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A - Brückengleichrichter
B - Glättungskondensatoren in
C - Transformator
D - Ausgangsspule
E - Glättungskondensatoren aus
Dies ist ein Netzteil vom Typ Vorwärtswandler
Vi = (gleichgerichtet und geglättet) Eingangsspannung
S = Schalttransistor
L = Transformator
D = sekundäre Gleichrichterdiode
C = sekundärer Glättungskondensator
Vsupply = (gleichgerichtete und geglättete) Eingangsspannung
Schalter S = Schalttransistor
D1 = Gleichrichterdiode
D2 = Freilaufdiode
L = sekundäre Glättungsspule
C = sekundärer Glättungskondensator
D3 = Entmagnetisierungsdiode
U_in = Eingangsspannung
T_switch = Schalttransistor
T2 = Entmagnetisierungstransistor (Hilfs-MOSFET)
D1 = sekundäre Gleichrichterdiode
D2 = sekundäre Freilaufdiode
Primärregelung = Primärregelkreis
Isolation = Isolation zwischen primärem und sekundärem Steuerkreis
ref = Referenzspannung sekundäre Ausgangsspannung
EIN Schaltnetzteil (Englisch: SchaltnetzteilSMPS) ist ein Energieversorgung die eine stabile Ausgangsspannung unabhängig von Eingangsspannung und Ausgangslast liefert. Die Stabilisierung erfolgt durch die Auslastungsgrad der Leitung des Schalttransistors.
Funktionsweise von Rückflug und Vorwärtswandler
Das Schaltnetzteil normalerweise Netzspannung ist verbunden dauert die Wechselstrom aus dem Netz und setze es mit a Gleichrichterbrücke und ein Glättungskondensator auf eine Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird über eine SchaltTransistorHochfrequenz-pulsieren an der Primärseite Wicklung von a Transformator mit Eisenkern geliefert. Das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung(en) bestimmt das Übersetzungsverhältnis, genau wie bei einem gewöhnlichen Blechtransformator. Im einfachsten Konvertertyp ist der Sperrwandler, wird die Spannung der Sekundärwicklung(en) des Transformators direkt gleichgerichtet und geglättet. Die Sekundärströme fließen, wenn der Schalttransistor gesperrt ist. Bei der Vorwärtswandler die Sekundärwicklung(en) des Transformators sind über Gleichrichterdiode(n) mit sekundärer Glättungsspule(n) verbunden, gefolgt von sekundären Glättungskondensatoren und sind zusätzlich Freilaufdiode(s) angewendet. In der/den sekundären Gleichrichterdiode(n) fließt Strom, wenn der Schalttransistor leitet. Wenn der Schalttransistor ausgeschaltet ist, leiten die Freilaufdiode(n).
Bis zum Auslastungsgrad (Auslastungsgrad) der vom primären Glättungskondensator kommenden Spannung an der Primärspule des Transformators durch Ein- und Ausschalten eines SchaltersTransistor, heutzutage meist a MOSFET, das Schaltnetzteil kann sich anpassen, um Sekundär . zu verringern oder zu erhöhen Leistung und bei unterschiedlichen Eingangsspannungen, so dass auch Eingangsspannungen von 100 bis 240 reichen Volt Wechselstrom (weltweit einsetzbar). Diese Einstellung erfolgt durch Vergleich der Ausgangsspannung mit dem Sollwert und bei Abweichung vom Sollwert durch Einstellung des Tastverhältnisses des Schalttransistors, so dass die Sollspannung erhalten bleibt. Das Variieren des Arbeitszyklus wird Pulsweitenmodulation erwähnt.
Bei altmodischen sogenannten Linearnetzteilen wird die Wechselspannung zunächst mit einem Transformator in eine separate Wechselspannung umgewandelt, die gleichgerichtet und geglättet wird. Diese Spannung wurde so gewählt, dass sie bei höchster Last und niedrigster Eingangsspannung gerade höher als die gewünschte stabile Ausgangsspannung ist. Die Stabilisierung erfolgt dann beispielsweise durch a Spannungsregler.
