Spannung wandeln mit günstigen Step-Up Konverter (DC-DC Wandler bis 20A)

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Ist deine Spannung am Akku oder an der Batterie vielleicht zu klein für deinen Verbraucher oder passt deine Ausgangsspannung vom Photovoltaik Solarmodul vielleicht nicht zu deinem vorhandenen Wechselrichter? In solchen und ähnlichen Fällen kann ein sogenannter DC-DC Wandler schnell helfen, egal ob Spannung erhöht oder reduziert werden muss. Ich möchte Euch hier einen wirklich preiswerten aber richtig guten Step-Up Wandler vorstellen auf den ich kürzlich gestoßen bin.

Was ist der Unterschied zwischen DC-DC, Step-Up, Step-Down oder Boost Wandler bzw. Konverter?

Step-Up-Konverter-DC-DC-Wandler-DC-1200W-20A-Verpackt

Step-Up Wandler noch verpackt

Für diejenigen die in der Elektronik nicht ganz so verhaftet sind, möchte ich erst mal die Begriffe kurz erläutern. Dass man Wechselspannungen mit einem Transformator erhöhen und verringern kann, das dürfte jedem bekannt sein, das lernt man ja gewöhnlich in der Schule. Der Transformator besteht aus zwei Spulen in denen die Wechselspannung durch das Magnetfeld und die sogenannte Induktion der Spulen eine andere Spannung generieren kann. Je nachdem wie das Verhältnis der Windungsanzahl beider Spulen gewählt wird, wird auch die Spannung im gleichen Verhältnis erhöht oder verringert.
Leider lässt sich dieses Prinzip aber bei Gleichspannung nicht anwenden. Was also machen wenn man eine Gleichspannung in eine andere Spannung wandeln möchte oder muss? Man spricht hier von der DC-DC Umwandlung, DC steht hier für Gleichspannung (genauer „direct current“, welches Gleichstrom bedeutet, siehe Wikipedia). Man kann diese Umwandlung durch sogenannte lineare Spannungsregler (z.B. die bekannte 78er Serie) relativ leicht vornehmen, allerdings entstehen hier sehr große Verluste die in Wärme umgesetzt werden. Der Wirkungsgrad ist also gering! Aus diesem Grund nimmt man solche Spannungsregler heute nur noch bei kleineren Strömen und Spannungsunterschieden. Bei größeren Strömen und auch immer dann wenn auch der Wirkungsgrad sehr gut sein soll, dann verwendet man heute eine andere Technik die oft als Step-Up oder Step-Down-Wandler oder Konverter bezeichnet werden. Der sogenannte Step Up Wandler wird auch oft als Boost Converter oder Auswärtswandler bezeichnet, das ist aber alles das gleiche!
Der Oberbegriff von allen diesen modernen Wandler ist einfach „DC-DC Wandler“ oder „DC-DC-Konverter“, Ein DC-DC Konverter kann also ein Step-Up (Aufwärtswandler) oder Step Down Wandler (Abwärtswandler) sein. Theoretisch ist auch ein älterer linearer Spannungsregler wie der 7805 ein DC-DC Wandler, gemeint sind aber gewöhnlich nur Step-Up und Step-Down Wandler.

Ein Step-Down Wandler reduziert immer die Eingangsspannung.

Step-Down-KonverterDie Ausgangsspannung ist also immer niedriger als die Eingangsspannung, daher nennt man es ja auch Abwärtswandler. Wie groß der Unterschied mindestens sein muss, hängt von dem Aufbau ab und wird im Datenblatt angegeben. Recht üblich ist beispielsweise eine Mindestdifferenz von ca. 1V.  Mit einem solchen Step-Down Wandler kann beispielsweise einen Eingangsspannung von 48V auf 24V, 24V auf 12V oder 12V auf 5V u.s.w. umwandeln ohne dass große Verluste entstehen. Bei vielen Wandlern ist die Ausgangsspannung auch individuell einstellbar.  Hohe Wirkungsgrade von 95 bis 99% sind durchaus üblich. Diese Step-Down Wandler können oft auch sehr große Ströme und Leistungen verarbeiten, da deren Wärmeentwicklung relativ gering ist. Vor einigen Jahren  waren solche DC-DC Wandler (Step-Down) noch recht teuer und schwieriger zu bekommen, heute bekommt man diese dank der Chinesen oft schon für ein paar Euro in guter Qualität in Shops wie AliExpress* aber auch Amazon* oder Ebay*:
Der Anschluss solcher fertigen Step-Down Wandler ist in der Regel simpel und kann von Laien vorgenommen werden. Man schließt die Eingangspannung an die + und – Klemme an und schon steht an den Ausgangsklemmen + und – die gewünschte Ausgangsspannung an.

