Im Vergleich zu herkömmlichen linearen Netzteilen bieten Schaltnetzteile (SMPS) einen höheren Wirkungsgrad und benötigen weniger Platz. Allerdings muss darauf geachtet werden, das Rauschen am Ausgang gering zu halten.
Überblick über Schaltnetzteile
Schaltnetzteile sind aufgrund ihrer Vorteile bei Größe, Gewicht, Kosten, Wirkungsgrad und Gesamtleistung weit verbreitet.
Dank dieser Eigenschaften kommen Schaltnetzteile in den meisten Arten elektronischer Systeme zum Einsatz und stellen dort effizient elektrische Energie bereit. Eine Ausnahme bilden besonders anspruchsvolle Anwendungen.
Schaltnetzteile sind inzwischen ein etablierter Bestandteil der Elektronik. Sie werden auch als Schaltwandler oder einfach als „Switcher“ bezeichnet.
Begriffe rund um Schaltnetzteile
Für die Technik der Schaltnetzteile (SMPS) werden mehrere eng verwandte Begriffe verwendet. Sie beziehen sich zwar auf dieselbe grundlegende Technik, bezeichnen aber unterschiedliche Teile des Gesamtsystems.
- Schaltnetzteil (SMPS): Dieser Begriff bezeichnet üblicherweise ein vollständiges Gerät, das an das Stromnetz oder eine andere externe Energiequelle angeschlossen wird und einen geregelten Ausgang bereitstellt. Es handelt sich also um ein komplettes Netzteil.
- Schaltregler: Damit ist üblicherweise nur die elektronische Schaltung gemeint, die die Spannung regelt. Ein Schaltregler ist ein Teil eines vollständigen Schaltnetzteils.
- Schaltregler-Controller: Viele integrierte Schaltregler enthalten das in Reihe geschaltete Schaltelement nicht. Das gilt besonders für Anwendungen mit höheren Strömen oder Spannungen, bei denen ein externes Schaltelement Strom, Spannung und die entstehende Verlustleistung besser aufnehmen kann.
Grundlagen von Schaltnetzteilen
Das Grundprinzip eines Schaltnetzteils (SMPS) besteht darin, die Ausgangsspannung mit einem Schaltregler zu regeln. Dazu wird ein in Reihe geschaltetes Schaltelement verwendet, das den Stromfluss zu einem Glättungskondensator periodisch ein- und ausschaltet.
Die Einschaltzeit des Schaltelements wird durch die Spannung am Kondensator bestimmt. Steigt die Spannung über den erforderlichen Wert, schaltet das in Reihe geschaltete Schaltelement ab; fällt sie darunter, schaltet es ein. Auf diese Weise wird die Spannung am Glättungs- beziehungsweise Energiespeicherkondensator auf dem erforderlichen Niveau gehalten.
Funktionsprinzip eines Schaltreglers
Diese Schaltung in EveryCircuit öffnen
Vor- und Nachteile von Schaltnetzteilen
Bei jeder Technik sollten Vor- und Nachteile sorgfältig abgewogen werden. Schaltnetzteile bieten mehrere klare Vorteile, haben aber auch Einschränkungen.
Vorteile von Schaltnetzteilen
- Hoher Wirkungsgrad: Aufgrund der schaltenden Arbeitsweise ist das in Reihe geschaltete Regelelement entweder ein- oder ausgeschaltet. Dadurch wird nur wenig Energie als Wärme abgegeben, was einen sehr hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
- Kompakte Bauweise: Der hohe Wirkungsgrad und die geringe Wärmeentwicklung ermöglichen eine kompakte Bauform von Schaltnetzteilen.
- Kosten: Die Kosten gehören zu den besonders attraktiven Eigenschaften von Schaltnetzteilen. Dank ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer schaltenden Bauweise geben sie weniger Wärme ab als lineare Netzteile, was die Kosten senken kann. Zudem ermöglicht der Schaltbetrieb, viele Funktionen mit kostengünstigeren Bauteilen umzusetzen.
- Technische Flexibilität: Schaltnetzteile können sowohl für Aufwärts- als auch für Abwärtswandler eingesetzt werden und ermöglichen so eine effiziente Spannungsumwandlung.
Nachteile von Schaltnetzteilen
- Störungen: Die beim Schalten entstehenden Spannungsspitzen sind einer der größten Nachteile von Schaltnetzteilen. Werden sie nicht ausreichend gefiltert, können sie sich in andere Teile der vom Schaltnetzteil versorgten Schaltung ausbreiten. Die Spannungsspitzen und kurzzeitigen Störungen können außerdem elektromagnetische oder hochfrequente Störungen verursachen, die elektronische Geräte in der Nähe beeinträchtigen, insbesondere Funkempfänger.
- Externe Bauteile: Auch wenn sich ein Schaltregler um einen einzigen integrierten Schaltkreis herum aufbauen lässt, werden meist zusätzliche externe Bauteile benötigt. Besonders wichtig ist der Energiespeicherkondensator; außerdem sind Filterbauteile erforderlich. Bei manchen Ausführungen lässt sich das in Reihe geschaltete Schaltelement in den Chip integrieren. Muss jedoch ein bestimmter Strom bereitgestellt werden, ist dieses Schaltelement meist extern ausgeführt. Die Bauteile beanspruchen Platz und erhöhen die Kosten.
- Fachkenntnisse bei der Entwicklung erforderlich: Ein funktionsfähiges Schaltnetzteil zu bauen, ist meist nicht schwierig. Anspruchsvoller ist es, die vorgegebenen Leistungswerte einzuhalten. Besonders die Begrenzung von Restwelligkeit und Störungen auf die geforderten Werte kann aufwendig sein.
- Filterung: Die Filterung eines Schaltnetzteils muss sorgfältig ausgelegt werden. Eine unzureichende Filterauslegung kann zu starkem Rauschen und hohen Spannungsspitzen am Ausgang führen.
