Nutzen von Schaltreglern bei erhöhten Spannungen

Um Gleichspannungen in andere Gleichspannungen effizient umzuwandeln werden meist Schaltregler verwendet. Diese sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Ein besonderes Unterscheidungsmerkmal ist der zulässige Spannungsbereich. Wir zeigen, wie man diesen bei Abwärts- und Aufwärtswandlern erweitern kann.

Bei Abwärtswandlern (Tiefsetzstellern), auch Buck-Regler genannt, ist es schwierig den zulässigen Spannungsbereich zu erhöhen. Dies ist durch den oberen Schalttransistor bedingt. Der Treiber für diesen Schalter muss die maximal zu erwartende Eingangsspannung vertragen. Somit ist eine Erweiterung des Eingangsspannungsbereiches mit erheblichem Aufwand verbunden.

Bei Aufwärtswandlern (Hochsetzstellern), auch Boost-Regler genannt, gibt es einfache Möglichkeiten einen vorhandenen Schaltregler für höhere Spannungsbereiche am Eingang sowie am Ausgang zu erweitern. Eine solche Erweiterung kann sinnvoll sein, wenn Schaltreger für den nächsthöheren Spannungsbereich wesentlich teurer sind oder wenn ein bereits verwendeter Schaltregler in seinem Verhalten bereits gut verstanden ist und für ein kleineres Entwicklungsprojekt ein erhöhter Eingangsspannungsbereich oder Ausgangsspannungsbereich benötigt wird.

 Bild 1: Ein Hochsetzsteller mit erweitertem Eingangsspannungs- sowie Ausgangsspannungsbereich
Bild 1: Ein Hochsetzsteller mit erweitertem Eingangsspannungs- sowie Ausgangsspannungsbereich

Bild 1 zeigt den Schaltregler ADP1612 von Analog Devices. Es ist ein kleiner Aufwärtswandler, der bei einer Schaltfrequenz von bis zu 1,3 MHz arbeitet und für einen maximalen Schaltstrom von 1,4 A ausgelegt ist. Der Eingangsspannungsbereich des Reglers liegt zwischen 1,8 und 5,5 V. Die Ausgangsspannung kann bis höchstens 20 V eingestellt werden.

Soll nun die Eingangsspannung 9 V betragen und die Ausgangsspannung 30 V, kann ein solcher Schaltregler mit der passenden externen Beschaltung dennoch eingesetzt werden. Im ersten Schritt muss die Versorgungsspannung für den IC angepasst werden. Nachdem der Pin Vin nur maximal 5,5 V verträgt, muss man die 9-V-Versorgungsspannung herabsetzen. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten.

 Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten eine reduzierte Spannung für die Versorgung des Pins Vin eines Schaltreglers zu erzeugen
Bild 2: Verschiedene Möglichkeiten eine reduzierte Spannung für die Versorgung des Pins Vin eines Schaltreglers zu erzeugen

Es kann ein einfacher Widerstandsteiler von den 9 V nach Masse verwendet werden. Bild 2 zeigt diese Schaltung ganz links. Zwischen den beiden Widerständen wird die Versorgung für den Pin Vin abgegriffen. Hierbei verändert sich jedoch die Spannung an Vin je nach Versorgungsspannung, in unserem Beispiel 9 V. Ebenfalls verändert sich die Spannung an Vin je nach Höhe des Versorgungsstroms welcher in den Pin Vin fließt.

Um diese Einflüsse zu reduzieren kann man einen Stromeinstellwiderstand und eine Zener-Diode wie in Bild 2 in der Mitte gezeigt, verwenden. Hier ist die Spannung an Vin weitgehend konstant. Die Zener-Diode ist für 5,1 V ausgelegt.

Wenn besonders bei sehr hohen Versorgungsspannungen eine höhere Effizienz gewünscht wird, kann man den Stromfluss durch die Zener-Diode stark reduzieren indem man zusätzlich einen Transistor spendiert. Bild 2 zeigt rechts auch diese Möglichkeit zur Versorgung des Vin-Pins eines Aufwärtswandlers. Durch diese Hilfsschaltungen kann der ADP1612 also bei einer Versorgungsspannung von 9 V betrieben werden.

Wenn die zu erzeugende Spannung 30 V betragen soll, was oberhalb der maximal möglichen Ausgangsspannung von 20 V des ADP1613 liegt, gibt es auch eine Möglichkeit der Ausgangsspannungserweiterung. Es kann ein externer Schalter zusätzlich zum bereits vorhandenen Schalter im ADP1613 eingesetzt werden. Dieser ist in Bild 1 gezeigt.