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Letzte Aktualisierung am 20.09.2021 um 01:23 Uhr  *Affiliatelink ² 

Ein Step-Up Wandler erhöht immer die Eingangsspannung

Step-Up-Konverter-DC-DC-Wandler-DC-1200W-20A-ModulBei diesem Typ eines DC-DC- Wandlers ist die Ausgangsspannung immer größer als die Eingangsspannung. Auch hier gibt es je nach Aufbau einen Mindestspannungsunterschied, oft ist das ca. 1 Volt. Auch für einen solchen Spannungswandler gibt es viele Einsatzbereiche. Angenommen Ihr habt einen Verbraucher der mit 24 Volt arbeitet, habt aber nur eine 12V Batterie zur Verfügung. Einfach einen Step-Up Wandler dazwischen schalten und schon habt Ihr Eure 24V.  Oder vielleicht habt Ihr einen Wechselrichter der erst ab 30V oder 50V vernünftig arbeitet weil er für Solarmodule gedacht war. Auch diesen kann man oft an einer 12V  oder 24V Batterie betreiben wenn man einfach einen Step-Up Wandler dazwischen schaltet. Natürlich gibt es auch Step-Up Wandler bei denen man die Ausgangsspannung frei einstellen kann. Es gibt also unglaublich viele Einsatzgebiete wo ein Step-Up Konverter hilfreich sein kann. Auch die Step-Up Wandler sind heute sehr günstig über die üblichen bekannten Shops zu bekommen, hier ein paar Beispiel-Links zu Angeboten:  AliExpress* aber auch Amazon* oder Ebay*:

ICQUANZX 1200W 20A DC Wandler Boost Auto-Aufwärtsstromversorgungsmodul 8-60V bis 12-83V
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Hinweis: Bei 12 V beträgt die maximale Leistung 240 W, bei 24 V 480 W und bei 36 V 720 W
ANGEEK 12-60V to 12-80V 600W 10A DC-DC Wandler Stromversorgung Step-up Konverter Modul Netzteil
ANGEEK 12-60V to 12-80V 600W 10A DC-DC Wandler Stromversorgung Step-up Konverter Modul Netzteil*
Kurzschlussschutz - Eingangsstrom von Sicherung ist 15A für sichere Bedienung.; Maße: 85 x 60 mm Lieferumfang: 1* Wandler Modul
17,99 EUR

Letzte Aktualisierung am 20.09.2021 um 01:23 Uhr  *Affiliatelink ² 

Wie funktioniert intern ein Step-Down oder Step-Up Konverter?

