Prinzip
Theoretisch wäre dies am einfachsten mithilfe eines Spannungsteilers umzusetzen, allerding würde dabei viel Energie in Form von Wärme verloren gehen. Das Ziel des Abwärtswandler besteht nun darin diese Aufgabe mit deutlich geringeren Verlusten zu erfüllen. Idealerweise soll daher die Eingangsleistung Pein gleich groß sein wie die Ausgangsleistung Paus.
Aufbau
Die Grundschaltung eines solchen Abwärtswandlers ist im unteren Bild gezeigt. Zentrale Bauelemente bilden dabei ein Schalter, welcher üblicherweise in Form eines Transistors realisiert wird, eine Spule, ein Kondensator und eine Diode. Der Transistor wird mittels eines PWM-Signals angesteuert, wodurch das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgang gesteuert wird.
Erklärung
Generell kann man die Arbeit des Abwärtswandlers in 2 Phasen aufteilen. Dabei wird Phase 1 als jene Phase bezeichnet, bei welcher der Schalter geschlossen ist respektive der Transistor leitend geschaltet. Als Phase 2 wird die Phase bezeichnet, bei welcher der Schalter geöffnet also der Transistor sperrend geschaltet ist.
Phase 1
In Phase 1 wird der Schalter geschlossen. Es fällt die volle Eingangsspannung in Sperrrichtung über der Diode ab, weswegen kein Strom durch diese fließt. Der gesamte Strom fließt über die Induktivität. In Abbildung 4 ist der Stromfluss der Phase 1 gezeigt. Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, steigt der Strom durch die Induktivität linear an. Ein Magnetfeld baut sich um die Spule auf, wodurch bzw. in welchem Energie gespeichert wird.
Phase 2
In Phase 2 wird der Schalter geöffnet. Die Spannungsquelle wird so von der Schaltung getrennt.
Die Schaltung wird durch die Spannungsquelle nicht mehr mit Energie versorgt. Die Spule entlädt sich. Sie möchte den Strom aufrechterhalten. Das Magnetfeld wird abgebaut. Mit anderen Worten: Die Spule wird zur Spannungsquelle.
Die Diode schließt nun der Stromkreis, wodurch der Strom von der Spule über den Verbraucher fließen kann. Abbildung 6 zeigt den Stromfluss der Phase 2. In Abbildung 7 sind entsprechende Spannungs- und Stromdiagramme zu sehen.
In Bezug auf die Spule und den Kondensator lässt sich zusammenfassend sagen, dass diese zusammen einen Tiefpass zweiter Ordnung bilden. Effektiv wird dabei aus der Rechteckspannung der Gleichspannungsanteil herausgefiltert.