Man kennt diese Situation. Eine stabilisierte Spannungsversorgung wird benötigt. An sich nichts Schwieriges. Wenig Platz steht zur Verfügung - kein Problem. Die Eingangsspannung kann in einem weiten Bereich variieren - na und… ? Last ist auch nicht gerade konstant - hatten wir schon…
ABER: was wenn z.B. alles in einem kleinen Gehäuse ohne Lüftung untergebracht werden muss und deshalb kein Kühlkörper verwendet werden kann ? Oder was, wenn wegen Versorgung aus Akkus oder Batterien die Verlustleistung sehr klein sein muss - man soll ja nichts "verheizen" ?
Dann sieht es schon schwieriger aus mit den üblichen, meist längsgeregelten Lösungen….
Abhilfe kann hier ein neuer Schaltwandler von RECOM schaffen, der beides vereint - die Spezifikationen und der einfache Einsatz der allseits bekannten 78xx Längsregler mit extrem hohem Wirkungsgrad von bis zu 97%, somit geringer Wärmeentwicklung und das alles ohne der Notwendigkeit eines Kühlkörpers und der damit verbundenen Schwierigkeiten der weiteren Wärmeabfuhr.
Wie beim analogen Längsregler ist der Eingangsspannungsbereich ca. 1,5V mehr als die Ausgangsspannung als unterste Grenze und 34V als obere Grenze, ein Verhältnis von bis zu 7:1 ! Die Serie 78xx-0.5 liefert einen Ausgangsstrom von bis zu 500mA. Typen mit bis zu 1A Ausgangsstrom sind in Vorbereitung.
Ausgangsspannungen sind standardmäßig "off the shelf" alle üblichen Werte von 1,8V, 2,5V, 3,3V, 5V, 9V und 12V lieferbar. Es können aber auch "krumme" Werte sehr einfach werkseitig voreingestellt werden.
Doch nicht das sind die alleinigen Vorzüge dieses neuen Schaltwandlers. Ein weiteres Hauptaugenmerk ist die Bauform: untergebracht ist der Schaltwandler in einem SIP3-Kunststoffgehäuse mit den Abmessungen 11,5x7,5x10,2mm, also annähernd den Dimensionen die ein 78er Längsregler im TO220 Gehäuse auch in Anspruch nimmt wenn er ohne Kühlkörper mit einem gewissen Mindestabstand zu anderen Bauteilen auf der Platine eingesetzt wird. Pinout ist identisch zum Längsregler, also Pin1 für Eingangsspannung, Pin2 für gemeinsamen Ground und Pin 3 für den Ausgang.
Eine externe Einstellbarkeit der Ausgangsspannung mittels eines vierten Pins wird in den kommenden Monaten optional verfügbar sein, weiters angedacht sind Schaltwandler für negative Ausgangsspannungen als Counterpart zu den analogen 79xx Reglern und Ausführungen in SMD Bauform.
Der RECOM R78xx-0.5 ist dauerkurzschlussfest und beinhaltet als weitere Sicherungsfunktion einen Thermal Shutdown, der ab einer Sperrschichttemperatur von 160°C den Wandler abschaltet. Die Kurzschlusssicherung begrenzt den Eingangsstrom im Kurzschlussfall auf typischerweise 25mA und hilft so auch im Fehlerfall weiteren Schaden in der vorgelagerten Schaltung zu vermeiden.
Der Betriebstemperaturbereich ist von -40°C bis +70°C (bei Volllast), über +70°C bis hin zu 85°C reduziert sich die zulässige Ausgangsleistung auf 80% des Nominalwertes.
Der hervorragende Wirkungsgrad von bis zu 97% wird erzielt durch Einsatz eines getakteten Schaltwandlers nach dem Buck Prinzip. Die 30 jährige Erfahrung von RECOM im Design und Entwicklung von DC/DC-Wandlern hat es ermöglicht die Spezifikationen dieses nicht isolierenden Step-Down-Wandlers und v.a. dessen Wirkungsgrad derartig hoch zu züchten. Somit fügt sich dieser Schaltwandler in die letztes Jahr von RECOM vorgestellte INNOLINE nahtlos als Ergänzung der nichtisolierenden Point-Of-Load-Wandler mit ähnlich hohen Wirkungsgraden ein und stellt somit die Erweiterung für kleinere Leistungen und Miniaturdesign dar. Er bietet sich als ideale Ergänzung für verteilte Versorgungssysteme (Distributed Power Supply) an, wo er gemeinsam mit isolierenden DC/DC-Wandlern aus der POWERLINE von RECOM, die die Isolationsbarriere darstellen und mit den R-5xxx, R-6xxx und R-7xxx Serien aus der INNOLINE von RECOM, die als Point-Of-Load-Converter die Versorgung möglichst nah an der Last übernehmen. Somit kann nun die gesamte verteilte Spannungsversorgung erstmalig aus einer Hand kommen.