Das Funktionsprinzip dieser DC-DC Wandler besteht im Prinzip darin dass die Eingangsspannung  im ersten Schritt „zerhackt“ wird. Mit zerhackt meint man das schnelle Ein- und Ausschalten durch einen Transistor. Der Transistor schaltet also oft viele 1000 mal pro Sekunde die Spannung an einer Spule ein und aus. Abwärtsregler PrinzipDadurch entsteht eine Rechteckspannung die an der Spule einen höhere Spannung induziert. Vereinfacht gesagt, ähnelt das Induzieren der höheren Spannung dem Trafo-Prinzip bei der Wechselspannung. Die entstehende induzierte Rechteckausgangsspannung wird dann wieder gleichgerichtet und mit Elkos geglättet. Eine Elektronik überwacht dabei die Ausgangsspannung und  regelt diese Spannung durch  die Frequenz der Rechteckspannung (Schaltfrequenz des Transistors der Eingangsspannung zerhackt). Im Gegensatz zu der normalen Wechselspannung, welche ja nur eine niedrige Frequenz von 50 oder 60 Hz besitzt, nutzen DC-Konverter intern viel höhere Frequenzen, zwischen 1000 und 200.000 Hz  kommen da oft zur Verwendung. Je höher die Frequenz, desto besser und effektiver ist in der Regel der DC-DC Wandler. Eine 150 Khz Frequenz lässt sich viel einfacher und besser glätten als eine grobe 50 Hz Wechselspannung, man braucht dann auch weniger große Elkos. Wenn Frequenzen unterhalb 20 kHz (20000 Hz)  genutzt werden, dann kann es bei solchen Wandlern übrigens zu einem leichten „Fiepen“  oder Pfeifton kommen, man kennt das oft von Modellbau-Reglern aber auch einigen Netzteilen. Das liegt einfach daran dass diese Frequenz Schwingungen in Spule oder Kern erzeugen kann die im hörbaren Frequenzbereich liegen. Wenn man das vermeiden will, sollte man beim Kauf schauen dass die Frequenz möglichst oberhalb 20 kHz liegt. Wenn Euch die Grundschaltungen von DC-Wandlern interessiert, dann schaut mal hier bei Wikipedia rein.

Was sollte man beim DC-DC Konverter Kauf beachten?

Step-Up-Konverter-DC-DC-Wandler-DC-1200W-20A-Praxistest

Empfehlenswerter Step-Up Wandler

Beachtet aber bei Eurer Dimensionierung dass es auch bei Step-Up- und Step-Down-Wandlern Leistungsgrenzen gibt. Zwar haben diese gewöhnlich immer einen guten Wirkungsgrad und eine geringe Wärmeentwicklung verglichen mit herkömmlichen linearen Spannungswandlern, dennoch führen natürlich sehr hohe Ströme auch hier zu höheren Temperaturen. Beim Kauf sollte man darauf achten dass man die angegeben Leistungsgrenzen  nicht überschreitet. Generell würde ich immer dazu raten die Belastung nicht bis zu den Grenzwerten vorzunehmen, nicht immer nehmen es alle Anbieter so genau mit Ihren Angaben, besonders wenn sie weit weg ansässig sind. Trotzdem muss ich sagen dass die Qualität chinesischer Produkte aus meiner Erfahrung in den meisten Fällen durchaus sehr gut ist.
Bedenkt auch, dass bei einem Step-Up Wandler mit der Erhöhung der Ausgangsspannung natürlich auch der Eingangsstrom steigt. Eine Verdopplung der Spannung führt am Eingang zu einer Verdopplung des Eingangsstromes, schließlich muss die Leistung ja irgend woher kommen. Die aufgenommene Leistung am Eingang eines Step-Up oder Step-Down Wandlers ist also immer identisch mit der entnommenen Leistung am Ausgang (abzüglich Verlust). Geht also 100 Watt rein, dann habt Ihr am Ausgang also auch maximal 100 Watt, wenn der Wirkungsgrad 100% wäre. In der Praxis wäre dann aber 96 Watt am Ausgang realistischer wenn man von 96% Wirkungsgrad ausgeht.

Ebenfalls sollte man darauf achten dass es natürlich Wandler mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt. Bei manchen ist die Ausgangspannung fest vorgegeben und bei manchen kann man sie frei einstellen. Manche verfügen über eine feste oder einstellbare Strombegrenzung, manche nicht. Einige verkraften am Ausgang einen Kurzschluss (man spricht von kurzschlussfest) andere haben Sicherungen oder verdampfen bei Kurzschluss 😉
Generell solltet Ihr einem Kurzschluss am Ausgang unbedingt vermeiden wenn Ihr nicht sicher seid dass er das auch verkraftet. Verlasst Euch da nicht immer auf oft schlecht übersetzte Beschreibungen von chinesischen Produkten in den Shops, nicht selten werden in unterschiedlichen Shops zum gleichen Produkt unterschiedliche Angaben gemacht weil es irgendwo mal falsch übersetzt wurde. Also im Zweifel, einfach selbst an die Leistungsgrenzen herantasten und etwas experimentieren.