Unter normalen Bedingungen und insbesondere bei hoher Eingangsspannung und starker Belastung entwickelt sich im Spannungsregler viel Wärme, was zusammen mit den Verlusten im Transformator zu einem geringen Wirkungsgrad führt. Der Schalttransistor in einem Schaltnetzteil ist entweder ein Kurzschluss (sehr niedrige Spannung, Impuls) oder ein offener Stromkreis (kein oder sehr kleiner Leckstrom, Pause), also geringe Wärmeentwicklung. In den Schaltmomenten treten zwar Verluste auf, diese können aber gerade bei MOSFETs sehr gering gehalten werden, was zusammen mit den geringen Verlusten im kleinen Fährübertrager zu einem hohen Effizienz des Schaltnetzteils.
Oft werden mehrere unterschiedliche Ausgangsspannungen erzeugt, z. B. bei a pcStromversorgung (3,3 Volt, 5 Volt, 12 Volt, -12 Volt). Dazu werden mehrere Gleichrichter an die mehreren Sekundärspulen des Transformators gekoppelt, gefolgt von Glättungskondensatoren (Sperrwandler). Bei einem sogenannten Flusswandler werden auf mehrere Sekundärwicklungen des Transformators mehrere sekundäre Glättungsspulen oder eine Spule mit mehreren gekoppelten Wicklungen sowie mehrere Gleichrichter und mehrere Freilaufdioden aufgebracht, gefolgt von mehreren kleinen Glättungskondensatoren. Aufgrund der hohen Frequenzen, die bei der Transformation verwendet werden, sind keine großen sekundären Glättungskondensatoren erforderlich und kein summen wann so ein Essen für a Verstärker wird eingesetzt. Die Glättungskondensatoren sind normalerweise Kappen, die bei hoher Belastung eine begrenzte Lebensdauer haben.
Variationen des Vorwärtswandlers
Das Vorwärtsschaltnetzteil ist außerdem üblicherweise mit zwei Schalttransistoren (MOSFETs) ausgestattet, von denen einer mit dem negativen Anschluss des Glättungskondensators und einer mit dem positiven Anschluss des Kondensators verbunden ist. Die anderen Enden sind mit den Enden der Primärwicklung des Transformators verbunden. Jetzt werden zwei Entmagnetisierungsdioden benötigt. Der Transformator benötigt keine separate Entmagnetisierungswicklung. Der Vorteil besteht darin, dass die MOSFETs nur die halbe Sperrspannung benötigen wie bei einem Single-Ended-Durchflusswandler. Außerdem entstehen beim Abschalten der MOSFETs keine Überspannungen, die Spannung wird auf die 400 Volt des Glättungskondensators gekappt.
Bei einem Single-Ended-Durchflusswandler treten insbesondere bei hoher Belastung Überspannungen an der Wicklung und damit am MOSFET auf. Diese können bis zu 200 Volt betragen, so dass die Sperrspannung kurzzeitig 1000 Volt werden kann. Diese Spannungsspitze kann durch Anlegen eines Snubbers reduziert werden. Dann kann die Sperrspannung beispielsweise 850 Volt betragen. Der Nachteil ist, dass der Snubber bis zu 2 % bis 10 % (bei geringer Last) der zugeführten Leistung in Wärme umwandelt und damit einen entsprechenden Wirkungsgradabfall verursacht.
