Dr. Sound klärt auf: Netzteiltechnologie, Teil 3
Das Schaltnetzteil im Prinzip
Das Schaltnetzteil im Prinzip
Schaltnetzteile (SNT) können bei sorgfältiger technischer Planung einem konventionellen Netzteil im Wirkungsgrad überlegen sein. Das heißt, dass sie bei der Leistungsübersetzung aus dem öffentlichen Energienetz in die Betriebsspannung der Baugruppen für Audiogeräte geringere Energieverluste aufweisen und dabei weniger Raum und Masse einnehmen.
Sie können aber auch Nachteile mit sich bringen, wenn sie hochfrequente Störstrahlungen in andere Baugruppen einstreuen oder im Nachregelverhalten bei hohen Stromanforderungen mit Spannungssprüngen reagieren. Die Problematik liegt dabei in der Regelschleife der Pulsweitenmodulation (PWM). Dies ist eine Schaltungstechnik, die vom Prinzip her auch in digitalen Audioendstufen zum Einsatz kommt.
Wenn man es von der praktischen Seite betrachtet, ist es einfacher, ein konventionelles Netzteil mit analogen Spannungsreglern und analogen Regelschleifen zu realisieren, denn ein solches ist im elektrischen Verhalten einfacher zu beherrschen und ungleich stabiler in der Lastausregelung. Trotzdem gibt es viele schaltungstechnische Lösungsansätze zur Realisierung verschiedener SNT-Anforderungen, die sich vor allem in der Anforderung der Leistungsübertragung unterscheiden.
Wenn man das einfachste Grundprinzip eines sogenannten Sperrwandlers für einfache Ansprüche betrachtet, bekommt man einen Einblick in dessen Komplexität: Als erster Unterschied wird die Netzspannung nicht wie bei einem konventionellen Netzteil in eine niedere Spannung transformiert, sondern über einen Gleichrichter in ein Gleichspannungspotenzial gewandelt. Danach wird sie durch einen Schalttransistor (meistens Feldeffekttransistor, FET) mit einer hohen Schaltfrequenz von ca. 16 Kilohertz (kHz) bis weit über 600 kHz geschaltet.
Damit wird die akustische Hörbarkeit des Vorganges verdeckt. Das eigentlich Wichtigste ist nun der Speichertransformator, der im Aufbau etwas anders ist als ein normaler Trafo, denn dieser besitzt keinen Luftspalt im Magnetkern, da die magnetische Energie vom Wicklungskern direkt übertragen wird. Der Speichertransformator, auch Speicherspule genannt, nutzt den Luftspalt im Magnetkern zur Zwischenspeicherung magnetischer Feldenergie.
Erreicht wird dies, indem der Schalter S (Schalttransistor) die Spule L1 mit sehr hoher Frequenz an- und ausschaltet. Dabei wird zwischen den Schaltzyklen die Energie an Spule L2 übertragen. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz entsteht ein fast kontinuierlicher Energiefluss. Reguliert wird diese Übertragung durch folgende Bauteile: Die Diode D übernimmt immer dann eine polungsabhängige Sperrwirkung (positives Spannungspotenzial liegt an Kathode an) gegen einen Stromfluss durch Spule L2, wenn der Transistor einschaltet und in der Spule L1 ein Magnetfeld aufbaut.
Für diesen Zeitpunkt wirkt der Kondensator C als Energiespeicher. Die hohen Frequenzen bedingen leider Energieverluste in Form von Wärme am Schalttransistor und an der Diode. Sie erlauben aber auch die Verwendung kleinerer Speicherspulen. Die Anforderungen an den Kondensator C sind ebenfalls sehr hoch aufgrund der Erhitzung durch die hohen Schaltzyklen. Hier eignen sich nur hochfrequenzstabile Low-ESR-Elektrolytkondensatoren. Da die Energieübertragung bis zu diesem Punkt der Schaltung noch recht rudimentär ist und hohe Spannungsspitzen auftreten, die zur Zerstörung nachfolgender Bauteile führen, ist eine Regelung notwendig.
Zu diesem Zweck besitzt die Speicherspule Messwindungen, auf denen eine Hilfsspannung induziert wird, die proportional zur Energieübertragung an der Speicherspule ist. Diese Spannung wird mit einer Referenzspannung ständig verglichen und von der Steuerelektronik ausgewertet. Die Steuerelektronik reguliert nun die Schaltfrequenz des Schalttransistors auf der Seite von Spule L1 und damit die Energieübertragung. Feinere Regulierungen finden gleichzeitig auf der Seite von Spule L2, der Sekundärseite, statt.
Dies ist ein simpler Überblick zur Funktionsweise eines Schaltnetzteils nach dem Sperrwandlerprinzip, das eine galvanisch getrennte Spannung sowie eine Leistung bis 250 Watt (W) zur Verfügung stellen kann. Ein Eintakt-Durchflsswandler-Prinzip dagegen ist für mehrere Hundert Watt einsetzbar, ein Halbbrücken-Durchflusswandler bis zu 1000 W. Die sogenannten Halbbrücken- bzw. Vollbrücken- Gegentaktwandler können sogar mehrere Kilowatt Leistung umsetzen.
(Jens Voigt)
