Schaltnetzteil

Ein Schaltnetzteil (SNT, auch SMPS von engl. switched-mode power supply) oder Schaltnetzgerät ist eine elektronische Baugruppe, die eine unstabilisierte Eingangsspannung (Gleich- oder Wechselspannung) in eine Gleichspannung eines anderen Niveaus umwandelt. Im Gegensatz zum Spannungsregler weist ein Schaltnetzteil einen hohen Wirkungsgrad auf.

Anders als bei konventionellen Netzteilen mit 50- bzw. 60-Hz-Transformator wird bei Schaltnetzteilen die Netzspannung zunächst gleichgerichtet, zur Transformation in eine Wechselspannung wesentlich höherer Frequenz umgewandelt und nach der Transformation schließlich wieder gleichgerichtet.

Schaltnetzteil in einem DVD-Spieler.

Technischer Hintergrund

Konventionelle Netzteile enthalten einen Netztransformator zur galvanischen Trennung und Spannungstransformation. Die mit Transformatoren maximal übertragbare Leistung steigt bei konstanter Masse etwa proportional zur Frequenz. Wenn man also den Trafo mit höherer Frequenz betreibt, kann man mehr Leistung übertragen. Umgekehrt gilt auch: Die Masse (Eisen-Kern plus Kupfer-Wicklungen) des Trafos kann bei gleicher Leistung deutlich verringert werden, das Netzteil wird leichter.

Die Transformatorkerne von Schaltnetzteilen werden zur Verringerung der Hysterese- und Wirbelstromverluste meist aus Ferrit (ferromagnetische Keramik) oder aus Eisenpulver gefertigt. Auch die Wicklungen werden bei höheren Frequenzen wegen des Skineffektes häufig 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 zu Hochfrequenz-Störungen, die meist mit Netzfiltern, Abschirmungen und Ausgangsfiltern verringert werden müssen.

Anwendung und Eigenschaften

Schaltnetzteil im ATX-Format.

Schaltnetzteile werden wegen der hohen erreichbaren Leistungsdichte vor allem eingesetzt, um Masse und Material zu sparen. Anders als konventionelle Netzteile kleiner Leistung besitzen Schaltnetzteile kleiner Leistung einen sehr hohen Wirkungsgrad. Sie sind daher zunehmend auch in Steckernetzteilen 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, linear geregelte Netzteile, die einen schweren Trafo mit Eisenkern enthalten und zusätzliche Verluste im Linearregler verursachen.

Die Spannungsumsetzung erfolgt durch einen Ferritkern-Transformator, der entweder selbst als induktiver Energie-Zwischenspeicher dient oder auf eine Speicher-Drossel (diskrete Induktivität) als Energiespeicher arbeitet. Es wird periodisch soviel Energie in der Induktivität gespeichert, wie für die konkrete Belastung erforderlich ist. 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 ungerichtete Wandlerfrequenz liefern.

Meist soll jedoch die Schaltfrequenz (Welligkeit) möglichst vollständig aus der Ausgangsspannung entfernt werden (EMV-Problematik). Die Schaltfrequenz wird in einen weniger störenden Frequenzbereich gelegt (z. B. über die obere Hörschwelle und unter die untere Messgrenze von EMV-Messungen bei 150 kHz). Störende Frequenzen treten nur 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 vermieden werden sollten, da sie zu erhöhten Verlusten im Stromversorgungsnetz führen (Oberschwingungsblindleistung). Der zunehmende Einsatz von Schaltnetzteilen verursacht darüber hinaus in immer stärkerem Maße, dass sich auf dem Stromnetz Störfrequenzen ausbreiten, wenn die Schaltnetzteile nicht, wie vorgeschrieben, mit Filtern entsprechend entstört worden sind.

Deshalb müssen Schaltnetzteile (Stromaufnahme unter 16 A) mit einer Eingangsleistung ab 50 W bzw. 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 sinusförmigen Stromverlauf. Oft wird jedoch auch lediglich eine große Netzdrossel vorgeschaltet, die zumindest annähernd für einen sinusförmigen Eingangsstrom sorgt (passive PFC).

