© Analog Devices Inc.
Application Notes | 22 Oktober 2021
Spannungswandlung in vier Quadranten
Neben einfachen Spannungswandlern, die aus einer Eingangsspannung eine feste Ausgangsspannung generieren, gibt es Anwendungen, bei denen dieses Verhalten nicht ausreicht.
Beispielsweise soll ein Spannungsknoten gesteuert werden, an welchem Kondensatoren angebunden sind. Diese sind auf eine beliebige Spannung geladen. Sollen diese nun auf eine niedrigere Spannung gebracht werden, ist es notwendig, diese teilweise zu entladen. Somit muss eine Spannungsversorgung nicht nur Strom liefern, sondern bei Bedarf auch Strom aufnehmen können. Für eine solche Anwendung kann eine Spannungsversorgung mit einer ‚Output Discharge‘ Funktion eingesetzt werden. Diese kann Ausgangskondensatoren schnell entladen. Bild 1 zeigt eine solche Funktion für einen abwärtswandelnden Schaltregler. Hier wird der Schalter S2 nach dem Abschalten des Schaltbetriebes für längere Zeit eingeschaltet und die Ausgangskondensatoren werden entladen.
Bild 1. Das Entladen eines Ausgangskondensators über eine einfach ‚Output Discharge‘ Funktion
Eine sehr elegante Art, beliebige Ströme und Spannungen zu steuern sind Vier-Quadranten-DC/DC-Wandler. Ein üblicher Abwärtswandler nach dem ‚Buck‘ Prinzip arbeitet nur in einem Quadranten. Er kann eine positive Spannung generieren mit positivem Stromfluss, also einer Stromrichtung vom DC/DC Wandler zur Last. Bei einem Vier-Quadranten-Wandler können nicht nur Ausgangskondensatoren entladen werden, sondern es kann eine beliebige Spannung erzeugt werden. Dies, indem Strom in Richtung Last fließt, oder auch von der Last genommen wird.
Das ist im obigen Beispiel der Fall, bei welchem Ausgangskapazitäten entladen werden. Ein Vier-Quadranten-DC/DC-Wandler kann jedoch noch mehr, neben dem Erzeugen von Spannungen, kann auch ein beliebiger Strom eingestellt werden. Dieser Strom kann positiv oder auch negativ sein. Solche Vier-Quadranten-Wandler werden häufig in universellen Laborstromversorgungen eingesetzt. Der Anwender kann beispielsweise eine LED testen in dem ein fester Strom eingestellt wird. Auch kann eine Solarzelle betrieben werden und der Vier-Quadranten-Wandler agiert als Last, welche einen eingestellten Strom aufnimmt.
Bild 2. Vier-Quadranten-Spannungswandler
Eine weitere interessante Anwendung ist das Tönen von Fensterscheiben mit LCD Technik. Hier wird häufig eine genau eingestellte Spannung, im positiven und negativen Bereich benötigt, um je nach Lichteinfall und Wunschhelligkeit im Raum eine passende Tönung zu erreichen.
Bild 2 zeigt was mit der Bezeichnung ‚Vier-Quadranten‘ in Bezug auf eine Spannungsversorgung gemeint ist. Es werden die Quadranten eines Koordinatensystems mit Spannung auf der X-Achse und Strom auf der Y-Achse angenommen. Es können sowohl Strom als auch Spannung positiv und auch negativ sein.
Der DC/DC Wandler kann also als Energiequelle und auch als Energiesenke eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten, der Wandler kann als Stromversorgung oder als elektrische Last fungieren.
Bild 3. Die Topologie eines Vier Quadranten Spannungswandlers in vereinfachtem Schaltplan
Der LT8714 von Analog Devices ist ein Kontroller für einen Vier-Quadranten-Regler. Er beinhaltet alle Funktionen, die für eine solche Regelung benötigt werden. Mit diesem IC kann beispielsweise eine Spannung genau bei 0V gehalten werden. Bild 3 zeigt einen vereinfachten Schaltplan mit dem Controller IC, sowie der Leistungsstufe. Diese besteht aus zwei Induktivitäten L1 und L2, zwei Schaltern, Q1 und Q2, sowie einer Kopplungskapazität Cc. Erklärungen zum jeweiligen Betrieb in jedem einzelnen Quadranten, sowie zum Verhalten bei den Übergängen von einem Quadranten zum anderen findet sich im LT8714 Datenblatt.
