Schaltnetzteil

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Schaltnetzteil in einem DVD-Spieler
Schaltnetzteil im ATX-Format

Ein Schaltnetzteil (SNT, auch SMPS von engl. switched-mode power supply) oder Schaltnetzgerät ist eine elektronische Baugruppe, die eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung umwandelt. Im Gegensatz zu Trafonetzteilen und Längsspannungsreglern weist ein Schaltnetzteil einen hohen Wirkungsgrad auf.

Im Gegensatz zu konventionellen Netzteilen mit großem Netzfrequenz-Transformator wandeln Schaltnetzteilen die Netzspannung in eine Spannung höherer Frequenz um, da Transformatoren bei hohen Frequenzen für die gleiche Leistung weniger Magnetkernvolumen benötigen. Hierfür wird die Netzspannung meist gleichgerichtet, gesiebt, in eine höherfrequenten Spannung zerhackt und nach der Transformation im hochfrequenten Zwischenkreis auf die gewünschte Spannung erneut gleichgerichtet.

Technischer Hintergrund[Bearbeiten]

Konventionelle Netzteile enthalten einen Netztransformator zur galvanischen Trennung und Spannungstransformation. Die mit Transformatoren über den Weicheisenkern maximal übertragbare Leistung steigt bei konstanter Frequenz etwa proportional zur Masse. Wird der Trafo mit höherer Frequenz betrieben, kann das gleiche Eisenvolumen mehr Leistung übertragen. Der Anstieg der spezifischen Leistung ist wieder etwa proportional zur Masse. Entsprechend gilt: Die Masse (Eisen- oder Ferritkern und Kupferwicklungen) des Trafos kann bei höherer Frequenz für gleiche Leistung deutlich verringert werden, wodurch das Netzteil leichter wird.

Die Transformatorkerne von Schaltnetzteilen werden zur Verringerung der Hysterese- und Wirbelstromverluste aus Ferrit (ferromagnetische Keramik) oder aus Eisenpulver gefertigt. Die Wicklungen werden bei höheren Frequenzen wegen des Skineffektes als flaches Kupferband oder mittels Hochfrequenzlitze (parallelgeschaltete gegeneinander isolierte dünne Drähte) ausgeführt. Ein zur Übertragung von 4000 Watt geeigneter Transformator wiegt beispielsweise:

  • bei 50 Hz etwa 25 kg
  • bei 125 kHz dagegen nur 0,47 kg.

Die schnellen Strom- und Spannungsänderungen der Schaltnetzteile führen zur Emission hochfrequenter Störspannung, die Netzfilter, Abschirmungen und Ausgangsfilter erfordern, um die zulässigen Störfelder nicht zu überschreiten.

Anwendung und Eigenschaften[Bearbeiten]

Schaltnetzteile werden wegen der hohen erreichbaren Leistungsdichte vor allem eingesetzt, um Masse und Material zu sparen.

Anders als konventionelle Netzteile kleiner Leistung besitzen Schaltnetzteile einen sehr hohen Wirkungsgrad. Sie sind daher in neuen Designs für Steckernetzteile zu finden. Schaltnetzteile besitzen wegen der geringeren Kupferverluste im Leistungsbereich unter etwa 300 Watt einen höheren Wirkungsgrad (oft über 90 %) als Netztransformatoren und können kompakter und leichter aufgebaut werden als konventionelle Netzteile, die einen schweren Trafo mit Eisenkern enthalten.

Die Spannungsumsetzung erfolgt durch einen Ferritkern-Transformator, der entweder selbst als induktiver Energie-Zwischenspeicher dient, nur beim Sperrwandler, oder mit einer weiteren Speicher-Drossel (diskrete Induktivität), die dann als Energiespeicher arbeitet. Es wird soviel Energie im Luftspalt des Ferritkernes des Übertragers oder der Drossel gespeichert, wie für die momentane Belastung erforderlich ist. Das Regeln der Ausgangsspannung unter Last ist mit modernen Halbleiterbauelementen im hochfrequenten Zwischenkreis möglich und vermeidet die Verluste eines Längsreglers im Ausgangskreis.

