Was ist ein Schaltnetzteil?
Ein Schaltnetzteil (SMPS) ist eine Stromversorgung, die eine hocheffiziente Leistungsumwandlungsschaltung namens Schaltregler enthält.
Elektronische Geräte mit ICs und Mikrocontrollern benötigen einen stabilen Gleichstrom mit geringen Spannungsschwankungen. Eine stabilisierte Stromversorgung kann linear oder als Schaltregler ausgeführt sein, wobei eine lineare Stromversorgung traditionell die Norm ist.
Bei linearer Stromversorgung ist die Schaltung einfach: Eine 100-V-Wechselspannung wird in eine konstante Wechselspannung umgewandelt, und der Wechselstrom wird unter Ausnutzung der Diodeneigenschaft des Vorwärts-, aber nicht des Rückwärtsstromflusses gleichgerichtet. Anschließend wird sie mit Hilfe von Kondensatoren geglättet. Dies hatte jedoch den Nachteil, dass die Stromversorgung nicht kleiner oder effizienter gemacht werden konnte.
Schaltnetzteile haben dieses Problem gelöst. Bei linearer Stromversorgung wird handelsüblicher Wechselstrom in Spannung umgewandelt und dann gleichgerichtet, während bei Schaltnetzteilen handelsüblicher Wechselstrom zunächst in Gleichstrom gleichgerichtet und dann in Spannung umgewandelt wird, was genau das Gegenteil ist.
Das Schaltnetzteil wird dann durch Ein- und Ausschalten in Impulswechselstrom umgewandelt und in einen Hochfrequenztransformator eingespeist. Kennzeichnend für Schaltnetzteile ist, dass sie kleiner und leichter gebaut werden können, aber die Schaltungen sind komplexer.
Anwendungen von Schaltnetzteilen
Schaltnetzteile haben wesentlich komplexere Schaltungen als die herkömmliche lineare Stromversorgung, haben aber den Vorteil, dass sie durch die Verwendung von ICs in den Stabilisierungsschaltungen sehr kompakt sind. Da das Netzteil keinen großen und schweren Leistungstransformator enthält (ein Gerät, das mittels elektromagnetischer Induktion die Höhe der Wechselspannung umwandelt), wie es bei vereinfachten Netzteilen der Fall ist, kann es kleiner und leichter gebaut werden.
Aufgrund dieser Kompaktheit und des geringen Gewichts werden Schaltnetzteile unter anderem als Netzteil für Mobiltelefone eingesetzt. Sie sind auch sehr kompatibel mit kleinen elektronischen Geräten wie PCs und Tablets, die oft mitgeführt werden.
Um diese Miniaturisierung weiter voranzutreiben, wurden in jüngster Zeit GaN-Bauelemente mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad in Schaltnetzteile für Wechselstromadapter eingebaut, wodurch diese noch kleiner als herkömmliche Si-Bauelemente sind.
Funktionsweise von Schaltnetzteilen
Die Funktionsweise von Schaltnetzteilen ist das Gegenteil von dem herkömmlicher linearer Netzteile. Die lineare Stromversorgung verwendet einen Transformator, um Handelsstrom vor der Gleichrichtung in Spannung umzuwandeln, während Schaltnetzteile handelsüblichen Wechselstrom vor der Spannungsumwandlung zunächst in Gleichstrom gleichrichten. Nach der Gleichrichtung kann die Spannungsumwandlung jedoch nicht mehr mit einem Transformator durchgeführt werden.
Deshalb wandeln Schaltnetzteile den gleichgerichteten Strom durch schnelles Schalten von Halbleiterelementen wie Transistoren und MOS-FETs in impulsorientierten Wechselstrom um, der dann in einen Hochfrequenztransformator eingespeist wird. Dadurch erhöht sich die Anzahl der benötigten Bauteile und Schaltungen und sie werden komplexer, aber diese Komplexität ist der Schlüssel zum Schaltnetzteil.
Es gibt verschiedene Steuerungsmethoden für Schaltnetzteile, von denen die PWM (Pulsweitenmodulation) ein typisches Beispiel ist. Dabei handelt es sich um eine Methode zur Stabilisierung der Spannung, bei der die Einschaltdauer des Ein- und Ausschaltzyklus, d. h. die Breite der Pulswelle, so angepasst wird, dass die Fläche jedes Pulses gleich groß ist. Schaltnetzteile können auch den Wirkungsgrad erhöhen, da die Leistung durch Ein- und Ausschalten eingestellt werden kann.
Außerdem haben die Pulse von Schaltnetzteilen eine hohe Frequenz von einigen zehn bis hundert kHz, so dass der Transformator klein und leicht sein kann. Allerdings erhöhen sich bei hohen Frequenzen die Verluste im Eisenkern, weshalb Ferritkerne verwendet werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Netzteils und spart Energie.
Der Ferritkern ist an einem Kernstab aus einem als Ferrit bezeichneten Material befestigt, der das Kabel umhüllt. Dieser absorbiert das vom hochfrequenten Rauschstrom, der durch das Kabel fließt, erzeugte Magnetfeld und wandelt es in Wärme um, wodurch das Rauschen verringert wird.
Der Schwachpunkt von Schaltnetzteilen ist die Erzeugung von Rauschen durch Hochgeschwindigkeitsschaltungen, was jedoch durch die Ferrittechnologie verringert werden soll.
Weitere Informationen zu Schaltnetzteilen
1. Frequenz von Schaltnetzteilen
Schaltnetzteile wandeln die Ausgangsspannung in den angegebenen Spannungswert um, indem sie die EIN/AUS-Zeit für den Schaltvorgang mit Hilfe von Halbleiterelementen einstellen. Die Frequenz des Signals, das dieses EIN/AUS-Schalten steuert, wird als Schaltfrequenz bezeichnet.
2. Gründe für die große Anzahl von 24-V-Spannungen
In elektrischen Produkten, die Schaltnetzteile verwenden, beträgt die für die Stromversorgung erforderliche Ausgangsspannung häufig 24 V DC. Der Grund dafür ist nach verschiedenen Theorien, dass die Steuerkreise diese Spannung benötigen.
In der Vergangenheit wurde die Gleichspannung oft durch Batterien erzeugt, so dass sie theoretisch durch ein ganzzahliges Vielfaches der 1,5-V-Zelle einer Trockenbatterie bestimmt wurde. In kleineren Geräten werden auch 6 V, 9 V, 12 V usw. auf die gleiche Weise verwendet, aber auch diese sind ganzzahlige Vielfache von 1,5.
Bevor die in der Fabrikautomation verwendeten Steuerkreise durch SPS (programmierbare Steuerungen) ersetzt wurden, bestanden die Schaltkreise aus elektromagnetischen Relais, und die Spannung wurde zum Einschalten der Relais verwendet. Aus diesem Grund werden auch heute noch häufig 24 V verwendet. Es gibt auch andere Gründe für 24 VDC, wie z. B. die Unempfindlichkeit gegenüber lauten Umgebungen.
3. Rauschen in Schaltnetzteilen
Schaltnetzteile verwenden Schaltelemente, um Strom mit hoher Geschwindigkeit ein- und auszuschalten, so dass zwangsläufig hochfrequentes Rauschen entsteht. Bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen ging es darum, den Wirkungsgrad zu steigern und gleichzeitig das Rauschen zu unterdrücken. Moderne Schaltnetzteile sind mit verschiedenen Lärmschutzmaßnahmen ausgestattet.
Schaltnetzteile sind selbst eine Geräuschquelle. Das Rauschen wird nicht nur der Ausgangsleitung hinzugefügt, sondern wird auch zu einer elektromagnetischen Welle, die elektronische Geräte beeinflusst.
Zu den Rauschschutzmaßnahmen gehören die folgenden Techniken:
- Reflexion
Verwendung von Induktivitäten und Kondensatoren als Filter, um zu verhindern, dass Rauschkomponenten übertragen werden. - Absorption
Absorption des Rauschens mit Ferritkernen usw. und Umwandlung in Wärme oder andere Energie. - Umgehung
Ableitung des Rauschens zur Erde mit Hilfe von Kondensatoren usw. - Abschirmung
Abgestrahlte Störkomponenten werden mit einem Metallgehäuse zur Erde geleitet oder mit einem Ferritmaterial oder einem anderen funkwellenabsorbierenden Material absorbiert.
4. Detaillierte Beispiele für die Rauschunterdrückung bei Schaltnetzteilen
Eine der am häufigsten behandelten Arten von Rauschen ist das Gleichtaktrauschen und das Differenzrauschen.
Gleichtaktrauschen
Hierbei handelt es sich um Rauschen, das durch parasitäre Kapazitäten, die zwischen der Schaltnetzteilplatine und dem Gehäuse des Geräts entstehen, entweicht und über GND (Masse) als Schleifenpfad auf die Stromversorgungsseite zurückkehrt. Es wird so genannt, weil die Richtung des Rauschstroms am Plus- und Minuspol des Netzteils jeweils die gleiche ist.
Differentielles Rauschen
Hierbei handelt es sich um das Stromrauschen einer Rauschquelle, die in Reihe mit dem Schaltnetzteilkreis in diesen eintritt und über die Stromversorgungsleitung auf die Stromversorgungsseite zurückkehrt. Wie der Name schon sagt, ist die Richtung des jeweiligen Rauschstroms am Plus- und Minuspol des Netzteils entgegengesetzt und wird auch als Gleichtaktrauschen bezeichnet.
Im Allgemeinen strahlt das Gleichtaktrauschen stärker ab als das Gleichtaktrauschen, aber beide müssen bekämpft werden, wenn der zulässige Rauschpegel überschritten wird. Die erste Methode besteht darin, die Kabellänge des Pfades zu verkürzen oder Litzendrähte zu verwenden.
Für ernsthafte Gegenmaßnahmen müssen auch Rauschfilter hinzugefügt werden. Drosselspulen sind wirksam gegen Gleichtaktstörungen. Auch Bypass-Kondensatoren gegen Erde, so genannte Passcons, werden verwendet. Differenzielle Rauschunterdrückung wird erreicht, indem Kondensatoren zwischen Stromleitungen geschaltet werden, die in entgegengesetzte Richtungen fließen.