Universeller DC-DC-Wandler (Step-Up) mit regelbarer Ausgangsspannung von 12 bis 80 Volt bei maximal 20A

Step-Up-Konverter-DC-DC-Wandler-DC-1200W-20A-HandJetzt möchte ich aber mal einen wirklich interessanten und günstigen StepUp-Konverter vorstellen auf den ich zufällig gestoßen bin. Eigentlich habe ich einen Step-Down Wandler, also einen Abwärtswandler mit hoher Leistung für eine Insel-PV-Anlage gesucht. Laut Beschreibung habe ich dann auch einen gefunden der sowohl aufwärts- als auch abwärts regeln sollte, so etwas gibt es nämlich auch. Nachdem er dann kam hat sich schnell herausgestellt dass da mal wieder die Beschreibung im Shop falsch war. Irgend jemand hatte da wohl was falsch übersetzt, Es handelt sich nämlich um einen reinen Step-Up Konverter (Aufwärtswandler), in vielen anderen Shops ist es zum Glück richtig beschrieben. Ihr seht den Wandler rechts und untern im Bild, diesen könnt Ihr übrigens hier kaufen Aliexpress*, Amazon* oder Ebay*.
Zwar kann ich diesem Modul momentan für mein Vorhaben nicht gebrauchen (brauche ja Abwärtsregler), aber dennoch habe ich es bei dem günstigen Preis (um die 20 Euro) natürlich behalten. Da der Step-Up Konverter  wirklich gut funktioniert und einen sehr großen Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich besitzt, bin ich sicher dass ich dafür bald eine Verwendung finde. Ich habe schon einige Experimente mit diesem Step-Up Wandler gemacht, er funktioniert sehr ordentlich, daher möchte ich Euch das Teil mal kurz beschreiben:

Step-Up-Konverter-DC-DC-Wandler-DC-1200W-20A-Anschluesse-Pinbelegung

Bezeichnung: SU-1200 Step UP Wandler Converter 1200W 20A 12-83V DC-DC

Die Bezeichnungen in denen er in den unterschiedlichen Shops angeboten wird, weichen aber alle ein wenig voneinander ab, daher am besten meine Abbildung vergleichen oder meine Links nutzen falls Ihr diesen suchen solltet.

Step-Up-Konverter-DC-DC-Wandler-DC-1200W-20A-ModulEr bietet folgende Eigenschaften:

  • Modell Nr. SZ-BT07CCCV-A
  • Eingangsspannung darf im Bereich 8 bis 60V liegen
  • die Ausgangsspannung ist sehr genau über Spindeltrimmer im Bereich 12 – 83 Volt einstellbar. Die Ausgangsspannung bleibt auch dann stabil wenn sich die Eingangsspannung ändert, eine sehr nützliche Sache.
  • der Ausgangsstrom darf bis zu 20 Ampere betragen
  • die maximale Leistung wird mit 1200 Watt angegeben
  • der Ausgangsstrom kann ebenfalls begrenzt werden. Mit einem Spindeltrimmer  lässt sich dies im Bereich 0,5A bis 20A einstellen
  • die Arbeitsstromaufnahme ohne Last beträgt nur ca. 12mA
  • Wirkungsgradangabe 92 bis 97%
  • über einen Spindeltrimmer kann man eine Unterspannung einstellen, ab der der die Aufwärtsregelung abschalten soll. Diese Unterspannung kann zwischen 9 und 50V eingestellt werden.
  • intern nutzt der DC-Wandler eine Frequenz von 150 kHz (dadurch ist er auch absolut geräuschlos)
  • am Eingang sorgen zwei parallele 15A Sicherungen für eine 30A Absicherung, zudem soll der Eingangsstrom elektronisch auf 25A begrenzt sein)
  • Kurzschlussschutz (vermutlich nur die Sicherungen, hier gibt es unterschiedliche Angaben)
  • Verpolungsschutz am Eingang: Ja laut Anbieter (150A Mos Fet)
  • Das Modul hat unten noch eine zweipolige Buchse die offenbar für die Spannungsversorgung eines optionalen Lüfters dient
  • Großer verbauter Kühlkörper
  • Arbeitstemperatur: -40 ~ + 85 Grad
  • Maße 130mm x 52mm, Höhe 53mm
  • Bezugsquelle: Aliexpress*, Amazon* oder Ebay*.

