Schaltnetzteil

Schaltnetzteil

In der Zeichnung ist die Grundfunktion eines SMPS (Schaltnetzteil) = Schaltnetzteil mit galvanischer Trennung dargestellt. Sie können hier den Unterschied zwischen einem linearen Transformatornetzteil und einem Schaltnetzteil herausfinden. Ã?igkeitsklasse="mw-headline" id="Technischer_Hintergrund">Technischer_Hintergrund="mw-editsection-bracket">Quellcode bearbeiten]>

Das Schaltnetzteil (SNT) oder SMPS ist ein elektronisches Modul, das eine nicht stabilisierte Eingabespannung in eine gleichbleibende Ausgabespannung umsetzt. Ein Schaltnetzteil ist im Unterschied zu Trafos und Längsspannungsregler hocheffizient. Schaltnetzgeräte zählen zur Familie der Umrichter. Schaltnetzgeräte setzen im Unterschied zu herkömmlichen Netzgeräten mit großen Netzfrequenztransformatoren die Versorgungsspannung in eine höherfrequente ein.

Dazu wird die Versorgungsspannung in der Regel entzerrt, abgesiebt, in eine hochfrequente Versorgungsspannung zerlegt und nach der Umwandlung im Hochfrequenzzwischenkreis wieder auf die Sollspannung umgerechnet. Der maximale Strom, der mit Trafos über den Kern aus Weicheisen übertragbar ist, nimmt bei einer konstanten Häufigkeit annähernd prozentual zum Boden zu. Wenn der Transformator mit einer höheren Taktfrequenz arbeitet, kann das selbe Volumen mehr Energie aussenden.

Dementsprechend kann die Trafomasse (Eisen- oder Ferritkerne und Kupferwicklungen) bei gleicher Leistungsaufnahme bei hohen Drehzahlen erheblich reduziert werden, so dass die Stromversorgung geringer wird. Trafokerne von Schaltnetzgeräten bestehen aus ferritischer (ferromagnetischer Keramik) oder Eisenpulver, um Hysterese und Wirbelstromverlust zu reduzieren. Bei hohen Drehzahlen werden die Windungen aufgrund des Skin-Effekts als flache Kupferbänder oder mittels hochfrequenter Litzen (dünne, parallel zueinander liegende Drähte) ausgebildet.

Durch die schnelle Strom- und Spannungsänderung der Schaltnetzgeräte entsteht eine hochfrequente Interferenzspannung, die Netz-, Schirm- und Ausgabefilter benötigt, um die erlaubten Interferenzfelder nicht zu übersteigen. Aufgrund der großen erzielbare Energiedichte werden Schaltnetzgeräte hauptsächlich zur Massen- und Materialeinsparung verwendet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stromversorgungen mit geringerer Leistungsaufnahme haben Schaltnetzgeräte einen sehr guten elektrischen Widerstand.

Aufgrund der niedrigeren Verluste an Kupfer im Bereich unter ca. 300 W haben Schaltnetzgeräte einen besseren elektrischen Widerstand (oft über 90%) als Leistungstransformatoren und können somit wesentlich kleiner und kleiner gebaut werden als herkömmliche Netzgeräte, die einen starken Transformator mit eisernem Kern haben. In den meisten Fällen sollte jedoch die Schalthäufigkeit (Welligkeit) so weit wie möglich von der Ausgabespannung getrennt werden (EMV-Problem).

Der Schaltfrequenzbereich liegt in einem störungsarmen Bereich (z.B. oberhalb der oberen Schaltschwelle und unterhalb der unteren Meßgrenze von EMV-Messungen bei 150 kHz). Störfrequenzen entstehen bei und über der Schalthäufigkeit (Betriebsfrequenz und Oberschwingungen). Außerdem wird oft ein ferritischer Kern über die Kabel gestülpt, der aber nur bei sehr hoher Frequenz (VHF-Bereich) wirkt.

Schaltstromversorgungen bewirken durch den Eingangsgleichrichter ebenfalls Oberwellen auf der Versorgungsseite, die so niedrig wie möglich sind, da sie zu höheren Blindleistungsverlusten im Netz der Stromversorgung beitragen (Blindleistung). Durch den zunehmenden Gebrauch von fehlerhaft ausgeführten Schaltnetzgeräten entstehen Interferenzfrequenzen im Netz, wenn die Schaltnetzgeräte nicht wie vorgegeben durch Filter unterdrückt werden. Aus diesem Grund müssen Schaltnetzgeräte (Stromaufnahme unter 16 A) mit einer Leistungsaufnahme von 50 W oder 75 W (je nach Geräteklasse) seit dem 02.01.2001 über eine Blindleistungskompensation (PFC) verfügen (EN 61000-3-2).