In machen Anwendungen wird eine Spannungsversorgung im Vier-Quadranten-Betrieb benötigt. Eine solche kann leicht mit einem optimierten Controller wie dem LT8714 aufgebaut werden. Der Schaltungsentwurf wird dadurch sehr einfach und der Betrieb, besonders um den häufig kritischen 0V Durchgang, erfolgt sauber und zuverlässig.
Alternativen sind andere Schaltreglertopologien die parallel zueinander geschaltet werden müssen, um eine Funktion in mehreren Quadranten zu ermöglichen. Das ist häufig kostenintensiver als die Nutzung einer dedizierten Vier-Quadranten-Lösung.[:]
Über den Autor: Frederik Dostal, © Analog Devices Inc.
Bild 1. Das Entladen eines Ausgangskondensators über eine einfach ‚Output Discharge‘ Funktion
Eine sehr elegante Art, beliebige Ströme und Spannungen zu steuern sind Vier-Quadranten-DC/DC-Wandler. Ein üblicher Abwärtswandler nach dem ‚Buck‘ Prinzip arbeitet nur in einem Quadranten. Er kann eine positive Spannung generieren mit positivem Stromfluss, also einer Stromrichtung vom DC/DC Wandler zur Last. Bei einem Vier-Quadranten-Wandler können nicht nur Ausgangskondensatoren entladen werden, sondern es kann eine beliebige Spannung erzeugt werden. Dies, indem Strom in Richtung Last fließt, oder auch von der Last genommen wird.
Das ist im obigen Beispiel der Fall, bei welchem Ausgangskapazitäten entladen werden. Ein Vier-Quadranten-DC/DC-Wandler kann jedoch noch mehr, neben dem Erzeugen von Spannungen, kann auch ein beliebiger Strom eingestellt werden. Dieser Strom kann positiv oder auch negativ sein. Solche Vier-Quadranten-Wandler werden häufig in universellen Laborstromversorgungen eingesetzt. Der Anwender kann beispielsweise eine LED testen in dem ein fester Strom eingestellt wird. Auch kann eine Solarzelle betrieben werden und der Vier-Quadranten-Wandler agiert als Last, welche einen eingestellten Strom aufnimmt.
Bild 2. Vier-Quadranten-Spannungswandler
Eine weitere interessante Anwendung ist das Tönen von Fensterscheiben mit LCD Technik. Hier wird häufig eine genau eingestellte Spannung, im positiven und negativen Bereich benötigt, um je nach Lichteinfall und Wunschhelligkeit im Raum eine passende Tönung zu erreichen.
Bild 2 zeigt was mit der Bezeichnung ‚Vier-Quadranten‘ in Bezug auf eine Spannungsversorgung gemeint ist. Es werden die Quadranten eines Koordinatensystems mit Spannung auf der X-Achse und Strom auf der Y-Achse angenommen. Es können sowohl Strom als auch Spannung positiv und auch negativ sein.
Der DC/DC Wandler kann also als Energiequelle und auch als Energiesenke eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten, der Wandler kann als Stromversorgung oder als elektrische Last fungieren.
Bild 3. Die Topologie eines Vier Quadranten Spannungswandlers in vereinfachtem Schaltplan
Der LT8714 von Analog Devices ist ein Kontroller für einen Vier-Quadranten-Regler. Er beinhaltet alle Funktionen, die für eine solche Regelung benötigt werden. Mit diesem IC kann beispielsweise eine Spannung genau bei 0V gehalten werden. Bild 3 zeigt einen vereinfachten Schaltplan mit dem Controller IC, sowie der Leistungsstufe. Diese besteht aus zwei Induktivitäten L1 und L2, zwei Schaltern, Q1 und Q2, sowie einer Kopplungskapazität Cc. Erklärungen zum jeweiligen Betrieb in jedem einzelnen Quadranten, sowie zum Verhalten bei den Übergängen von einem Quadranten zum anderen findet sich im LT8714 Datenblatt.
In machen Anwendungen wird eine Spannungsversorgung im Vier-Quadranten-Betrieb benötigt. Eine solche kann leicht mit einem optimierten Controller wie dem LT8714 aufgebaut werden. Der Schaltungsentwurf wird dadurch sehr einfach und der Betrieb, besonders um den häufig kritischen 0V Durchgang, erfolgt sauber und zuverlässig.
Alternativen sind andere Schaltreglertopologien die parallel zueinander geschaltet werden müssen, um eine Funktion in mehreren Quadranten zu ermöglichen. Das ist häufig kostenintensiver als die Nutzung einer dedizierten Vier-Quadranten-Lösung.[:]
Über den Autor: Frederik Dostal, © Analog Devices Inc.
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