Ich muss dazu sagen dass ich für die obigen Angaben keinen Gewähr übernehmen kann, das sind Angaben die ich in den jeweiligen Shops zu dem Modul gefunden habe. Ich habe das Modul zunächst mit einer elektronischen Last DL24P* und zwei Labornetzteilen getestet. Damit konnte ich leider noch nicht an die Grenzen der Belastung gehen da mein stärkstes Netzteil  derzeit nur 30V bei 10A liefern kann und die elektronische Last maximal 180 Watt aushält.  Ich kann aber bestätigen dass das Modul bis zu diesen Belastungen hervorragend funktioniert.

Crimpzange-Aderhuelsen-montierenBei Eingangsströmen von 10A und Ausgangsströmen von 6A und Belastungen bis zu 180 Watt blieb das Modul tatsächlich kalt am Kühlkörper und Spule. Er scheint also schon noch wesentlich höhere Belastungen auszuhalten. Um das Modul doch noch stärker belasten zu können, habe ich dann einfach mal an den Eingang und an den Ausgang zwei Photovoltaikstecker MC4 montiert. Schade ist hier übrigens dass die Klemmen auf dem Board kein 4mm² mehr aufnehmen können. Für den Test musste ich etwas pfuschen, da ich mur 6mm² Leitung zur Hand hatte, wenn man es auf Dauer montiert sollte man lieber 2,5mm ² Kabel mit Aderhülse verwenden.
Mit den MC4 Stecker konnte ich dann das Step-Up Modul an einen String meiner kleinen Photovoltaikanlage anschließen. Die lieferte dann am Eingang ca, 37V bei knapp über 20A. Am Ausgang habe ich dann zunächst wieder meine elektronischen Last DL24P* angesteckt und diese bis an die Grenze von 180 Watt hochgeregelt. Das klappt super, auch hier wird überhaupt nichts  warm.

Anschließend habe ich die Ausgangsspannung des Step-Up Wandlers auf 65V eingestellt und einen größeren String-Wechselrichter (Bild unten) angeschlossen, welcher eine Startspannung von 50V und maximale Spannung von 500V zulässt. Damit konnte ich das Step-Up Modul richtig belasten. Das Ganze hat übrigens wunderbar geklappt, der String-Wechselrichter hat bald 500 Watt Strom erzeugt wobei  am Eingang des Step-Up Moduls 35V und 20A anlagen. Hier wurde jetzt aber der Step-Up Wandler dann doch schon sehr heiß, so dass ich ihn nur ca. 10 Minuten so belastet habe. Ich denke auf Dauer würde er das nur verkraften wenn man das Modul wirklich noch zusätzlich kühlt, zum Beispiel durch einen Lüfter.
Da es mir dann zu heiß wurde habe ich die Strombegrenzung auf dem Step-Up Modul soweit heruntergedreht dass nur noch 10A bis 11A gezogen werden, dadurch erzeugte mein Wechselrichter am Ausgang dann auch nur noch 340 Watt. Bei dieser Belastung wurde das Step-Up Modul schon etwas kühler aber immer noch sehr warm. Aber hier hatte ich schon das Gefühl dass es diese Belastung auch auf Dauer aushält. Also bis 10A am Eingang scheint es mir der Step-Up Wandler auch ohne weitere Kühlung in den meisten Fällen geeignet zu sein.