Er schützt gewissermaßen den SW-Pin vor Spannungen oberhalb seiner maximal erlaubten Spannung. Der Transistor Q1 muss für die Höhe der gewünschten Ausgangsspannung ausgelegt sein. In unserem Fall wählen wir T1 als 40-V-Transistor bei einer Ausgangsspannung von 30 V. Der Transistorstrom fließt in dieser Schaltung ebenfalls durch den internen Schalter des ADP1612. Somit muss der externe Transistor T1 mindestens für den gleichen Strom wie der interne Schalter ausgelegt sein, damit die Strombegrenzung des Schaltreglers die ganze Schaltung schützen kann.

Ob eine Erhöhung der Spannungen bei einem Schaltregler in Anwendungen sinnvoll ist, hängt von vielen Parametern ab. Es ist aber immer wichtig, sich dieser Möglichkeit bewusst zu sein.

IT-Sicherheit in Kommunen gefährdet

In den von ihm untersuchten Kommunen in NRW war es möglich, vor Ort ohne Ausweis Geräte zu installieren und so einen Zugang zum Netzwerk zu erlangen. Bei fast allen vom ihm untersuchten Kommunen gelang es ihm, innerhalb von zwei bis acht Stunden, ohne Insider-Kenntnisse einen vollständigen Zugriff auf alle relevanten Systeme der betroffenen Kommunen zu realisieren. Es wurden sowohl Angriffe über das Internet, als auch Angriffe auf lokale Infrastrukturen durchgeführt. In vielen Fällen fehlten nach seinen Angaben essentielle Sicherheitsmaßnahmen.
Möglich war ein lesender und schreibender Zugriff auf Daten und Systeme wie z.B. komplette Personenregister, detaillierte Informationen über ansässige Ausländer, gesonderte Listen mit Alias-Identitäten (z.B. gefährdete Personen, das ist besonders bei Zeugenschutzprogrammen heikel), Daten des Ordnungsamtes, der Finanzverwaltung, Ratsinformationssysteme, Schülerleistungsdaten und Alarmierungs- und Leitsysteme der Feuerwehr. Über eine Kommune wurde versucht von dort aus auf Systeme der Länder oder des Bundes zuzugreifen. Diese Zugriffsversuche gibt es natürlich täglich auch direkt auf die IT des Bundes und der Länder.
Hier zeigt sich aber genau das Szenario, welches die Kommunalen Spitzenverbände bei der Beratung der IT-Sicherheitleitlinie im März 2013 im IT-Planungsrat aufzeigten. Es ist immer das kleinste Glied in der Kette, welches die gesamte Stabilität von Sicherheitssystemen ins Wanken bringen kann. Bekanntlich hatte der IT-Planungsrat es abgelehnt, die Sicherheitsleitline auch für die Kommunen als verbindlich zu erklären. Es bestand und besteht offenbar weiterhin die Sorge, dass bei der verpflichtenden Anwendung der Leitlinie durch die Kommunen die Konnexität greift und damit die Länder zahlungspflichtig werden. Den Kommunen wurde lediglich empfohlen, die Leitlinie für die Informationssicherheit freiwillig anzuwenden. Die Entscheidung des IT-Planungsrat, die Kommunen aus der Verpflichtung herauszunehmen, war falsch. Die Kommunen verfügen über einen enormen und sensiblen Datenbestand. Datenschutz und Datensicherheit sind ein elementares Recht der Bürgerinnen, Bürger und der ansässigen Unternehmen und müssen von allen Ebenen sichergestellt werden. Hier gilt höchste Sensibilität.
In der Landtagsanhörung wurde darauf hingewiesen, dass ein effektives Sicherheitskonzept und die qualifizierte Umsetzung von IT-Sicherheitsmaßnahmen oft wichtiger sind, als technische Programm-Merkmale. Mehr Aufmerksamkeit sollte auf der kommunalen Ebene auch der Datensparsamkeit und Datenvermeidung gewidmet werden. Grundsätzlich sei eine dezentrale Struktur einer zentralen Struktur vorzuziehen. Ebenso müssten auf der Basis eines Datenschutzprogramms regelmäßige Kontrollen durchgeführt werden.
Ein erster Schritt sollte sein, sich in den Kommunen dem heutigen Stand der Technik und der Regularien entsprechend den gültigen BSI-Standards aufzustellen. Die Kommunen genießen bei den Bürgerinnen und Bürger großes Vertrauen. Dieses Vertrauen muss sich auch in der Frage der Datensicherheit und des Datenschutzes widerspiegeln. Erkannte Schwachstellen sollten schnell bereinigt werden. Höchste Aufmerksamkeit in IT-Sicherheitsfragen gehören oben auf die Tagesordnung.