Die Ausgangsspannung wird nach der Gleichrichtung und der Drossel mit Kondensatoren gefiltert, um eine möglichst glatte Gleichspannung zu erzeugen. Ausnahme sind sogenannte elektronische Halogentrafos, die am Ausgang direkt die Lampenspannung liefern.

Meist soll jedoch die Schaltfrequenz (Welligkeit) möglichst vollständig aus der Ausgangsspannung entfernt werden (EMV-Problematik). Die Schaltfrequenz wird in einen wenig störenden Frequenzbereich gelegt (z. B. über die obere Hörschwelle und unter die untere Messgrenze von EMV-Messungen bei 150 kHz). Störende Frequenzen treten bei und oberhalb der Schaltfrequenz auf (Arbeitsfrequenz und Oberschwingungen). Zur Verringerung der Störungen und deren Abstrahlung über die Zuleitungen werden Entstördrosseln eingesetzt.

Oft wird zusätzlich ein Ferritkern über die Leitungen geschoben, der jedoch nur bei sehr hohen Frequenzen (UKW-Bereich) wirksam ist.

Schaltnetzteile verursachen durch den Gleichrichter am Eingang auch versorgungsseitig Oberschwingungen, die möglichst gering gehalten werden, da sie zu erhöhten Blindverlusten im Stromversorgungsnetz führen (Oberschwingungsblindleistung). Der zunehmende Einsatz von falsch ausgelegten Schaltnetzteilen verursacht auf dem Stromnetz Störfrequenzen, wenn die Schaltnetzteile nicht, wie vorgeschrieben, mit Filtern ausreichend entstört worden sind.

Deshalb müssen Schaltnetzteile (Stromaufnahme unter 16 A) mit einer Eingangsleistung ab 50 W oder 75 W (je nach Geräteklasse) seit dem 1. Januar 2001 (EN 61000-3-2) eine Leistungsfaktorkorrektur (engl. Power Factor Correction, „PFC“) besitzen. Diese sorgt durch eine zusätzliche, netzgesteuerte Schaltstufe (aktive PFC) eingangsseitig für einen nahezu sinusförmigen Stromverlauf. Oft wird jedoch auch lediglich eine große Netzdrossel vorgeschaltet, die zumindest annähernd für einen sinusförmigen Eingangsstrom sorgt (passive PFC).

Aufbau[Bearbeiten]

Schema eines Schaltnetzteils (Sperr- oder Flusswandler) mit galvanischer Trennung.

Geregelte Schaltnetzgeräte liefern konstante Ausgangsspannungen oder -ströme. Die Konstanz der Ausgangsgröße wird durch Steuerung des Energieflusses in das Netzgerät und damit für die angeschlossenen Verbraucher erreicht – es liegt ein geschlossener Regelkreis vor.

Ausnahme sind ungeregelte elektronische Halogentrafos – diese liefern eine den Schwankungen der Netzspannung folgende Wechselspannung um 45 kHz.

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 der Regelschaltung wird erreicht, dass soviel Energie in das Schaltnetzgerät hineinfließt, wie an den Verbraucher weitergegeben werden soll. Die dafür erforderliche Regelung erfolgt über eine Pulsbreiten-[1] oder eine Pulsphasensteuerung.

Schaltnetzteile verfügen über einen Ferritkerntransformator, um Spannungstransformation und galvanische Trennung von Ausgangs- und Eingangsseite zu erreichen. Um auch die Regelschleife galvanisch vom Netz zu trennen, ist ein Optokoppler erforderlich. Alternativ kann auch die Übertragung der Schaltsignale an die Leistungstransistoren über Hilfstransformatoren erfolgen, um eine Potentialtrennung zu erreichen. So wird die gesamte Steuerelektronik vom Netz getrennt. In der Abbildung oben wird die Trennung durch einen Trafo und einen Optokoppler im Regel- und Steuerkreis erreicht.

