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Schaltnetzteil

Definition: ein Netzteil, in dem mit relativ hoher Frequenz betriebene elektronische Schalter eine zentrale Rolle spielen

Allgemeinerer Begriff: Netzteil

Gegenbegriff: Transformator-Netzteil

Englisch: switching power supply

Kategorie: elektrische Energie

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 19.09.2020; letzte Änderung: 20.09.2020

Ein konventionelles Netzteil besteht meistens aus einem mit Netzfrequenz betriebenen Transformator, ggf. gefolgt von einem Gleichrichter, Siebkondensator und teils noch weiteren Elementen, z. B. zur präziseren Stabilisierung der Ausgangsspannung. Dagegen spielen in einem Schaltnetzteil mit relativ hoher Frequenz betriebene Schalter eine zentrale Rolle; ein ebenfalls meist enthaltener Transformator wird bei einer Frequenz weit oberhalb der Netzfrequenz betrieben.

Manchmal stößt man auf den Gegenbegriff Transformator-Netzteil; jedoch enthalten auch die meisten Schaltnetzteile einen Transformator, wenn auch einen kleineren von anderer Bauart.

Funktionsprinzip eines typischen Schaltnetzteils

Am meisten gebräuchlich sind primär geschaltete Netzteile, die in etwa wie folgt aufgebaut sind:

  • Für den Betrieb mit Netzspannung (einer Wechselspannung) verwendet man zunächst einen Gleichrichter und einen Siebkondensator. Daraus erhält man zum Beispiel am 230-V-Netz eine gleichgerichtete Spannung von ca. 320 V, etwas unter dem Spitzenwert der Wechselspannung. (Eine hohe Stabilität und geringe Welligkeit der erzeugten Gleichspannung ist meist nicht erforderlich.)
  • Darauf folgt ein elektronischer Schalter, basierend auf einem oder mehreren Transistoren (auch MOSFET oder IGBT), der die Spannung mit einer hohen Frequenz (oft in der Größenordnung von 100 kHz) ein- und ausschaltet.
  • Damit wird nun ein dafür ausgelegter Transformator betrieben. Anders als für Netzfrequenz ausgelegte Transformatoren ist dieser für eine gegebene Leistung relativ klein und nicht mit einem Eisenkern, sondern eher einem Ferritkern ausgestattet, weil sonst hohe Eisenverluste auftreten würden.
  • Die Sekundärspannung dieses Transformators wird wiederum gleichgerichtet (oft mit Schottkydioden), mit einem Elektrolytkondensator gesiebt und häufig noch gegen hochfrequente Störspannungen mehr oder weniger sorgfältig gefiltert.
  • Damit die gewünschte Ausgangsspannung unabhängig von der genauen Eingangsspannung und der entnommenen Stromstärke stabil bleibt, wird sie elektronisch geregelt – und zwar meist über den genannten elektronischen Schalter. Beispielsweise kann die Dauer der Einschalt-Impulse entsprechend variiert werden. Die genaue Regelstrategie und deren Präzision hängt u. a. von den Anforderungen der versorgten Verbraucher ab. Häufig wird für die Übertragung der Schaltsignale ein Optokoppler verwendet, um die galvanische Trennung des Ausgangs zum Netz zu bewahren.

Die gesamte Elektronik mit Ausnahme des ersten Gleichrichters kann als ein Gleichspannungswandler bezeichnet werden.

Die Details des Schaltens und der Spannungsregelung können je nach den Umständen (Ausgangsleistung, Ausgangsspannung, weitere Anforderungen) nach unterschiedlichen Strategien gestaltet sein. Beispielsweise verwendet man Sperrwandler, Eintaktflusswandler und Gegentaktflusswandler.

In manchen Fällen entfällt die Gleichrichtung und Siebung, da dies für den Verbraucher nicht nötig ist – etwa in Netzteilen für Halogenlampen.

In gewissen Fällen wird kein Transformator benötigt, sondern nur eine Drosselspule. Damit entfällt natürlich die Möglichkeit der galvanischen Trennung, die aber auch nicht in allen Fällen benötigt wird.

Vergleich mit konventionelle Netzteilen

Im Vergleich zu einem konventionellen Netzteil (wie oben kurz beschrieben) haben Schaltnetzteile typischerweise die folgenden wesentlichen Vorteile:

  • Der Transformator kann für eine bestimmte Ausgangsleistung wesentlich kleiner dimensioniert werden, da die magnetische Energieübertragung bei der hohen Betriebsfrequenz viel effektiver ist. Somit kann ein Schaltnetzteil wesentlich leichter und kompakter gebaut werden.
  • Trotz der wesentlich höheren Komplexität der Schaltung sind die Produktionskosten meist geringer, vor allem wegen des kleineren Transformators.
  • Der Wirkungsgrad und damit die Energieeffizienz liegt selbst bei leistungsschwachen Schaltnetzteilen meist erheblich höher. Insbesondere gilt dies für den Betrieb mit geringer oder gar keiner Ausgangsleistung; die dem Netz entnommene Leistung kann in diesem Fall sehr gering werden. (Die Fortschritte bei der Reduktion des Standby-Verbrauchs vieler Geräte gehen zu einem guten Teil auf den Einsatz von effizienten Schaltnetzteilen zurück.) Die hohe Energieeffizienz äußert sich auch darin, dass sich ein solches Netzteil in der Regel nur wenig erwärmt, selbst bei Volllast. Die verringert auch den Aufwand für die Kühlung.
  • Ein Schaltnetzteil kann meist ohne Mehraufwand so ausgelegt werden, dass es in einem weiten Bereich verschiedener Eingangsspannungen einwandfrei funktioniert. Dies ist beispielsweise wichtig für mobile Ladegeräte (etwa für Notebook-Computer, Tablets, Smartphones), die dann in Ländern mit unterschiedlichen Netzspannungen problemlos verwendet werden können – ohne dass der Benutzer die jeweilige Spannung korrekt einstellen müsste. Selbst der Betrieb mit einer Eingangs-Gleichspannung ist oft problemlos möglich.
  • Bei Bedarf kann auch die Ausgangsspannung in einem weiten Bereich variiert werden, ohne beispielsweise den Wirkungsgrad wesentlich zu beeinträchtigen.

Auf der anderen Seite gibt es die folgenden Nachteile:

  • Die verwendete Schaltung ist erheblich komplexer und damit sehr viel schwieriger zu reparieren. Häufig wird bei einem Defekt das gesamte Schaltnetzteil ausgewechselt, ohne dass eine Reparatur versucht wird.
  • Das hochfrequente Schalten verursacht entsprechende hochfrequente Störungen (bei der Schaltfrequenz und ihren Harmonischen), die allerdings nach Bedarf recht stark unterdrückt werden können durch entsprechende Entstörelemente in der Schaltung. Trotzdem kann es unter Umständen zu Problemen mit der elektromagnetischen Verträglichkeit kommen, jedenfalls wenn besonders empfindliche Geräte mit einem Schaltnetzteil gespeist oder in seiner Nähe betrieben werden sollen. Manche Personen äußern auch Elektrosmog-Bedenken, wobei allerdings keine überzeugende Evidenz für eine gesundheitliche Bedenklichkeit vorliegt.

In anderen Aspekten gibt es keine prinzipiellen Vorteile oder Nachteile:

  • Im Prinzip kann die Ausfallwahrscheinlichkeit durch die erhöhte Komplexität der Schaltung erhöht sein, aber dies ist eine Frage der Qualität des Designs, der verwendeten Bauelemente und die Sorgfalt bei der Fertigung. Auch Schaltnetzteile können bei Bedarf eine sehr hohe Zuverlässigkeit erreichen.
  • Die Präzision der Stabilisierung der Ausgangsspannung ist bei einem Schaltnetzteil nicht unbedingt höher als bei einem konventionellen Netzteil, vor allem wenn dieses noch über einen elektronischen Längsregler verfügt. Manche Schaltnetzteile zeigen bei sehr geringer Belastung eine schlechte Stabilität der Ausgangsspannung, aber dies spielt bei vielen Anwendungen keine Rolle, z. B. wenn die Stromentnahme im vorgesehenen Betrieb des versorgten Geräts nur in einem begrenzten Bereich variiert.
  • Bei einfachen Schaltungsdesigns können erhebliche Störungen durch Oberwellen im Stromverlauf mit der Folge eines entsprechend reduzierten Leistungsfaktors auftreten. Dieses Phänomen ist durch gesetzliche Anforderungen limitiert, erfordert also zumindest bei höheren Leistungen entsprechend verbesserte Schaltungsdesigns. Beispielsweise kann man mit einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur die Entstehung von Oberwellen weitgehend unterdrücken und einen Leistungsfaktor nahe 1 erreichen.

Anwendungen von Schaltnetzteilen

Schaltnetzteile sind heute in einem weiten Bereich von Anwendungen sehr verbreitet, weil sie wesentliche Vorteile einschließlich relativ geringer Produktionskosten bieten. Man findet sie einerseits als separate Netzteile z. B. für die folgenden Anwendungen:

Notebooks-Netzteil
Abbildung 1: Das Netzteil eines Notebooks. Trotz der kompakten Abmessungen (11,5 cm Länge) kann dieses Schaltnetzteil eine Leistung bis zu 72 W abgeben.
  • Für Notebook-Computer gibt es trotz einer maximalen Ausgangsleistung von teils deutlich über 100 W recht kompakte und leichte, somit gut tragbare Netzteile, die in einem weiten Bereich von Netzspannungen problemlos arbeiten.
Steckernetzteile
Abbildung 2: Zwei typische Steckernetzteile. Das größere rechts enthält einen Transformator, das kleine leichte (links) ein Schaltnetzteil mit kaum niedrigerer Leistung.
  • Für Kleingeräte sind heute USB-Netzgeräte in Form von Steckernetzteilen mit einer Ausgangsspannung von 5 V üblich, wobei moderne Geräte für höhere Ausgangsleistungen auch wesentlich höhere Spannungen liefern können.

Andererseits sind viele Schaltnetzteile in Geräten fest verbaut (von außen meist nicht sichtbar). Dies gilt beispielsweise für PCs, Fernseher und Monitore, elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtstoffröhren sowie LED-Leuchten.

Fragen und Kommentare von Lesern

25.06.2020

Kann man an einen Schaltnetzteil Verbraucher mit Gleichstrommotor (z. B. eine Bohrmaschine mit 18-V-Akku) betreiben?

Antwort vom Autor:

Grundsätzlich ja, solange die Stromaufnahme (auch beim Start des Motors!) nicht zu hoch wird.

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sowie andere Artikel in der Kategorie elektrische Energie

Alles verstanden?


Frage: Erzeugen Schaltnetzteile stärkere Oberwellen im Stromnetz als konventionelle Netzteile?

(a) potenziell ja, u. U. aber sogar weniger

(b) ja, immer


Frage: Warum sind Schaltnetzteile meist besonders energieeffizient?

(a) weil sie wegen ihrer geringen Größe weniger Wärmeentwicklung vertragen, also besser konstruiert werden müssen

(b) weil ihr kleinerer Transformator ein schwächeres Magnetfeld erzeugen und weniger Material magnetisieren muss

(c) weil ihr Transformator nicht unabhängig von der Last immer voll magnetisiert werden muss

(d) weil sie präziser geregelt werden


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