Eine weitere Variante des Durchlasswandlers mit Entmagnetisierungswicklung stellt der Durchlasswandler mit aktiv geschaltetem Klemmkondensator dar. Dadurch entfällt die Entmagnetisierungswicklung, die durch einen Hilfs-MOSFET (T2) ersetzt wird, der einseitig mit dem Drain des Schalttransistors verbunden ist und auf der anderen Seite mit einem Clip-Kondensator. Das andere Ende des Clipkondensators ist über einen Strommesswiderstand mit dem Primärnullpunkt der Gleichspannung verbunden. Der Hilfs-MOSFET leitet, wenn der Schalttransistor ausgeschaltet ist und umgekehrt In der Ausschaltperiode des Schalttransistors, wenn der Hilfs-MOSFET leitet, stellt sich ein Spannungspegel ein, so dass die mittlere Spannung gleich der mittleren Spannung während . ist Leitung des Schalttransistors. Als Ergebnis kann die Sperrspannung des Schalttransistors niedriger sein. Bei einem normalen Single-Ended-Durchflusswandler sollte die Sperrspannung mehr als das 2-fache der Gleichspannung am Eingang betragen, also bei 400 Volt DC also mehr als 800 Volt, mit 1000 Volt Reserve. Beim aktiven Clip müssen diese nur 560 Volt betragen, mit Reserve 800 V für eine Eingangsspannung zwischen 170 V und 400 V. Der Clip-Kondensator ist im Kapazitätswert relativ niedrig gewählt, damit der Wandler relativ schnell regeln kann, das Ergebnis ist eine teilweise sinusförmige Spannung am Clip-Kondensator. Der Clip-Kondensator bildet einen nahezu ungedämpften LC-Kreis mit der Magnetisierungsinduktivität der Primärwicklung des Transformators. Über diesen Strommesswiderstand, der mit einer die Pulsfrequenz des Schalttransistors beeinflussenden Schaltung verbunden ist, kann das Schwingen des LC-Kreises verhindert werden. Die Ausgangsspannung bleibt durch Duty-Cycle-Steuerung einstellbar.
Brückenwandler
Brückenwandler verwenden zwei in Reihe geschaltete Schalttransistoren. Bei einem Vollbrückenwandler liegt die 400 Volt Spannung am Glättungskondensator an beiden Enden der Reihenschaltung von Transistoren an. Der Verbindungspunkt beider Schalttransistoren ist mit der Primärwicklung des Transformators verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung ist mit einem oder mehreren Koppelkondensatoren mit dem und/oder Anschluss des Glättungskondensators verbunden. Die Regelung erfolgt nun durch Variieren der Durchlasszeiten des Low- (Source- oder Emitter-Schalttransistor an den – Anschluss angeschlossen) und des High- (Drain- oder Kollektor-Schalttransistor an den Anschluss angeschlossen). die Reihenfolge ist dann: Low an, beide aus, High an, beide aus Bei einer Vollbrücke entfallen die Koppelkondensatoren und das andere Ende der Primärwicklung ist mit einem zweiten Satz Schalttransistoren verbunden. Die Schaltreihenfolge kann dann lauten: Low1 an und High2 an, Low1 an und Low2 an, High1 an und Low2 an, High1 und High2 an Oder: Low1 an und High2 an, Low1 an und Low2 an, High1 an und Low2 an , low1 an und low2 an. Der Vorteil der letztgenannten Methode besteht darin, dass die High-Transistoren immer gepulst sind, so dass ein Transformator zur Ansteuerung verwendet werden kann, und die Low-Side dann galvanisch mit dem Minuspol der Primärstromversorgung verbunden werden kann, so dass die Steuerelektroden ( Gate oder Base) der Low-Side direkt mit dem Steuerkreis galvanisch verbunden werden.Die Brückenwandler haben auch einen anderen Sekundärkreis: Statt einer einzigen Sekundärwicklung wird eine Mittelanzapfung verwendet. Der Mittelabgriff ist mit - (0 Volt) des Ausgangs verbunden und beide Enden der Wicklung sind mit Gleichrichterdioden mit der Glättungsspule verbunden. Es wird keine Freilaufdiode benötigt.