Damit steht eine weitere, netzkontrollierte eingangsseitige Schaltschwelle (aktive PFC) für eine annähernd sinusförmige Stromkurve zur Verfügung. Schaltnetzteil (Blockier- oder Flusswandler) mit Galvanische Trenner. Gesteuerte Schaltnetzteile stellen gleichbleibende Ausgangsspannung oder -ströme zur Verfügung. Ausnahmen bilden die ungeregelten elektronischen Halogentransformatoren - diese speisen eine AC-Spannung um 45 Kilohertz nach den Netzspannungsschwankungen. Im Schaltnetzteil laufen die folgenden Prozesse ab:

Der Steuerkreis sorgt dafür, dass so viel Strom in das Schaltnetzteil fließt, wie an die Last weitergeleitet werden soll. Schaltnetzgeräte besitzen einen Ferritkern-Transformator zur Spannungsumwandlung und galvanischen Entkopplung der Ausgangs- und Einlassseite. Wahlweise können die Schaltzustände auch über Zusatztransformatoren auf die Leistungs-Transistoren übertragen werden, um eine Potenzialtrennung zu erwirken.

Im Bild funktioniert ein Schaltungstransistor im Primärstromkreis des Transformators, weshalb dieser Typ als primäres Schaltnetzteil bezeichnet wird. Primärschaltregler haben Ferritkern-Transformatoren, die mit einer Hochfrequenz (der Betriebsfrequenz des Schaltnetzteils, typischerweise 15...300 kHz) arbeiten und daher sehr gering sind. Betreibt der Schaltungstransistor im Sekundärstromkreis des Transformators, wird er als sekundäres Schaltnetzteil bezeichnet.

Dabei wird nur der lineare Spannungsregler durch einen Spannungskonverter ausgetauscht, was den Effizienzgewinn erhöht. Es können sowohl MOSFET- als auch bipolare Transaktionen (IGBT) als Umschalter eingesetzt werden. Für hohe Leistungswerte werden auch GTO- oder Löschkreislauf-Thyristoren eingesetzt. Vorübergehend werden mehrere Elektrolytkondensatoren parallelgeschaltet oder es werden Elektrolytkondensatoren mit einer höheren Nominalspannung eingesetzt, die in dieser Betriebsstellung einen geringeren ESR haben.

Beide sind Merkmale von Geräte mit Schaltnetzteil. Häufig unterscheiden sich die Frequenzen und Wellenformen dieser Interferenzspannungen von der Betriebsspannung. Der Wert der an die Masse angelegten Spannungen kann mit Hilfe von Messinstrumenten mit hoher Impedanz abgelesen werden. Bei isolierten 240 V-Geräten gibt es in den USA oft keine signifikante elektrische Belastung, da die Phase des einphasigen Dreileiternetzes (Split-phase electric power) erdsymmetrisch verläuft und den vom Bauteil gebildete kapazitive Spannungsverteiler bis auf Interferenzspannungen und Komponentententoleranzen auf 0 V hält.

Für TV-Geräte, Satelliten-TV-Empfänger und andere Einrichtungen mit Schalteingang wird diese an die Signaleingänge (analoge und digitale Schnittstelle wie USB, Antenneneingänge) auf Masse gelegt. Damit sich diese Spannungen vom sensiblen Geräteeingang fern halten, sollten die Leitungen beim Anschluss die erste und beim Abschalten des Geräts die zweite sein. An berührbare Metallteile darf bei geerdeten Betriebsmitteln keine signifikante elektrische Spannung angelegt werden; dies würde auf einen Fehler in der Schutzerde deuten.

Das Schaltnetzteil kann für sehr unterschiedliche Betriebsspannungen (z.B. 85-255 V, 47-63 Hz) konzipiert werden. Oftmals werden keine Thermostaten oder thermische Sicherungen benötigt, da ein Überspannungsschutz für die Charakteristik der Anlage ausreichend ist. Durch den Schaltvorgang bei höheren Taktfrequenzen sind Massnahmen zur Optimierung des EMV-Verhaltens (Störaussendung) notwendig. Schaltnetzgeräte können Quellen elektromagnetischer Störungen sein.

Die großen Welligkeitsströme erfordern entsprechende Kapazitäten mit geringem Rauschabstand, die ihrerseits die Effizienz, die Welligkeit und das EMV-Verhalten beeinflussen. Schaltnetzgeräte enthalten neben der Netzgleichrichtung einen potentialgetrennten DC-Wandler; sie zählen auch zu den primären Schaltnetzteilen. Sekundäre Schaltnetzgeräte sind eine überholte Technologie für den allgemeinen Einsatz.

Statt des Longitudinalreglers besteht sie aus einem herkömmlichen Trafo-Netzteil mit nachgelagertem Umrichter. Es werden nicht die gleichen Leistungen wie bei primärgetakteten Stromkreisen erreicht. Mit Schaltnetzgeräten, die wie PC-Netzgeräte mehrere Spannungen liefern, kann der Schaltregler auf der sekundären Seite montiert werden, da er dort die Ausgangsspannung unmittelbar auswerten kann. Über eine Potentialtrennung werden die primärseitigen Schaltungstransistoren wie Transformatoren (Impulstransformatoren) oder optoelektronische Koppler vom Schaltregler (auch Schaltnetzteilregler) gesteuert.

Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-642-01621-9 Otmar Kilgenstein: Schaltnetzgeräte in der Anwendung. Typen von Schaltreglern, deren Kennlinien und Komponenten, konstruierte und gemessene Werte. Vogel, Würzburg 1992, ISBN 3-8023-1436-0. Ulrich Schlienz: Schaltnetzgeräte und deren Zubehör.

Mehr zum Thema