In der Abbildung arbeitet ein Schalttransistor im Primärkreis des Trafos, deshalb nennt man diese Art primärgetaktetes Schaltnetzteil. Primärgetaktete Schaltnetzteile haben Ferritkerntransformatoren, die mit einer hohen Frequenz (der Arbeitsfrequenz des Schaltnetzteiles, typisch 15…300 kHz) betrieben werden und daher sehr klein sind.

Arbeitet der Schalttransistor im Sekundärkreis des Trafos, spricht man von sekundär getakteten Schaltnetzteilen. Diese haben einen mit Netzfrequenz betriebenen Transformator und daher keinen Massevorteil gegenüber konventionellen Netzteilen. Hier wird nur der Linear-Spannungsregler durch einen Spannungswandler ersetzt, was den Wirkungsgrad verbessert.

Als Schalter können Transistoren (MOSFET, Bipolartransistoren, IGBT) verwendet werden. Bei hohen Leistungen kommen auch Thyristoren (GTO oder mit Löschschaltung) zum Einsatz.

Als Gleichrichter werden auf der Sekundärseite meistens Schottkydioden eingesetzt, um eine möglichst kleine Durchlassspannung zu erreichen und die notwendigen schnellen Sperrzeiten zu gewährleisten.

Als Kondensatoren kommen sekundärseitig Elkos mit niedrigem Serienwiderstandsverhalten = ESR zum Einsatz. Behelfsweise werden mehrere Elkos parallel geschaltet oder Elkos mit höherer Nennspannung verwendet, die in dieser Betriebsart niedrigeren ESR aufweisen. Der häufigste alterungs- und wärmebedingte Ausfall der Netzteile besteht im Austrocknen der Elkos bzw. deren Überbeanspruchung bei Unterdimensionierung.

Geprüfter Keramikkondensator für die Anwendung als Y-Kondensator

Berührstrom[Bearbeiten]

An schutzisolierten Geräten mit angeschlossenem Schaltnetzteil kann auf elektrisch leitenden Oberflächen ein leichtes Kribbeln zu spüren sein. Dieser Berührstrom entsteht durch die im Gerät zur Entstörung und zum Schutz der Halbleiter verbauten Y-Kondensatoren. Der Berührstrom darf laut VDE-Vorschrift 0701/0702 höchstens 0,5 mA betragen, was eine der Voraussetzungen für die Anbringung des CE-Zeichens ist. [2]

An schutzgeerdeten Geräten darf keine nennenswerte Spannung anliegen, das würde auf einen Defekt der Schutzerdung hinweisen. Zu berücksichtigen sind hier die Frequenz und Wellenform der Störspannung. Diese sind neben der beim Messen entstehende Spannungsfehlerschaltung der Grund, warum die anliegende Spannung mit einfachen Multimetern nicht korrekt gemessen werden kann.

In den USA an 240 V betriebenen schutzisolierten Geräten tritt ebenfalls keine nennenswerte Spannung auf, da die Phasen des Einphasen-Dreileiternetzes (Split-Phase Electric Power) symmetrisch (180 ° gedreht) verlaufen und den kapazitiven Spannungsteiler abgesehen von Störspannungen und Bauteiltoleranzen auf 0 V halten. beim Betrieb an einer Phase mit 115 V liegt der Spannungsteilung nach nur eine halb so hohe Berührungsspannung wie an 230 V an.

Bei Fernsehgeräten und Satellitenfernsehempfängern liegt diese Spannung gegen die geerdete Antenneninstallation an. Um diese Spannung vom empfindlichen Eingang des Empfängers fernzuhalten, sollte die Antennenleitung die erste beim Anschließen und die letzte beim Trennen des Gerätes sein.

