Elektronischer Transformator

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.

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 Kernmasse 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 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

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 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 Oberwellen). 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 Oberwellen, die vermieden werden sollten, da sie zu erhöhten Verlusten im Stromversorgungsnetz führen (Oberwellenblindleistung). Der zunehmende Einsatz von Schaltnetzteilen verursacht darüber hinaus immer stärkere, sich auf dem Stromnetz ausbreitende Störfrequenzen.

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 den angeschlossenen Verbrauchern 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- 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.

Vor- und Nachteile gegenüber konventionellen Netzteilen

Vorteile

Steckernetzteile im Größenvergleich. Links Schaltnetzteil mit 20 Watt, rechts konventionell mit 3,6 Watt Ausgangsleistung

• 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

Nachteile

• Aufgrund des Schaltbetriebs mit hohen Frequenzen sind aufwendige Maßnahmen zur Verbesserung des EMV-Verhaltens (Störemission) erforderlich
• Verformung des Netzstroms (Stromimpulse) aufgrund der Ladevorgänge der eingangsseitigen Elkos. 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)
• sogenannte „Elektronische Trafos“ für Niedervolthalogenbeleuchtung
• Gleichspannungsversorgungen aus dem Stromnetz, wenn es auf weltweiten Einsatz ankommt (Weitbereichseingang 100 bis 240 Volt Wechselspannung, 50 oder 60 Hz)
• Lichtbogen-Schweißgeräte
• Netzteile für Diodenlaser
• Ladegeräte für größere Akkumulatoren
• Stromversorgungsgeräte für die Pumplichtquellen von Festkörperlasern (Blitz- und Bogenlampen)

Topologien (Grundschaltungen)

Schaltnetzteile werden nach verschiedenen Kriterien klassifiziert, wobei die Zuordnung der einzelnen Topologien zu den Hauptgruppen Flusswandler, Sperrwandler und Resonanzwandler in der Literatur nicht einheitlich festgelegt ist. In nachfolgender Tabelle sind beispielhafte Zuordnungen angeführt, in konkreten Fällen können Abweichungen von diesen Einteilungen auftreten:

Wandlertyp	Energieübertragende Bauelemente	Weit gefasste Definition [1]	Enge Definition [2], [3]	galvanische Trennung
Ladungspumpe	Kondensator	-		Nein
Abwärtswandler	Speicherdrossel	Flusswandlerprinzip		Nein
Aufwärtswandler	Speicherdrossel	Sperrwandlerprinzip		Nein
Synchronwandler	Speicherdrossel	Je nach Betriebsfall: Sperr- oder Flusswandlerprinzip		Nein
Inverswandler	Speicherdrossel	Sperrwandlerprinzip		Nein
SEPIC-Wandler	Zwei Speicherdrosseln und Kondensator	-		Nein
Eintaktsperrwandler	Transformator mit Luftspalt	Sperrwandlerprinzip	Sperrwandlerprinzip	Ja
Eintaktflusswandler	Transformator ohne Luftspalt und bei Bedarf zusätzliche Speicherdrossel	Flusswandlerprinzip	Flusswandlerprinzip	Ja
Gegentaktflusswandler unterteilt in: Gegentaktflusswandler Asymmetrischer Halbbrückenflusswandler Halbbrückenflusswandler Vollbrückenflusswandler	Transformator ohne Luftspalt und bei Bedarf zusätzliche Speicherdrossel	Flusswandlerprinzip	Flusswandlerprinzip	Ja
Resonanzwandler	Resonanzkreis bestehend aus Kondensator und Speicherdrossel, auch als Resonanztransformator bezeichnet. Bei galvanischer Trennung mit zusätzlichen Transformator erweitert.	Resonanzwandlerprinzip		Ja/Nein

Kriterien von galvanisch getrennten Schaltwandlern

• Eintaktsperrwandler (engl. Flyback Topology):

Kennzeichen: magnetische Energiespeicherung im Transformatorkern; dieser hat dazu einen Luftspalt. Ausgangsdrossel nicht unbedingt erforderlich.

typische Leistung: bis etwa 250 W

relative Kosten: 100 %

Alle folgenden Topologien benötigen eine Speicherdrossel, nutzen den Transformatorkern zunehmend besser aus und sind daher relativ kompakter:

• Eintaktflusswandler (engl. Half-Forward Topology):

Transformator transformiert nur; kein Luftspalt, Speicherdrossel erforderlich

typische Leistung: bis etwa 500 W

relative Kosten: 120 %

• Gegentaktwandler (engl. Push-Pull Topology)

typische Leistung: 100 bis etwa 1000 W

relative Kosten: 175 %

• Halbbrückenwandler (engl. Half-Bridge Topology)

typische Leistung: 100 bis etwa 500 W

relative Kosten: 190 %

• Vollbrückenwandler (engl. Full-Bridge Topology)

Leistungen über 300 W

relative Kosten: über 200 %

Resonanzwandler

Beispiel eines Resonanzwandlers kleiner Leistung. Der zur Energieübertragung genutzte Transformator ist gleichzeitig Teil des Schwingkreises.

Eine eigene Klasse stellen die Resonanzwandler dar. Diese unterteilen sich in zwei große Gruppen:

• Für Leistungsanwendungen, über 1 kW aufwärts, mit dem Ziel, die Verlustleistungen bei den Schaltvorgängen in den Schalttransistoren zu minimieren. Diese Resonanzwandler kommen in zwei Varianten vor, welche entwender immer nur im Nulldurchgang der Spannung bzw. immer nur im Nulldurchgang des Stromes geschaltet werden. Dabei bildet die leistungsübertragende Strecke inklusive des Transformators einen Schwingkreis mit zusätzlichen Kapazitäten und Induktivitäten, welcher die bei diesen Wandler fixe Schaltfrequenz bestimmt.
• Für sehr kompakte Stromversorgungen kleiner Leistung im Bereich einiger 10 W, welche mit einer minimalen Zahl an Bauelementen auskommen müssen und im Aufbau sehr kostenempfindlich sind. Der Vorteil besteht darin, keinen eigenen Schwingkreis und Regelung mit zusätzlichen elektronischen Bauelementen zu benötigen. Anwendungsbeispiele sind die auch als Inverter bezeichneten Stromversorgungen für Kaltkathodenröhren und Energiesparlampen.

Beiden Gruppen gemeinsam ist, dass im Schaltnetzteil kein getrennter Oszillator vorhanden sein muss, sondern die energieübertragenden Bauelemente, wie der eventuell vorhandene Transformator, sind ein Teil des Schwingungkreises.

Einzelnachweise

1. ↑ Westermann, Elektroniktabellen Kommunikationstechnik
2. ↑ Beschreibung von Resonanzwandlern
3. ↑ Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis. 3 Auflage. Vogel Buchverlag, 1992, ISBN 3-8023-1436-0. 

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

• Vorlesungsskript Leistungselektronik, Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Uni Paderborn
• Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter, Dimensionierung von Schaltnetzteilen, interaktiv