Resonanzwandler
Es gibt eine große Vielfalt in resonant Konverter. Sowohl Serienresonanz als auch Parallelresonanz werden angewendet, oft in einem Wandler. Die Regelung erfolgt nun nicht wie oben beschrieben durch Duty-Cycle-Regelung, sondern allgemein, bei Brückenwandlern sicherlich, durch Frequenzregelung. Ziel ist es, niedrigere RF . zu erreichenEmissionen und Schaltverluste zu senken. Letzteres wird durch Schalten mit relativ geringem Strom oder durch starke Begrenzung von dV/dt am Schalttransistor erreicht. Herkömmliche SMPS haben beim Herunterfahren oft eine Spannungsanstiegsrate von 4000 V/µs. Bei einem Resonanzwandler kann dies beispielsweise auf 100 V/µs begrenzt werden.Resonanzwandler haben im Allgemeinen deutlich geringere Verluste in den Schalttransistoren, insbesondere bei sehr hohen Leistungen, wobei IGBTs verwendet werden und relativ kleine RFI-Filter zur Unterdrückung im Vergleich zu einem PWM-SMPS gleicher Leistung. Die Resonanzkreise verursachen jedoch relativ große Blindströme, was relativ große Spulen und Transformatoren erfordert, mit mehr Verlusten als das PWM-SMPS, es sei denn, die Schaltfrequenz wird hochgefahren. Auch die Resonanzkondensatoren nehmen Platz ein, insbesondere wenn sie für eine lange Lebensdauer richtig dimensioniert sind. Alles in allem: Resonanzwandler sind meist etwas größer als ihr PWM-SMPS-Pendant. Grundsätzlich kann der Wirkungsgrad etwas höher sein als bei einem guten PWM-SMPS, 93% resonant gegenüber 90% PWM. Die Resonanzwandler sind etwas schwerer und haben bei gleicher Leistung größere Abmessungen als PWM. Die Steuerung (Regelstabilität) von Resonanzwandlern ist viel schwieriger als bei einem PWM-SMPS. Resonanzwandler können oft ohne Zwangskühlung auskommen, was der Lebensdauer zugute kommt.
Eine spezielle Gruppe von Wandlern für Leistungen bis 600 Watt sind DC/DC-Wandler, die mit sehr hohen Frequenzen arbeiten[1] über 1 MHz. Diese arbeiten auch resonant, sonst hätten die MOSFETs beim Schalten große Verluste. Eine weitere Besonderheit ist, dass ausschließlich Keramikkondensatoren verwendet werden, was einen zuverlässigen Betrieb bei hohen Temperaturen ermöglicht.
DC / DC-Wandler
Es gibt auch Schaltnetzteile, die in Gleichstromnetzen verwendet werden, um Spannungen nach oben oder unten zu transformieren (DC-DC-Wandler). Sie basieren auf dem gleichen Prinzip, benötigen dann aber keinen Gleichrichter und keinen großen Glättungskondensator am Eingang. Beispiele sind der Hochspannungstransformator für Röhrenfernseher und der DC-DC-Eingangswandler für Wechselrichter, der Solarpanel-Leistung zum Wechselstromnetz zurück liefern. Dieser Eingangswandler stellt sich so ein, dass das Verhältnis von Strom und Spannung, das die in Reihe geschalteten Solarpanels haben, auf den maximalen Leistungspunkt eingestellt wird. Die Einstellung des Konverters erfolgt durch einen Maximum Power Point Tracker (MPPT), was sich auf das Ein/Aus-Verhältnis des DC-DC-Wandlers auswirkt.
