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Bild 1: Prinzipschaltung eines linearen Netzteils (Bild: Texas Instruments)

Eckdaten

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.

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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

1. Eingangsspannungsbereich

Lineares Netzteil

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Tabelle 1: Zusammenfassender Vergleich zwischen linearen und geschalteten Netzteilen Texas Instruments

Der Spannungsbereich von linearen Netzteilen ist begrenzt. Wie in Bild 1 zu sehen ist, liegt am DC-Glättungskondensator eine maximale Spannung von VLine_pk/NPS, wobei NPS das Windungsverhältnis des Transformators angibt. Die Last und der Kapazitätswert bestimmen über die maximale Spannung am Kondensator. Diese Spannung muss größer sein als VOUT zuzüglich des Spannungsabfalls am Linearregler. Je höher aber die Spannung am Kondensator ist, umso größer ist die Verlustleistung im Längselement des Reglers:

Verlustleistung = (Vbulk – VOUT) × IOUT.

Aus diesem Grund wird Vbulk, also die Spannung am Kondensator, etwa 10 Prozent größer als die Spannung gewählt, die mindestens erforderlich ist, um die Regelung von VOUT aufrechtzuerhalten. Somit wird also VOUT nicht mehr geregelt, sobald VIN um mehr als 10 Prozent einbricht.

Lineare Netzteile, die für eine bestimmte Netzspannung (zum Beispiel für die in Europa üblichen 230 V) ausgelegt sind, besitzen an ihrem Transformator gelegentlich Abgriffe, mit denen sich die Windungszahl variieren lässt, sodass der Einsatz auch an anderen Netzspannungen (zum Beispiel an 110 V in den USA) möglich ist. Anwender können hier über einen Schalter den Eingangsspannungsbereich wechseln. Wird es jedoch versäumt, den Schalter in die richtige Stellung zu bringen, kann es passieren, dass das betreffende Gerät nicht richtig funktioniert oder im schlimmsten Fall sogar beschädigt wird.

Schaltnetzteil

Ein Schaltnetzteil kommt mit einem wesentlich größeren Eingangsspannungsbereich zurecht, indem das Tastverhältnis des primären Schalters entsprechend der Ausgangsspannung variiert wird. Viele Netzteile sind für Eingangsspannungen zwischen zirka 85 und 265 VAC geeignet und können deshalb an allen weltweit üblichen Netzspannungen betrieben werden.

2. Wirkungsgrad bei geringer Last

Lineares Netzteil

Die an der Primärwicklung des Transformators liegende Spannung erzeugt einen Strom (Magnetisierungsstrom) in der Wicklung:

600_TI_Gleichung-6-1Eqn6

Zu diesem nicht lastabhängigen Strom addiert sich der reflektierte Laststrom:

600-TI-Gleichung-7-1Eqn7

Der Gesamtstrom in der Primärwicklung berechnet sich deshalb folgendermaßen:

600-TI-Gleichung-8-1Eqn8

Infolge des großen Spannungs-Zeit-Produkts an der Primärwicklung des Transformators in einem linearen Netzteil kann der Magnetisierungsstrom sehr hoch sein, sodass auch bei geringer Last ein beträchtlicher Primärstrom fließen kann. Die von diesem Strom verursachten Verluste haben zur Folge, dass die im Netzteil abfallende Leistung beträchtlich ist, auch wenn der angeschlossene Verbraucher überhaupt keine Leistung aufnimmt. Dementsprechend schlecht ist der Wirkungsgrad bei geringer Last und ganz ohne Last.

Schaltnetzteil

Das geringere Spannungs-Zeit-Produkt an der Primärwicklung eines Schaltnetzteils führt dazu, dass der Magnetisierungsstrom hier wesentlich niedriger ist als in einem linearen Netzteil. Hinzu kommt, dass sich mit abnehmendem Laststrom auch das Tastverhältnis der primärseitigen Schalter verringert. Das Spannungs-Zeit-Produkt und der Magnetisierungsstrom werden deshalb mit der Last geringer.

Viele moderne Schaltnetzteil-Regler stellen das primärseitige Schalten sogar zeitweilig ganz ein, wenn der Laststrom sehr gering wird. Sie arbeiten dann entweder im Burst-Modus oder senken die Schaltfrequenz linear ab, um dafür zu sorgen, dass der Magnetisierungsstrom wirklich nur dann fließt, wenn am Ausgang ein Strom benötigt wird.