Aufbau

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

Schaltnetzgeräte liefern konstante Ausgangsspannungen oder -ströme. Die Konstanz der Ausgangsgröße wird durch Steuerung des Energieflusses in das Netzgerät und die angeschlossenen Verbraucher erreicht - es liegt ein geschlossener Regelkreis vor. Ausnahme sind elektronische Halogentrafos - diese liefern eine 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 dafür gesorgt, dass, abgesehen von Verlusten im Netzteil selbst, nur soviel Energie in das Schaltnetzgerät hineinfließt wie an den Verbraucher weitergegeben wird. Die dafür erforderliche Regelung erfolgt über eine Pulsbreiten- ^[1] oder durch eine Pulsphasensteuerung.

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

In der Abbildung befindet sich 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, typ. 15…300 kHz) betrieben werden und daher sehr klein sind.

Befindet sich 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.

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

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

Als Kondensatoren kommen sekundärseitig Elkos mit niedrigem Serienwiederstandsverhalten = 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.

Vor- und Nachteile gegenüber konventionellen Netzteilen

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
• großer Toleranzbereich für Eingangsspannung und Netzfrequenz, Schaltnetzteile können für den Einsatz mit sehr unterschiedlichen Netzspannungen (85-255 V, 47-63 Hz) ausgelegt werden
• geringes Gewicht und geringes Volumen wegen kleinerer Transformatoren und kleinerer sekundärseitiger Siebkondensatoren (hohe Arbeitsfrequenz)
• geringerer Kupferverbrauch
• geringerer Standby-Verbrauch möglich
• Wesentlich preiswerter als konventioneller Trafo

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 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 SNT mit weniger als 16 A Eingangsstrom, aber 50 bzw. 75 Watt Eingangsleistung (je Geräteklasse) vorgeschrieben;
• Schlechteres Regelverhalten bei sehr schnellen Lastwechseln oder bei sehr niedriger Last
• Höhere Komplexität der Schaltung, mehr Bauelemente und deshalb statistisch höhere Ausfallwahrscheinlichkeit
• Bei zu geringer Last häufig problematisch (Schwingneigung); Lösung: Vorlast

Einsatzgebiete

• Computernetzteile, Netzteile in Monitoren, Druckern und Fernsehgeräten
• Steckernetzteile (Stromversorgung von Geräten geringer Leistung, Ladegeräte für Mobiltelefone und Laptops)
• Elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen
• Gleichspannungsversorgungen aus dem Stromnetz, wenn es auf weltweiten Einsatz ankommt (Weitbereichseingang 100 bis 240 Volt Wechselspannung, 50 oder 60 Hz)
• Lichtbogenschweißgeräte
• Ladegeräte für Akkumulatoren
• Eingangsgeregelte Solarwechselrichter
• Frequenzumrichter, zur Steuerung von Wechsel- und Drehstrommotoren (3-Phasen)

Arten

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

Einzelnachweise

1. ↑ Valter Quercioli: Pulse width modulated (PWM) power supplies. Elsevier, Amsterdam 1993

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12 Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.
• Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis. 3 Auflage. Vogel Buchverlag, 1992, ISBN 3-8023-1436-0.
• Jörg Rehrmann: Das Netzteil- und Konverterhandbuch. 1 Auflage. edition trifolium, 2003, ISBN 3-932862-06-6.
• Ulrich Schlienz: Schaltnetzteile und ihre Peripherie. 3 Auflage. Vieweg, 2007, ISBN 978-3-8348-0239-2.

Weblinks

 Commons: Schaltnetzteile – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Schaltnetzteil – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Vorlesungsskript Leistungselektronik, Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Uni Paderborn (PDF-Datei; 1,86 MB)
• Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter, Dimensionierung von Schaltnetzteilen, interaktiv
• Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch