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Die Übertragung elektrischer Energie erfolgt im öffentlichen Stromnetz mit hohen Spannungen, damit möglichst wenig Kupferverluste entstehen, die als Wärme verlorengehen würden. Die Mehrzahl der elektronischen Anwendungen dagegen arbeitet mit sehr viel niedrigeren Spannungen. In seinem Artikel vergleicht der Autor Vor- und Nachteile von linearen Netzteilen und Schaltnetzteilen und gibt Design-Tipps.

Einer der Hauptgründe, weshalb im öffentlichen Stromnetz mit Wechselstrom und Wechselspannung gearbeitet wird, ist die Tatsache, dass sich Wechselspannungen mithilfe von Transformatoren relativ leicht in höhere oder niedrigere Spannungen umwandeln lassen. Als die Stromversorgungsnetze gegen Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstanden, war die hierfür erforderliche Technik problemlos verfügbar. Um die typische Netzspannung, die je nach Region zwischen 90 und 240 VAC beträgt, in eine niedrigere Spannung zu verwandeln, wurde in frühen elektronischen Anwendungen ein lineares Netzteil verwendet, dessen Prinzipschaltung in Bild 1 zu sehen ist.

Bild 1: Prinzipschaltung eines linearen Netzteils

Bild 1: Prinzipschaltung eines linearen Netzteils Texas Instruments

Bild 2: Schema eines Schaltnetzteils

Bild 2: Schema eines Schaltnetzteils Texas Instruments

Die Netzspannung wird an einen Transformator gelegt, der die Eingangsspannung in eine niedrigere Spannung heruntertransformiert. Diese niedrige Wechselspannung gelangt anschließend an einen Brückengleichrichter und wird daraufhin von einem Kondensator geglättet. Das Resultat ist eine Gleichspannung mit einer gewissen Welligkeit. Letztere wird danach von einem Linearregler entfernt, an dessen Ausgang eine genau geregelte niedrige Gleichspannung anliegt.

Halbleiterbauelemente verändern Netzteile

Der Linearregler war ein sinnvoller Ansatz und wurde bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts in großem Umfang eingesetzt. Dann aber wurden Halbleiterschalter entwickelt, die für hohe Schaltfrequenzen im zwei- bis dreistelligen Kilohertzbereich geeignet waren und auch die hohe Netzspannung verkrafteten. Diese Bauelemente führten in den 1960er- und 1970er-Jahren zu einem gravierenden Wandel auf dem Netzteilsektor.

Weshalb ermöglichten verbesserte Halbleiterbausteine derartige Veränderungen? Die Antwort findet man im faradayschen Gesetz der Induktion, welches besagt, dass die in einem Leiter induzierte Spannung proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses in diesem Leiter ist:

600_TI_Gleichung_1-1Eqn1

Darin gibt N die Windungszahl des Leiters an, welcher der Flussänderung dΦ ausgesetzt wird.

Der magnetische Fluss in einer einzelnen Leiterschleife beträgt B × A, wobei B die Flussdichte pro Flächeneinheit angibt und A die Fläche der Schleife ist. Das Verhältnis zwischen induzierter Spannung und induzierter Flussdichte wird durch folgende Gleichung angegeben:

600-TI-1Eqn2

Da die Induktivität (und damit die Impedanz) der Übertragungsleitungen des Wechselstromnetzes mit der Frequenz zunimmt, wurde die Netzfrequenz einheitlich im Bereich von 50 bis 60 Hz festgelegt. Diese Frequenz bestimmt zusammen mit der effektiven Netzspannung das Spannungs-Zeit-Produkt. Für eine sinusförmige Spannung gilt:

600_TI_Gleichung_3-1Eqn3

Folglich wird für einen halben Netzzyklus das maximale Spannungs-Zeit-Produkt durch diese Gleichung angegeben:

600_TI_Gleichung-4-1Eqn4

Darin steht fLine für die Netzfrequenz, während TLine die Periodendauer ist. Dies ist gleichbedeutend mit dem Anlegen des Scheitelwerts der Netzspannung für etwa ein Sechstel der Periodendauer. Somit gilt:

600_TI_Gleichung-5-1Eqn5

Wie schon erwähnt, wurden Hochspannungs-Halbleiterschalter, die mehrere tausend Mal pro Netzzyklus schalten konnten, in den 1960er- bis 1970er-Jahren verfügbar. Indem ein solcher Schalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet wird, wurde es möglich, die maximale Zeitdauer, die die äquivalente maximale Netzspannung am Transformator anlag, von etwa 3 ms auf eine Zeitspanne in der Größenordnung von 10 µs zu verkürzen. Diese Reduzierung des Spannungs-Zeit-Produkts um mehrere hundert Mal bewirkte eine gleich hohe Verringerung des Produkts aus N × B × A des Transformators.

Um das hohe Produkt aus N × B × A zu verkraften, das bei der Netzwerkfrequenz erforderlich ist, wiesen Netztransformatoren in der Regel die folgenden Eigenschaften auf:

  • Ihre Windungszahl war hoch, was für einen hohen Wicklungswiderstand sorgte und viel Kupfer erforderte („hoch“ ist in diesem Zusammenhang relativ zu dem Transformator zu verstehen, der bei einem Schaltnetzteil benötigt wird).
  • Sie besaßen laminierte Siliziumstahl-Kerne, da Stahl eine hohe Sättigungsflussdichte (B) von 1,5 bis 2 T aufweist. Die Unterteilung des Kerns in laminierte Bleche hat den Zweck, die im Kern erzeugten hohen Wirbelströme zu verringern.
  • Ihr Querschnitt war groß („groß“ ist auch hier bezogen auf den Transformator eines Schaltnetzteils zu verstehen).

Alle diese Faktoren zusammen führten dazu, dass diese Transformatoren deutlich größer waren als jene, die bei höheren Frequenzen nötig sind.

Das Schaltnetzteil

In einem Schaltnetzteil werden Halbleiterschalter verwendet, um die am Transformator liegende Spannung zu schalten (Bild 2). Dieser Transformator besitzt in der Regel folgende Eigenschaften:

  • weniger Windungen
  • Ferritkerne mit niedrigerer Sättigungsflussdichte, aber höherer Beständigkeit gegen Wirbelströme, sodass keine Laminierung erforderlich ist.
  • geringere Querschnittsfläche

Ein Schaltnetzteil ist deshalb deutlich kleiner und leichter. Die folgenden vier Abschnitte gehen auf die entscheidenden Performance-Unterschiede zwischen linearen und geschalteten Netzteilen ein.

Auf der nächsten Seite geht es um den Vergleich von Eingangsspannungsbereich und Wirkungsgrad bei geringer Last

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