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Ein Schaltnetzteil oder Schaltnetzgerät (SNT) ist eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Spannung wandelt. Es kann damit z.B. aus der Netzspannung (Wechselspannung) eine Gleichspannung erzeugt werden (AC/DC-Wandler). Das Schaltungsprinzip funktioniert auch mit einer Gleichspannung am Eingang, wenn eine kleinere oder größere Ausgangsspannung gewünscht ist (DC/DC-Wandler).

Anwendung und Eigenschaften

Netzteile enthalten meist einen Transformator zur galvanischen Trennung von Ein- und Ausgang. Die damit maximal übertragbare Leistung steigt bei konstanter "Eisenfüllung" mit der Frequenz. Wenn man also den Trafo mit höherer Frequenz betreibt, kann man mehr Leistung übertragen. Umgekehrt gilt auch: Die "Eisenfüllung" des Trafos kann bei gleicher Leistung deutlich verringert werden, das Netzteil wird leichter.

Schaltnetzteile werden wegen der hohen erreichbaren Leistungsdichte vor allem in industriellen Anwendungen eingesetzt. Wegen ständig fallender Preise der erforderlichen Bauelemente sind sie auch zunehmend in elektronischen Kleingeräten - wie Computern, Ladegeräten oder Beleuchtungssystemen mit Halogenlampen - zu finden.

Typischerweise verfügen getaktete Schaltnetzteile wegen der höheren Schaltfrequenz (etwa 40 kHz) über einen höheren Wirkungsgrad und können kompakter und leichter aufgebaut werden als konventionelle, linear geregelte Netzteile, die einen schweren Trafo mit Eisenkern enthalten.

Manche "kostenoptimierten" Computernetzteile erreichen dennoch nur Wirkungsgrade von 50% bis 70%, während hochwertige SNT oft über 90% erreichen.

Die Spannungsumsetzung erfolgt durch den Transformator oder - bei manchen DC/DC-Wandlern - durch periodisches Laden und Entladen der als Energiespeicher genutzten Induktivität. Es wird periodisch soviel Energie in der Induktivität gespeichert, wie für die konkrete Belastung erforderlich ist. Diese Induktivität kann durch den Transformator selbst oder durch eine zusätzliche Speicherdrossel gebildet werden. Die Ausgangsspannung muss gefiltert werden, um eine möglichst glatte Gleichspannung zu erzeugen.

In der Regel ist es nicht möglich, die Schaltfrequenz vollständig aus der Ausgangsspannung zu entfernen (EMV-Problematik). Durch Fortschritte in der Elektronik kann jedoch die Schaltfrequenz in einen weniger störenden Frequenzbereich gelegt werden (z.B. über die obere Hörschwelle). 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 16A) mit einer Eingangsleistung ab 50W/75W (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

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 nur soviel Energie in das Schaltnetzgerät hineinfließt und an den Verbraucher weitergegeben wird, wie dieser benötigt. Die dafür erforderliche Regelung erfolgt über eine Pulsbreiten- oder durch eine Pulsphasensteuerung.

Weiterhin verfügen diese Netzgeräte über einen Transformator, um die Spannungstransformation und eine galvanische Trennung von Ausgangs- und Eingangseite zu erreichen. In Abb. 1 wird die Trennung durch einen Trafo und einen Optokoppler im Regel- und Steuerkreis erreicht.

In der Abb. 1 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.

Vorteile eines Schaltnetzteiles gegenüber herkömmlichen Netzgeräten

• Hoher Wirkungsgrad bis über 90% auch bei wechselnder Last möglich
• Geringes Gewicht und geringes Volumen
• Kleine Transformatoren und sekundärseitige Siebkondensatoren wegen der hohen Frequenzen der Wechselspannung
• Geringerer Standby-Verbrauch möglich

Nachteile eines Schaltnetzteiles gegenüber herkömmlichen Netzgeräten

• Aufgrund des Schaltbetriebs mit hohen Frequenzen schlechteres EMV-Verhalten (Störemission);
• Verformung des Netzstroms (Stromimpulse) aufgrund der Ladevorgänge der eingangsseitigen Elkos. Abhilfe: Leistungsfaktorkorrektur (LFK), Englisch Power Factor Correction (PFC)  — seit 2001 bei SNT mit weniger als 16A Eingangsstrom, aber 50/75 Watt Eingangsleistung (je Geräteklasse) verpflichtend vorgeschrieben;
• Schlechteres Regelverhalten bei sehr schnellen Lastwechseln;
• Höhere Komplexität der Schaltung, mehr Bauelemente und deshalb statistisch höhere Ausfallwahrscheinlichkeit.

Einsatzgebiete der Schaltnetzteile

• Computernetzteile
• Kompakte Steckernetzteile (Handy-Ladegeräte usw.)
• "Elektronischer Trafo" für Niedervolt-Halogenbeleuchtung
• Allgemein jede Art der Gleichspannungsversorgung aus dem 230V-Stromnetz
• Gleichstromschweißgeräte

Topologien (Grundschaltungen)

• Eintakt-Sperrwandler (Flyback Topology)
  • typische Leistung: 0 bis ca. 150 W
  • relative Kosten: 100%
• Eintakt-Flusswandler (Half-Forward Topology)
  • typische Leistung: 0 bis ca. 250 W
  • relative Kosten: 120%
• Gegentakt-Wandler (Push-Pull Topology)
  • typische Leistung: 100 bis ca. 1000 W
  • relative Kosten: 175%
• Halbbrücken-Wandler (Half-Bridge Topology)
  • typische Leistung: 100 bis ca. 500 W
  • relative Kosten: 190%
• Vollbrücken-Wandler (Full-Bridge Topology)
  • typische Leistung: 300 bis >2000 W
  • relative Kosten: >200%
• Resonanzwandler, nullspannungsschaltend
  • typische Leistung: >1000 W
• Resonanzwandler, nullstromschaltend
  • typische Leistung: >1000 W

Siehe auch

Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller

Weblinks

• Dimensionierung von Schaltnetzteilen
• Überblick PC-Schaltnetzteile

Literatur

Eine ausführliche Beschreibung der Grundschaltungen findet man in

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2002 ISBN 3540428496

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