Elektronischer Ballast
Schaltwechselrichter sind auch erhältlich als elektronischer Ballast in dem Leuchtstofflampen in Zügen und in lcdMonitoren und in netzbetriebenen elektronischen Vorschaltgeräten. Bei den ersten beiden genannten Anwendungen ist die Versorgungsspannung Gleichspannung, die in Zügen und LCD-Monitoren vorhanden ist, sodass kein Gleichrichter und Glättungskondensator sowie eine PFC-Schaltung benötigt werden, die später beschrieben wird. Diese Wandler wandeln die Gleichspannung am Eingang oder am Glättungskondensator bei wechselstrombetriebenen Vorschaltgeräten in eine hochfrequente Wechselstrom Spannung zwischen 20 und 100kHz. Sie besitzen meist zwei in Reihe geschaltete Schalttransistoren, die abwechselnd leitend geschaltet werden, eine sogenannte Gegentaktstufe, so dass eine Rechteckspannung entsteht. Diese Rechteckspannung wird über eine Lampenwendel an die zu versorgende Lampe angeschlossen. Die Lampenwendel filtert die höheren Harmonischen aus der Spannung und begrenzt und stabilisiert den Lampenstrom, der durch den negativen Innenwiderstand einer Gasentladungslampe, beispielsweise einer Leuchtstoffröhre, benötigt wird. Am Ausgang, parallel zur Lampe, ein weiterer Resonanzkondensator geschaltet. Leuchtet die Lampe noch nicht und ist sie noch hochohmig, LC-Kreis, die aus Lampenspule und Resonanzkondensator gebildet wird mitschwingen, wodurch die Spannung auf einen hohen Wert angehoben wird, damit die Lampe zündet. Neue netzbetriebene Leuchtstoffröhren in Gebäuden und auf der Straße verfügen heute über solche elektronischen Vorschaltgeräte. Bei heißgezündeten Lampen sind auf der Lampenwendel extra Wicklungen angeordnet, mit denen die Wendeln vor dem Anlegen der hohen Lampenspannung vorgewärmt werden. Manchmal geschieht dies durch Anlegen der Rechteckspannung an der Gegentaktstufe, die über einen kleinen Wendeltransformator angeschlossen ist, an die Wendeln der Leuchtstoffröhre. Beim Vorheizen wird die Frequenz des Wechselrichters deutlich über der Resonanzfrequenz gehalten, damit die Ausgangsspannung niedrig bleibt und die Lampe nicht vorzeitig zündet. Bei ausreichender Erwärmung der Wendeln wird das Signal zum Glühstromwandler abgeschaltet und die Frequenz bis nahe an den Resonanzpunkt heruntergeregelt, wonach die Lampen zünden. Im Normalbetrieb kann die Frequenz noch weiter nach unten geregelt werden, wodurch die Funkfrequenzemissionen reduziert werden. Der Strom nimmt dann etwa eine Dreiecksform an, was aber für die Lampe kein Nachteil ist. Außerdem kann auf diese Weise eine sehr kleine Lampenwendel verwendet werden, was zu geringen Verlusten und einem hohen Wirkungsgrad führt. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz auf 100 kHz, die Vorheizfrequenz auf 140 kHz und die Betriebsfrequenz auf 30 kHz eingestellt werden.
PFC
Bei Beleuchtungsgeräten mit einer Eingangsleistung von mehr als 25 Watt, die an das öffentliche Wechselstromnetz angeschlossen sind, muss der Eingangsstrom die Verzerrung und die Obertöne betrifft die Einhaltung der Anforderungen der Norm IEC/UND61000-3-2[2]. Klasse C kann nur erfüllt werden, wenn auf den Eingangsbrückengleichrichter des EVG nicht direkt der Glättungskondensator, sondern zunächst ein zusätzlicher Schaltwandler, der Power Factor Corrector (PFC), folgt. Es wird so gesteuert, dass der Eingangsstrom nahezu sinusförmig und in Phase mit der Eingangsspannung ist. PFC-Schaltungen sind als trafoloser Aufwärtswandler ausgelegt (sie erhöhen die Spannung am Eingang) und haben nur eine Spule, einen Schalttransistor (MOSFET) und einem einzelnen HF-Gleichrichter. Das Kathode des Hochfrequenzgleichrichters ist mit dem Netzglättungskondensator verbunden, der bei gleicher 100 Hz Welligkeit kleiner gehalten werden kann, als wenn nur ein Gleichrichter verwendet wird. Die Spannung am Glättungskondensator liegt vor 230VWechselstrom Spannung bei 400 Volt, im Gegensatz zu nur einem Gleichrichter am Eingang: Die Spannung am Glättungskondensator beträgt etwa 300 Volt. Auch in „normalen“ Schaltnetzteilen wird heutzutage häufig eine PFC-Schaltung verwendet, um die von der Norm geforderten Anforderungen an den Eingangsstrom zu erfüllen IEC/UND61000-3-2. Auch für andere „Massenelektronik“ wie TV-Geräte und Waschmaschinen wird ein PFC benötigt, allerdings fallen diese in eine andere Ausstattungsklasse. Klasse A: Haushaltsgeräte mit einer Nennleistung von 600 Watt oder mehr, einschließlich dreiphasiger Geräte, Klasse C: Beleuchtung wie oben definiert, Klasse D: Geräte mit einer Nennleistung unter 600 Watt, Fernsehgeräte, PCs und Laptop-Netzteile. Dieser PFC ist bei den zuvor beschriebenen Sperr- und Vorwärtswandlern nicht gezeigt. Er ist zwischen den Netzgleichrichter und den primären Glättungskondensator geschaltet. Dies ist bei relativ geringer Leistung auch nicht erforderlich: wenn 150 Hz-Anteil < 2,3 ein, 250 Hz < 1,14 A und 350 Hz < 0,77 A, es muss kein PFC angewendet werden.