Auf der nächsten Seite geht es um Ausgangsspannungs-Welligkeit, Rauschen und elektromagnetische Störungen und um das Lastsprungverhalten

3. Ausgangsspannungs-Welligkeit und elektromagnetische Störungen

Lineares Netzteil

600-TI-1Fig3

Bild 3: Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils Texas Instruments

Abgesehen von hochfrequenten Schwingungen aus den Gleichrichterdioden erzeugen lineare Netzteile deutlich weniger hochfrequente Störgrößen, die andere Schaltungen beeinflussen können. Dieser Vorteil linearer Stromversorgungen ist einer der Hauptgründe, weshalb diese für bestimmte empfindliche Anwendungen immer noch bevorzugt werden.

Schaltnetzteil

Ein Schaltnetzteil wandelt die niederfrequente Eingangsspannung in eine Spannung mit hoher Frequenz um, die dem Transformator zugeführt wird. Anschließend wird die hochfrequente Spannung gleichgerichtet und gefiltert, um am Ausgang die gewünschte Gleichspannung zu erhalten. Die Ausgangsspannung weist in der Regel eine Welligkeit mit der Frequenz der am Transformator liegenden Spannung auf. Wie hoch dieser Welligkeitsanteil ausfällt, hängt vom Umfang der Filtermaßnahmen zwischen dem Transformator und dem Ausgang des Netzteils ab.

Eine weitere ungünstige Eigenschaft des Schaltnetzteils besteht darin, dass das schnelle Schalten hoher Spannungen am Transformator zu hohen Spannungsspitzen an den Schaltknoten und zu steilen Stromflanken (das heißt zu hohen di/dt-Werten) in den Stromschleifen führt. Die kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten dieser Signale haben zur Folge, dass von dem Netzteil elektromagnetische Abstrahlungen ausgehen. Außerdem können hohe Spannungsspitzen dazu führen, dass hochfrequente Störströme in das Stromnetz gelangen. Diese leitungsgeführten und abgestrahlten Störaussendungen können andere elektronische Schaltungen in der Nähe des Netzteils beeinträchtigen.

Die FCC (Federal Communications Commission) in den USA und die Europäische Union haben Vorschriften dafür erlassen, welchen Umfang die von einem Gerät ausgehenden leitungsgeführten und abgestrahlten Störaussendungen haben dürfen. Das Ausfiltern dieser Signale zur Einhaltung der entsprechenden Vorschriften erhöht die Abmessungen, die Kosten und den Entwicklungsaufwand von Schaltnetzteilen und stellt einen erheblichen Nachteil dieser Technik dar, der die Verbreitung von Schaltnetzteilen geschmälert hat. Allerdings ist es mit hinreichenden Filter- und Abschirmmaßnahmen möglich, die von dem Gerät ausgehenden elektromagnetischen Störaussendungen zu begrenzen. Die sonstigen Vorzüge von Schaltnetzteilen haben diesen Nachteil in den meisten Anwendungsfällen außerdem bei weitem überwogen, sodass der Netzteilmarkt inzwischen von den Schaltnetzteilen dominiert wird.

Die steilen Flanken der geschalteten Signale können nicht zuletzt zu Spannungsspitzen am Ausgang des Schaltnetzteils führen. Bild 3 zeigt den typischen Verlauf der Ausgangsspannung eines Schaltnetzteils. Zu erkennen ist die etwa 50 mV betragende Spannungswelligkeit mit der Frequenz der Netzspannung sowie die deutlich stärkeren Spannungsausschläge beim Ein- und Ausschalten der Schalter.

4. Lastsprungverhalten

Lineares Netzteil

Bei linearen Netzteilen gibt es keine großen passiven Bauelemente zwischen der Referenz (Z-Diode) und dem Ausgang, sodass sie nahezu verzögerungsfrei auf Laständerungen reagieren können. Ihr Lastsprungverhalten ist somit als hervorragend zu bezeichnen.

Schaltnetzteil

Aufgrund der Verzögerungen in der Regelschleife und in den passiven Bauelementen der Leistungsstufe kann ein Schaltnetzteil nicht beliebig schnell auf Laständerungen reagieren.

 

Billy Long

Systems Engineer, Texas Instruments

(neu)

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