Step-Up-Konverter-DC-DC-Wandler-DC-1200W-20A-Wechselrichter

Test: Wechselrichter am Step-Up Modul betrieben

Die angegebenen 1200 Watt der Herstellers beziehen sich laut Angaben wohl auf die Eingangsleistung, so habe ich zumindest die etwas holprige China-Beschreibung verstanden. Dieser Wert ist aber natürlich nur bei sehr hohen Eingangsspannungen erreichbar, da man ja eigentlich am Eingang nicht mehr als 20 A einspeisen sollte, bei 25A wird ja automatisch begrenzt (Rechnung V=P / I also 1200/20=60V).  Ohne zusätzliche Kühlung wird man an diese Leistung aber sicher nicht wirklich herankommen. Ich würde in der Praxis mit 400 Watt ohne weitere Kühlung und mit 600W mit Lüfter rechnen! Natürlich ist die Hitzeentwicklung auch immer von den Spannungsunterschieden am Ein- und Ausgang abhängig.  Einige Anbieter geben schon in der Beschreibung an dass man bei höheren Ausgangsströmen einen Ventilator nutzen sollte, manche geben hier 10A manche nennen 15A als Grenze. Also hier muss man gegebenenfalls selbst noch ein wenig testen. Falls Ihr schon weitere Erfahrungswerte hinsichtlich maximaler Belastung habt, könnt Ihr das gerne als Kommentar nachtragen. Ich werde meine zukünftigen Erfahrungen auch nachtragen.
Wie bereits geschrieben,  bis 12 A am Eingang und 340W am Ausgang bin ich sehr zufrieden, auch ohne weitere Kühlung.  Bis dahin wird es verkraftbar warm und auch die Spannungseinstellung funktioniert wie beschrieben. Man kann die Ausgangsspannung wirklich von 10 bis 83V einstellen, egal ob ich am Eingang 12V oder 30V habe. Auch bei Verändern der Spannung innerhalb dieses ganzen Bereiches bleibt die Ausgangsspannung völlig stabil! Gut hat auch die einstellbare Strombegrenzung funktioniert, sie kann optimal genutzt werden um das Modul vor Überlastung zu schützen oder um die Leistung am Ausgang zu begrenzen.  Auch den Untervolt-Spindeltrimmer habe ich ausprobiert, er ist auf etwa 9V voreingestellt. Geht die Eingangsspannung darunter, wird die Aufwärtsregelung abgeschaltet und die Ausgangsspannung entspricht der Eingangsspannung. Zusätzlich geht eine LED am Modul an und signalisiert die Unterspannung. Alles das scheint also wirklich wie beschrieben zu funktionieren. Fiepen oder piepsen wie bei billigen Wandlern gibt hier nicht, der Step-Up Wandler arbeitet wirklich völlig geräuschlos.
Die Anschluss Belegung und die Funktion der Spindeltrimmer seht Ihr in meiner Skizze oben. Am Eingang sind auf der Platine immer zwei Schraubklemmen parallel geschaltet, bei kleineren Strömen reicht es also eine davon zu nutzen. Die beiden Anschlüsse auf der Unterseite können offenbar einen Lüfter versorgen, ich habe eine Abbildung gesehen (siehe hier*) wo daran ein Lüfter angeschlossen ist. Lüfter-Spannung habe ich aber noch nicht ausgemessen. Alles in allem kann ich das Teil wirklich empfehlen, man kann viel damit machen! Wer noch etwas mehr Leistung braucht, sollte sich mal die 30A Variante hier* anschauen

Bezugsquellen genutzte Werkzeuge / Materialien im Beitrag und Video

Videos zum Step-Up Konverter


 


 

Letzte Aktualisierung am 21.09.2021 um 02:11 Uhr  *Affiliatelink ² 

Links zum Thema

 

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4 Antworten zu “Spannung wandeln mit günstigen Step-Up Konverter (DC-DC Wandler bis 20A)”

  1. Lorenz sagt:

    Cooler Text! Gefällt mir sehr!

  2. netring sagt:

    Danke für Ihre Infos.
    Also wenn ich das richtig verstehe kann ich einen Step down Konverter für meinen 60 Volt E-Bike Akku verwenden der dann die gewünschten 48 Volt fürs E-Bike System (1000 Watt) liefert?

    Wenn ja welchen könnten Sie mir empfehlen, am besten regelbar.

    Danke im vorraus!

  3. Florian sagt:

    Schöner Bericht. Eine Frage hab ich noch. Was ist wenn meine Eingangsspannung 42V beträgt, ich aber nur eine Ausgangsspannung von 40V eingestellt habe? Leitet der das einfach durch oder funktioniert das dann nicht?

    Vielen Dank und Grüße,
    Florian

    1. Tueftler sagt:

      Kaputt geht er nicht aber das funktioniert nicht. Vermutlich schaltet er ab.

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