Schaltnetzteil

Ein Schaltnetzteil oder Schaltnetzgerät (SNT) ist eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Spannung wandelt. Es kann damit z.B. aus der Netzspannung (Wechselspannung) eine Gleichspannung erzeugt werden (AC/DC-Wandler). Das Schaltungsprinzip funktioniert auch mit einer Gleichspannung am Eingang, wenn eine kleinere oder größere Ausgangsspannung gewünscht ist (DC/DC-Wandler).

Anwendung und Eigenschaften

Schaltnetzteile werden wegen der hohen erreichbaren Leistungsdichte in industriellen Anwendungen eingesetzt. Wegen ständig fallender Preise der erforderlichen Bauelemente sind sie auch zunehmend in elektronischen Kleingeräten - wie Computern, Ladegeräten oder Beleuchtungssystemen mit Halogenlampen - zu finden.

Typischerweise verfügen getaktete Schaltnetzteile wegen der höheren Schaltfrequenz über einen höheren Wirkungsgrad und können kompakter und leichter aufgebaut werden als konventionelle, linear geregelte Netzteile, die einen schweren Trafo mit Eisenkern enthalten. Dabei erreichen manche "kostenoptimierte" Computernetzteile nur Wirkungsgrade von 50% bis 70%, während hochwertige SNT auch über 90% kommen können.

Die Spannungsumsetzung erfolgt durch periodisches Laden und Entladen der als Energiespeicher genutzten Induktivität, weshalb die Ausgangsspannung gefiltert werden muss, um näherungsweise Gleichspannung zu erzeugen.

In der Regel ist es nicht möglich, die Schaltfrequenz vollständig aus der Ausgangsspannung zu entfernen (EMV-Problematik). Durch Fortschritte in der Elektronik kann jedoch die Schaltfrequenz in einen weniger störenden Frequenzbereich gelegt werden, weil störende Frequenzen (Oberwellen) nur auf und oberhalb der Schaltfrequenz auftreten.

Schaltnetzteile verursachen durch den Gleichrichter am Eingang, auch versorgungsseitig Oberwellen, die im Sinne der Leitungsbelastung und des Umweltschutzes vermieden werden sollten, da sie zu erhöhten Verlusten im Stromversorgungsnetz führen (Oberwellenblindleistung). Deshalb müssen Schaltnetzteile mit einer Eingangsleistung ab 50W seit dem 1. Januar 2001 (EN 61000-3-2) eine Leistungsfaktorkorrektur (engl. Power Factor Correction "PFC") besitzen.

Aufbau

Schaltnetzgeräte liefern konstante Ausgangsspannungen oder -ströme. Die Konstanz der Ausgangsgröße wird durch Steuerung des Energieflusses in das Netzgerät und den angeschlossenen Verbrauchern erreicht.

Abb1. Schema Schaltnetzteil

Folgende Vorgänge finden im Schaltnetzteil statt:

• Gleichrichtung der Netzwechselspannung
• Glättung der entstehenden Gleichspannung
• „Zerhacken“ der Gleichspannung
• Transformierung der entstandenen Wechselspannung
• Gleichrichtung der Wechselspannung
• Siebung der Gleichspannung

Mit Hilfe einer Regelschaltung wird dafür gesorgt, dass nur dann Energie in das Schaltnetzgerät hineinfließt und an den Verbraucher weiter gegeben wird, wenn dieser sie benötigt. Die dafür erforderliche Regelung erfolgt über eine Pulsbreiten- oder durch eine Pulssteuerung. Weiterhin verfügen diese Netzgeräte über einen Transformator, um eine galvanische Trennung von Ausgangs- und Eingangseite zu erreichen. In Abb1. wird die Trennung durch einen Trafo und einen Optokoppler im Regel- und Steuerkreis erreicht.

In der Abb1. befindet sich ein Schalttransistor im Primärkreis des Trafo, deshalb nennt man diese Art primärgetaktetes Schaltnetzteil. Wäre dieser Transistor im Sekundärkreis des Trafos, hieße es sekundärgetaktetes Schaltnetzteil. Als Schalter können je nach Schaltfrequenz Thyristoren oder Transistoren (bei hohen Schaltfrequenzen) verwendet werden.

Vorteile eines Schaltnetzteiles gegenüber herkömmlichen Netzgeräten:

• hoher Wirkungsgrad bis über 90% auch bei wechselnder Last möglich
• geringes Gewicht und geringes Volumen
• kleine Transformatoren und sekundärseitige Siebkondensatoren wegen der hohen Frequenzen der Wechselspannung
• geringerer Standby-Verbrauch möglich

Nachteile eines Schaltnetzteiles gegenüber herkömmlichen Netzgeräten:

• Aufgrund der "allgegenwärtigen" Hochfrequenz schlechteres EMV-Verhalten (Störemission)
• Verformung des Netzstroms (Stromimpulse) aufgrund von Aufladungsvorgängen in den Elkos. Abhilfe: Leistungsfaktorkorrektur (LFK), zu Englisch Power Factor Correction (PFC) - oft zu lesen auf PC-Netzteilen
• schlechteres Regelverhalten bei sehr schnellen Lastwechseln
• höhere Komplexität der Schaltung, mehrere Bauelemente und deshalb höhere Anfälligkeit
• erschwerte dynamische Fehlersuche aufgrund der Rückkupplung in der Regelung und immer gegenwärtige (in Dertschland) 306 V
• Hersteller von Computer- und anderen Schaltnetzteilen raten von einer Reparartur ab. ("No serviceable components within.")

Einsatzgebiete der Schaltnetzteile:

• Computernetzteile
• Spannungsversorgungen für Stellglieder oder Sensoren, die eine konstante Spannungsversorgung brauchen
• kompakte Steckernetzteile

Topologien (Grundschaltungen)

• Eintakt-Sperrwandler (Flyback Topology)
  • typische Leistung: 0 bis ca. 150 W
  • relative Kosten: 100%
• Eintakt-Flusswandler (Half-Forward Topology)
  • typische Leistung: 0 bis ca. 250 W
  • relative Kosten: 120%
• Gegentakt-Wandler (Push-Pull Topology)
  • typische Leistung: 100 bis ca. 1000 W
  • relative Kosten: 175%
• Halbbrücken-Wandler (Half-Bridge Topology)
  • typische Leistung: 100 bis ca. 500 W
  • relative Kosten: 190%
• Vollbrücken-Wandler (Full-Bridge Topology)
  • typische Leistung: 300 bis >2000 W
  • relative Kosten: >200%
• Resonanzwandler, nullspannungsschaltend
  • typische Leistung: >1000 W
• Resonanzwandler, nullstromschaltend
  • typische Leistung: >1000 W

Weblinks

• Dimensionierung von Schaltnetzteilen

Literatur

Eine ausführliche Beschreibung der Grundschaltungen findet man in

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2002 ISBN 3540428496