Ein häufiger und durchaus berechtigter Kritikpunkt ist die Qualität der Ausgangsspannung bzw. die Störungen, die ein Schaltwandler sowohl über die Anschlussleitungen abgibt als auch abstrahlt. Die RECOM R-78xx-0.5 Serie setzt hierbei auf Taktfrequenzen um die 300kHz und erreicht wie erste EMV-Tests zeigen hervorragend niedrige Abstrahlwerte. Der Schaltwandler benötigt keinerlei externe Beschaltung und erreicht dabei typische Werte der Ausgangswelligkeit von 30-50mVpp - die durch externe Beschaltung mit einem Kondensator noch weiter reduziert werden können. Wer extreme Ansprüche and niedrige Welligkeit stellt dem empfiehlt RECOM den Einsatz eines Tiefpassfilters. Schon ein einfacher LC-Tiefpass erster Ordnung der auf ca. 10% der Wandlerschaltfrequenz dimensioniert ist ermöglicht eine Reduktion der Ausgangswelligkeit auf 5mVpp und darunter.
Auch die Eingangsrückwirkung (leitungsgebundene Störungen die ein Schaltwandler aufgrund der Taktung an seinem Eingang produziert) ist beim R-78xx-0.5 von Haus aus schon sehr gering und kann wenn gewünscht durch externe Filterbeschaltung noch weiter reduziert werden.
Die Kompromissbereitschaft im Einsatz eines Schaltwandlers muss von Seiten des Entwicklers also nicht sehr hoch sein, derartige Werte sollten im Vergleich zu den oben erwähnten Vorteilen die ein Einsatz eines solchen getakteten Wandlers mit sich bringt in den meisten Fällen durchaus tragbar sein.
Natürlich wird dieser Schaltwandler nicht antreten wollen um die milliardenfach eingesetzten analogen Längsregler zu ersetzen. Man beachte hier einmal die Kosten der Bauteile: ein üblicher Längsregler ist sogar in kleinen Mengen schon für wenige Cent erhältlich während der Schaltwandler immer ein Vielfaches dessen kosten wird.
In Betracht gezogen müssen aber die weiteren Kosten werden, die für den Einsatz einer der beiden Lösungen nötig sind.
Während der Schaltwandler ohne Kühlmaßnahmen und ohne externe Beschaltung auskommt ist in vielen Fällen für den Längsregler eine Kühlmaßnahme zu treffen, die im einfachsten Fall einen Metallkühlkörper mit nicht unerheblichen Abmaßen darstellt. Hier ist schon oft die Grenze des zur Verfügung stehenden Platzes erreicht oder überschritten.
Doch nicht genug damit: einmal vorausgesetzt die Schaltung soll in einem kleinen, luftdicht abgeschlossenen Gehäuse Platz finden oder andere Gründe sollten die Kühlwirkung behindern. Auch ein noch so großer und wirkungsvoller Kühlkörper verliert seine Wirkung wenn die wichtigsten Bedingungen für seinen Einsatz eingeschränkt wird - Konvektion und Luftströmungen.
Hier hilft dann nur das Problem an der Wurzel zu packen und gleich nicht entstehen zu lassen. Sprich eine Lösung mit hohem Wirkungsgrad muss her, die kaum Verlustleistung und somit kaum Abwärme produziert, die dann erst umständlich abgeführt werden müsste. Hier kommt der Schaltwandler auf den Punkt, da er keinerlei Ansprüche an Verlustleistungsabfuhr stellt, da er kaum welche produziert.
In Punkto externer Beschaltung wird für den analogen Längsregler vielfach eine Beschaltung mit Kondensatoren empfohlen - Kondensatoren, die im Schaltwandler schon aufgrund des Funktionsprinzips intern verbaut sind.
Stellt man nun die gesamten Kosten die eine Spannungsversorgung verursacht gegenüber - also Schaltwandler vs. Längsregler + Kühlkörper + Montage + event. erzwungene Luftströmung über Ventilatoren, etc. sowie der weitere Aufwand für externe Beschaltung dann sieht das Verhältnis schon deutlich anders aus. Mögliche Probleme in Design, Fertigung und Montage von aufwendig gekühlten Schaltungen und die Frage ob im Leistungsbereich kleiner 15W das gerechtfertigt sein muss seien dem geneigten Leser überlassen und sollten hier nicht weiter ausgeführt werden.
Zieht man nun all diese Punkte in Betracht kann wenn die in diesem Artikel erwähnten Fragestellungen auch nur teilweise zum Tragen kommen öfter die Alternative Schaltwandler überlegt werden als man vielleicht auf den ersten Blick sehen mag. |
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