Funktion des Aufwärtswandlers: Ist die Mühle mit dem schweren Mühlstein einmal in Schwung hält sie den Wasserfluss am Laufen, auch wenn das Hauptventil geschlossen wird. So wird kontinuierlich Wasser in den Hochbehälter gepumpt. In der Elektronik übernimmt diese Aufgabe die Spule welche Energie in einem Magnetfeld zwischenspeichert. Unterbricht der Transistor den Stromkreis, hält die im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie den Stromfluss am Laufen.
Der Aufwärtswandler eines Mikrocontrollerboards soll bei einer Eingangsspannung von 3,7 V oder 5 V am Ausgang 24 V und 120 mA bereitstellen. Die Spule hat eine Induktivität von L = 22 μH, die Schaltfrequenz des Transistors beträgt 600 kHz und der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 78 %.
Periodendauer: $T=\frac{1}{f}=\frac{1}{600~kHz}=1,67~\mu s$
Einschaltzeit für 5 V: $t_1=T-\frac{U_e \cdot T}{U_a}$$=1,67~\mu s-\frac{5~V \cdot 1,67~\mu s}{24~V}=1,32~\mu s$
Tastverhältnis für 5 V: $g=\frac{t_1}{T}=\frac{1,32~\mu s}{1,67~\mu s}=79,3~\%$
Stromwelligkeit: $\Delta I_L=\frac{1}{f \cdot L}(U_a-U_e)\frac{U_e}{U_a}$$=\frac{1}{600~kHz \cdot 22~\mu H}(24~V-5~V)\frac{5~V}{24~V}=0,3~A$
Eingangsstrom: $I_e=\frac{U_a \cdot I_a}{\eta \cdot U_e}=\frac{24~V\cdot 120~mA}{0,78\cdot 5~V}= 738~mA$
$U_{L1}=U_e-U_{DS}=U_e=5~V$
$U_{L2}=U_e-U_{V2}-U_a=-19~V$
maximaler Transistor- und Spulenstrom: $I_{Dmax}=I_{Lmax}=I_e+\Delta I_L/2=888~mA$
mittlere Transistorstrom: $I_{D}=g\cdot I_e=0,793\cdot 738~mA=585~mA$
Für eine Party am Baggersee soll mit der Autobatterie eines Fahrzeuges (12 V) ein Kühlschrank (230 V, 500 mA) betrieben werden. Der hierfür verwendete Aufwärrtswandler arbeitet im gerade nicht lückenden Betrieb mit einer Schaltfrequenz des Transistors von 500 kHz und einem Gesamtwirkungsgrad von 75 %.
Periodendauer: $T=2~\mu s$
Einschaltzeit: $t_1=1,89~\mu s$
Tastverhältnis: $g=94,8~\%$
Eingangsstrom: $I_e= 12,78~A$
Induktivität: $\Delta I_L=2\cdot I_e=25,56~A$, $L=890~nH$
Spannungsfall an der Spule während t1: $U_{L1}=12~V$
Spannungsfall an der Spule während t2: $U_{L2}=-218~V$
Diagramme:
maximaler Diodenstrom: $I_{Diode max}=I_e+\Delta I_L/2=25,56~A$
mittlere Diodenstrom: $I_{Diode}=(1-g)\cdot I_e=0,052\cdot 12,78~A=665~mA$