Vor- und Nachteile gegenüber konventionellen Netzteilen[Bearbeiten]

Vorteile
Steckernetzteile im Größenvergleich. Links Schaltnetzteil mit 20 Watt, rechts konventionell mit 3,6 Watt Ausgangsleistung
Steckerschaltnetzteil mit nur zwei Transistoren ohne ICs (außer Optokoppler)
  • Hoher Wirkungsgrad bis über 90 % auch bei kleiner Nennleistung und wechselnden Lasten möglich
  • Gute Regelbarkeit und damit großer Toleranzbereich für Eingangsspannung und Netzfrequenz, ein Schaltnetzteil kann für den Einsatz mit sehr unterschiedlichen Netzspannungen (z.B. 85-255 V, 47-63 Hz) ausgelegt werden
  • Die Eingangsspannung kann bei dafür ausgelegten Geräten auch eine Gleichspannung sein
  • geringes Gewicht und geringes Volumen wegen kleinerer Transformatoren und kleinerer sekundärseitiger Siebkondensatoren (hohe Arbeitsfrequenz)
  • Geringeres Kupfervolumen
  • Geringerer Standby-Verbrauch möglich
  • Preiswerter als linear geregelte Netzteile ohne Zwischenkreis
Nachteile
  • Aufgrund des Schaltbetriebs mit hohen Frequenzen sind Maßnahmen zur Verbesserung des EMV-Verhaltens (Störemission) erforderlich. Schaltnetzteile sind oft elektromagnetische Störquellen.
  • Verformung des Netzstroms (Stromimpulse) aufgrund der Blindleistung für die Ladevorgänge der eingangsseitigen Elkos. Schaltnetzteile bewirken so eine Verzerrung der Versorgungsspannung, vgl. Total Harmonic Distortion. Abhilfe: Leistungsfaktorkorrektur (engl. Power Factor Correction, kurz PFC); seit 2001 bei SNTs mit weniger als 16 A Eingangsstrom, aber 50 oder 75 Watt Eingangsleistung (je Geräteklasse) vorgeschrieben;
  • Schlechtes Regelverhalten im Vergleich zum herkömmlichen Längsregler bei sehr schnellen Lastwechseln oder bei sehr niedriger Last
  • Höhere Komplexität der Schaltung, mehr Bauelemente und deshalb statistisch höhere Ausfallwahrscheinlichkeit
  • Bei geringer Last problematisch (Schwingneigung); Lösung: Vorlast

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

Schaltungsarten[Bearbeiten]

Außer der Gleichrichtung der Netzspannung bestehen Schaltnetzteile aus einem galvanisch getrennten Gleichspannungswandler, sie werden auch zu den primär getakteten Wandlern gezählt. Die üblichen Topologien sind für aufsteigende Leistungen der Sperrwandler, Eintaktflusswandler und der Gegentaktflusswandler. Eine vollständige Auflistung der verschiedenen Topologien ist unter Gleichspannungswandler zusammengestellt.

Sekundärgetaktete Schaltnetzteile sind eine für den allgemeinen Gebrauch veraltete Technik. Sie bestehen aus einem konventionellem Transformatornetzteil mit nachgeschaltetem Abwärtswandler anstelle des Längsreglers. Sie erreichen nicht die hohen Wirkungsgrade primärgetakteter Schaltungen.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 13., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-642-01621-9.
  •  Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis. Arten der Schaltregler, ihre Eigenschaften und Bauelemente, ausgeführte und durchgemessene Beispiele. 3. Auflage. Vogel, Würzburg 1992, ISBN 3-8023-1436-0.
  •  Ulrich Schlienz: Schaltnetzteile und ihre Peripherie. Dimensionierung, Einsatz, EMV. 4. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0613-0.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Schaltnetzteile – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Schaltnetzteil – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Valter Quercioli: Pulse width modulated (PWM) power supplies. Elsevier, Amsterdam 1993
  2. http://www.heise.de/ct/hotline/Kribbelndes-Notebook-1486059.html Kribbelndes Notebook aus c't Ausgabe 9/12 (ea)