. Es können demnach die Schaltungen aus Kapitel 6.2 direkt übernommen werden. Als einfaches Beispiel möchte ich eine Schaltung mit dem LM2577 zeigen.

Bild 6.4 B SEPIC-Konverter mit LM2577

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