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Polski⚡ Abwärtswandler — PWM-Schaltung
Simulieren Sie einen DC-DC-Abwärtswandler (Buck-Konverter): Das PWM-Tastverhältnis D steuert den Ausgang V_out = D·V_in. Sehen Sie den Spulenstrom-Ripple ΔI_L = (V_in−V_out)·D/(L·f_sw) und den Kondensatorspannungs-Ripple.
Wie er funktioniert
Ein Abwärtswandler ist ein schaltendes DC-DC-Netzteil, das die Spannung mit hohem Wirkungsgrad heruntersetzt. Der MOSFET-Schalter schaltet mit der Schaltfrequenz f_sw ein und aus. Wenn er eingeschaltet ist, speichert die Spule Energie; wenn er ausgeschaltet ist, gibt sie Energie über die Freilaufdiode ab. Die mittlere Ausgangsspannung entspricht D·V_in.
Die Fläche zeigt drei in Echtzeit scrollende Kurvenformen: die Schaltknotenspannung (grün, oben), den Spulenstrom (bernstein, Mitte) und die Ausgangskondensatorspannung (petrol, unten). Passen Sie Tastverhältnis, Induktivität, Kapazität und Frequenz an, um den direkten Effekt auf den Ripple zu sehen.
V_out = D × V_in
ΔI_L = (V_in − V_out) × D / (L × f_sw)
ΔV_C = ΔI_L / (8 × C × f_sw)
L_krit = (1−D) × R_last / (2 × f_sw)
🔬 Was sie zeigt
Eine schrittweise Abwärtswandler-Simulation (dt = 1/(f_sw·40)), die Spulenstrom iL und Kondensatorspannung vC jeden Zyklus verfolgt, mit live berechnetem V_out, ΔI_L-Ripple, ΔV_C-Ripple, CCM/DCM-Modus (über L_krit) und geschätztem Wirkungsgrad.
🎮 Bedienung
Ziehen Sie die Regler für V_in, Tastverhältnis D, Induktivität L, Kapazität C und Frequenz f_sw, um sofortige Auswirkungen auf Kurvenformen und Statistiken zu sehen. Nutzen Sie Zurücksetzen zum Löschen des Verlaufs und Pause (oder P), um die Animation einzufrieren.
💡 Wusstest du schon?
Reale Abwärtswandler ersetzen die Freilaufdiode oft durch einen zweiten MOSFET (einen „synchronen“ Abwärtswandler), wodurch der Durchlassspannungsverlust von etwa 0,7 V auf nur wenige Millivolt sinkt — ein großer Effizienzgewinn bei hohen Lastströmen in Handyladegeräten und Laptop-Netzteilen.
Häufig gestellte Fragen
Warum sieht die Spulenstrom-Kurvenform wie ein Sägezahn aus?
Solange der Schalter eingeschaltet ist, liegt die Spannung (V_in − V_out) an der Spule an und der Strom steigt linear an; wenn der Schalter abschaltet, läuft die Spule frei aus und der Strom sinkt linear. Dieser Wechsel der Steigung erzeugt den dreieckigen Ripple in der bernsteinfarbenen Kurve.
Was passiert, wenn ich das Tastverhältnis D nahe 0 oder nahe 1 ziehe?
Bei D=0 bricht die Ausgangsspannung gegen null zusammen, da V_out = D·V_in; bei D=1 ist der Schalter fast durchgehend an und V_out nähert sich V_in. An den Extremen reagieren Ripple-Verhalten und die CCM/DCM-Grenze (L_krit) empfindlich auf kleine Änderungen des Tastverhältnisses.
Warum verringert eine höhere Induktivität L den Ripple, kann aber den Modus zu CCM umschalten?
Ein größeres L teilt ΔI_L = (V_in−V_out)·D/(L·f_sw) direkt herab und glättet den Strom. Da die CCM/DCM-Grenze L_krit = (1−D)·R/(2·f_sw) ist, verhindert eine Erhöhung von L über diesen Schwellenwert, dass der Spulenstrom je null erreicht, wodurch die Simulation in den kontinuierlichen Leitungsmodus wechselt.
Warum verkleinert eine höhere Schaltfrequenz f_sw beide Ripple-Werte?
Sowohl ΔI_L als auch ΔV_C haben f_sw im Nenner, sodass eine Verdopplung der Schaltfrequenz beide Ripple-Werte ungefähr halbiert. Deshalb erhöhen reale Wandler die Schaltfrequenz, um Bauteile zu verkleinern — allerdings auf Kosten höherer Schaltverluste im MOSFET.
Warum sinkt der Wirkungsgrad leicht, wenn das Tastverhältnis steigt?
Diese Simulation verwendet eine vereinfachte Wirkungsgradschätzung, die höheres Tastverhältnis leicht bestraft und reale Effekte wie erhöhte Durchlassverluste widerspiegelt. Der tatsächliche Wirkungsgrad hängt zudem von Schalterwiderstand, Spulen-ESR und Diodendurchlassspannung ab.