Schaltzyklen

Schaltzyklen bezeichnet in der Elektronik die regelmäßigen Abläufe, in denen ein Halbleiter-Schalter zwischen leitend und nicht leitend wechselt. Ein Zyklus besteht aus einem Einschaltzeit t_on und einem Ausschaltzeit t_off; die Gesamtdauer ist T_s = t_on + t_off. Die Schaltfrequenz ist f_s = 1/T_s, und der Einschaltanteil D = t_on / T_s beschreibt den Anteil der Periode, in dem der Schalter eingeschaltet ist. Diese Größen bilden die Grundlage der Regelung und des Betriebs von Schaltnetzteilen.

Anwendungen: Schaltzyklen finden sich vor allem in der Leistungselektronik, etwa in DC-DC-Wandlern, Wechselrichtern, Lade- und Entladeschaltungen sowie in digitalen Schaltungen mit Wiederholungs-Takt. Durch das Beispiele von PWM (Pulsweitenmodulation) lässt sich der Einschaltanteil D präzise steuern, wodurch sich Ausgangsspannung oder Ausgangsstrom bei möglichst geringer Verlustleistung regeln lassen. In idealisierten Modellen liefern verschiedene Topologien unterschiedliche Beziehungen zwischen Vin, Vout und D (z. B. Buck-Wandler Vout ≈ D · Vin; Boost-Wandler Vout ≈ Vin / (1 − D)).

Herausforderungen: Reine Schaltvorgänge bringen Verluste in Schaltern und Dioden, sowie EMI/RFI und Wärmemanagementprobleme mit sich. Parasitärgrößen wie Leitungs- und Streuinduktanzen beeinflussen den Spannungsverlauf, wodurch Dead-Time, Überschwinger und Regelstabilität entstehen können. Die Wahl der Schaltfrequenz ist ein Kompromiss zwischen Reaktionszeit, Filterung, Bauteilgröße und Verlusten.

Messung und Optimierung: Typische Kennwerte sind T_on, T_off, f_s und D. Diese Parameter werden gemessen oder simuliert, um die Regelung zu dimensionieren und die Effizienz zu maximieren. Schaltzyklen sind damit ein zentrales Konzept in der modernen Leistungselektronik.