Leistungen
- Hoher Wirkungsgrad durch geringe Verluste
- Kein "Summen" in Audio--Ausrüstung
- Weiter Eingangsspannungsbereich möglich, sodass Geräte weltweit verkauft und verwendet werden können
- Viel geringeres Gewicht und kleinere Abmessungen als ein 50/60 lineares Netzteil Hz Transformator mit gleicher Ausgangsleistung
Nachteile
- Schwierige Reparaturen, unsachgemäße Reparaturen können zu einer unsicheren Situation führen und erfüllen möglicherweise nicht mehr die Emissions- und Störfestigkeitsanforderungen. Bei einem Defekt des Schalttransistors muss das Netzteil an den Hersteller oder eine vom Hersteller zertifizierte Reparaturwerkstatt geschickt werden.
- Wenn sie nicht richtig ausgelegt sind, verursachen sie Funkstörungen im ZwischenfrequenzBereich, der für die Beschallung von empfindlichen Verstärkern schädlich sein und den Empfang von RadioSignale. Netzteile müssen jedoch strenge Emissionsstandards erfüllen (Elektromagnetische Interferenz), wie zum Beispiel aufgezeichnet in europäischer Standard IEC/EN61000-6-3 und Audiogeräte müssen auch die Störfestigkeitsanforderungen gemäß IEC/EN 61000-6-1 erfüllen. Netzteile, die diesem Standard entsprechen, verursachen nur wenige Probleme. Es gibt jedoch noch viele Geräte auf dem Markt, die nicht dem Standard entsprechen. Die richtige Entstörung, damit die Norm eingehalten wird, verteuert die Netzteile. Gleiches gilt für die Störfestigkeit von Audiogeräten.
- Billige Netzteile haben oft eine kurze Lebensdauer, weil die Kappen sehr hohe Belastungen, insbesondere bei Sperrwandlern (sekundäre Glättung). Dies führt zu einem frühen Ausfall, kann aber leicht repariert werden, vorausgesetzt, der richtige Kondensatortyp kann bezogen werden. Auch bei Sperrtransformatoren können durch Wirbelströme in der Wicklung, die sich oberhalb des Luftspalts im Mittelschenkel des Transformators befindet, Hot Spots entstehen. Dies führt schließlich zu einem Wicklungsschluss in der Primärwicklung. Übersteht der Schalttransistor dies, wird zur Reparatur ein neuer Transformator benötigt. Billige Netzteile verwenden oft eine sehr starke Zwangskühlung mit Lüfter und haben oft nur einen moderaten Wirkungsgrad von beispielsweise 70 % gegenüber 90 % bei einem passiv gekühlten Netzteil. Neben den lästigen Geräuschen, die ein Lüfter macht, ist die Lebensdauer eines günstigen Lüfters auch auf beispielsweise 10.000 Stunden begrenzt.
Verweise
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