Zukunftssicher durch Leistungselektronik

Bei der Leistungselektronik handelt es sich um keine einfachen Trafos, welche nur die Höhe der Spannung regeln. Die Leistungselektronik arbeitet mit Stromrichtern. Stromrichter, die für die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom verwendet werden, bezeichnet man als Gleichrichter.

Als Wechselrichter werden Stromrichter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom genannt.

Diese regeln den Energiefluss und die Energieumwandlung z.B. in der Elektromobilität von der Stromerzeugung über die Ladestation in die Batterie bis zum Elektromotor.

Gleich- und Wechselrichter sorgen dafür, dass Wechselstrom in Gleichstrom (AC/DC) oder Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden (DC/AC).

Aber nicht nur die Umwandlung des elektrischen Stroms von Gleich- in Wechselstrom oder umgekehrt spielt in der Leistungselektronik eine wichtige Rolle. Weitere Arten von Stromrichtern sind Gleichspannungswandler und Umrichter. Als Umrichter wird ein AC/AC-Konverter bezeichnet, welcher aus einer existierenden Wechselspannung eine in Frequenz und Amplitude verschiedene neue Wechselspannung generiert. Gleichstromwandler bzw. DC-DC-Konverter ermöglichen die Umwandlung einer Gleichspannung in ein höheres, niedrigeres oder invertiertes Spannungsniveau. 

Die Leistungselektronik sorgt für eine schnelle und regelbare Stromumwandlung. Eine Photovoltaik-Anlage produziert zum Beispiel Gleichstrom, zur Einspeisung in das Stromnetz wird jedoch Wechselstrom benötigt. Der Strom wird schließlich durch einen Wechselrichter in die richtige Form für das Netz gebracht. Die gängigsten Arten von Wechselrichtern sind Strangwechselrichter, Zentral- und Modulwechselrichter. 

Strangwechselrichter werden häufig bei privaten Photovoltaik-Anlagen eingesetzt.

Endgeräte wie Computer, Smartphone, Fernseher und Co. benötigen für den laufenden Betrieb wieder Gleichstrom. Hier hilft jetzt der Gleichrichter der Leistungselektronik, um den Wechselstrom aus dem Netz kontrolliert zurückzuwandeln. Der Gleichrichter ist Bestandteil des Netzteils von Endgeräten.

Ähnlich verhält es sich bei den Batterien von Elektroautos, welche nur mit Gleichstrom geladen werden können. Wenn nicht die Ladesäule bereits den Wechselstrom des Netzes in Gleichstrom umwandelt, so benötigt das Auto selbst einen Bordlader (Bsp.: Volkswagen), der diese Aufgabe übernimmt. Mithilfe der Leistungselektronik kann somit die Batterie des Elektrofahrzeugs mit Gleichstrom geladen werden.

Je nach Art der Schaltung unterscheidet man im Bereich der ungeregelten Gleichrichter die Einweg-Gleichrichterschaltung, welche im Prinzip nur aus einer einfachen Diode bestehen, die Mittelpunkt-Zweiweg-Gleichrichterschaltung und die Brückengleichrichterschaltung. Zusätzlich werden in der Regel Glättungskondensatoren in der Schaltung verwendet, um eine möglichst konstante Versorgung mit Gleichstrom sicherzustellen. Brückengleichrichter werden auch als Vollwellengleichrichter bezeichnet.

Bei den beschriebenen Gleichrichtern handelt es sich um ungeregelte Gleichrichter. 

Im Bereich der Energie- und Antriebstechnik werden überwiegend steuerbare Gleichrichter eingesetzt, die zusätzlich zur Gleichrichtung auch durch eine Phasenanschnittsteuerung die Leistungssteuerung ermöglichen.  

Zu diesem Zweck werden elektronische Halbleiter mit entsprechenden Leistungsbereichen eingesetzt, wie z.B. Triacs, FETs oder IGBT-Module.

Einsatzbereiche sind z.B. die Drehzahlregelung von Gleichstrom- und Universalmotoren im industriellen Umfeld oder auch in Elektrowerkzeugen.

Gleichspannungswandler

Gleichspannungswandler bzw. DC-DC-Konverter ermöglichen die Umwandlung einer Gleichspannung in ein höheres, niedrigeres oder invertiertes Spannungsniveau. Grundsätzlich funktioniert eine DC-DC-Wandler indem eine am Eingang anliegende Gleichspannung durch Öffnen und Schließen eines Transistors in eine rechteckige Wechselspannung gewandelt, und durch anschließende Filterung wieder auf ein abweichendes Gleichspannungsniveau zurückgewandelt wird.

Der häufigste Einsatzzweck von Gleichspannungswandlern findet sich in Schaltnetzteilen, mit denen Elektronik im häuslichen Umfeld betrieben wird, wie z.B. Notebooks, Smartphones oder HIFI-Anlagen.

Als Anwendung in einem höheren Leistungsbereiches in der Energie-und Antriebstechnik werden Gleichstromwandler auch als Gleichstromsteller (DC-DC) bezeichnet. Als Schalter, kommen dabei z.B. Thyristoren, Leistungs-Mosfets oder IGBT-Module.

Mehrere Gleichstromsteller können auch zu komplexeren Schaltungen kombiniert werden. Dazu zählen etwa Zwei- oder Vierquadrantensteller. Mit einem Vierquadrantensteller lässt sich etwa ein Gleichstrommotor ansteuern, in beide Richtung bewegen und die gewünschte Drehzahl einstellen, wie z.B. bei unseren 4Q-Transistor-Drehzahlreglern.

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Die Leistungselektronik ist vielfältig und komplex – sowohl in der Entwicklung als auch in der späteren Fertigung der Elektronik. Das Design-In von Leistungshalbleitern und deren Kühlung, das Auslegen von Zwischenkreiskapazitäten, die Entwicklung von Treibern zur Ansteuerung, die Integration von Überwachungs- und Abschalteinrichtungen, EMV- und Umweltprüfungen, die Lötung von Leistungsbauteilen – dies ist nur eine kleine Auswahl an Themen mit welchen wir uns bei EPH elektronik seit über 35 Jahren beschäftigen. 

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