In elektronischen Geräten ist das Netzteil entscheidend für einen stabilen Betrieb. Schaltnetzteile und lineare Netzteile sind zwei verbreitete Netzteilarten, die sich in vielerlei Hinsicht deutlich unterscheiden. Diese Unterschiede bestimmen unmittelbar, für welche Anwendungen sie sich eignen. Sie zu kennen, ist sowohl für Elektronikingenieure bei der Schaltungsentwicklung als auch für Elektronikbegeisterte bei der Wartung und Nutzung von Geräten wichtig.
Das Grundprinzip eines Schaltnetzteils besteht darin, einen Schalttransistor mit hoher Frequenz ein- und auszuschalten. Betrachten wir als Beispiel eine gängige Buck-Abwärtswandlerschaltung:
Leitphase: Wenn der Schalttransistor eingeschaltet ist, liegt die Eingangsspannung an der Spule an. Die Spule beginnt, Energie zu speichern; zugleich versorgt der Strom die Last und lädt den Ausgangskondensator. Der Spulenstrom steigt allmählich an.
Sperrphase: Wenn der Schalttransistor ausgeschaltet ist, kann sich der Strom in der Spule nicht schlagartig ändern. Er fließt daher über die Freilaufdiode weiter und versorgt die Last. Der Spulenstrom nimmt allmählich ab.
Regelung: Die Ausgangsspannung wird präzise geregelt, indem der Anteil der Einschaltzeit des Schalttransistors am gesamten Schaltzyklus (das Tastverhältnis) angepasst wird.
So lässt sich beispielsweise eine Eingangsspannung von 12 V durch Anpassung des Tastverhältnisses in eine Ausgangsspannung von 5 V umwandeln. Die Betriebsfrequenz eines Schaltnetzteils liegt üblicherweise zwischen einigen zehn kHz und mehreren MHz. Durch den hochfrequenten Betrieb können kleinere Spulen, Kondensatoren und andere Energiespeicherbauteile eingesetzt werden, was die Leistungsdichte erhöht.
Lineare Netzteile nutzen die linearen Verstärkungseigenschaften von Regelelementen (beispielsweise Lineartransformatoren), um die Ausgangsspannung zu stabilisieren:
Grundablauf: Die Wechselspannung am Eingang wird zunächst durch einen Transformator herabgesetzt und anschließend durch einen Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt. Nach einer ersten Glättung durch den Filterkondensator passt der lineare Regeltransistor seinen Innenwiderstand anhand des Rückkopplungssignals kontinuierlich an, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren.
Betriebszustand: Der lineare Regeltransistor arbeitet stets im linearen Verstärkungsbereich. Der Strom fließt kontinuierlich, sodass die Spannungsregelung gleichmäßig erfolgt.
Diese kontinuierliche Regelung sorgt für eine stabilere Ausgangsspannung und eignet sich für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Spannungsgenauigkeit.
Der Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen liegt üblicherweise zwischen 70 % und 95 %. Dafür sind vor allem folgende Eigenschaften verantwortlich:
Im eingeschalteten Zustand: Der Innenwiderstand des Schalttransistors ist sehr gering, sodass beim Stromfluss wenig Wärme entsteht.
Im ausgeschalteten Zustand: Es fließt nahezu kein Strom, sodass die Verlustleistung vernachlässigbar ist.
Während des Schaltvorgangs: Durch die gleichzeitige Präsenz von Spannung und Strom entstehen gewisse Verluste, deren Anteil insgesamt jedoch gering ist.
Bei Anwendungen mit hoher Leistung, etwa Servernetzteilen und Industrieanlagen, kann der hohe Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen den Energieverbrauch und die Betriebskosten erheblich senken.
Der Wirkungsgrad linearer Netzteile liegt im Allgemeinen zwischen 30 % und 60 %. Die Hauptgründe sind:
Der lineare Regeltransistor muss bei der Regelung der Ausgangsspannung kontinuierlich Leistung umsetzen.
Ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß, entsteht am Regeltransistor eine erhebliche Verlustleistung. Ein großer Teil der elektrischen Energie wird dann als Wärme abgegeben.
Bei einer Eingangsspannung von 12 V und einer Ausgangsspannung von 5 V muss der Regeltransistor beispielsweise einen Spannungsabfall von 7 V aufnehmen. Die dabei umgesetzte Energie wird in Wärme umgewandelt. Daher werden lineare Netzteile vor allem bei Anwendungen mit geringer Leistung eingesetzt, bei denen der niedrige Wirkungsgrad hinnehmbar ist.
Durch die gepulste Arbeitsweise ist die Restwelligkeit am Ausgang eines Schaltnetzteils relativ hoch. Zwar lässt sie sich durch zusätzliche Filterschaltungen reduzieren (beispielsweise einen parallel geschalteten Elektrolyt- und Keramikkondensator), sie bleibt jedoch höher als bei einem linearen Netzteil.
Geeignete Anwendungen: Geräte mit geringen Anforderungen an die Restwelligkeit, etwa gewöhnliche Netzteile für Motorantriebe.
Weniger geeignete Anwendungen: Schaltungen mit hohen Anforderungen an eine störungsarme Versorgung, etwa die präzise Verarbeitung analoger Signale oder hochwertige Audiogeräte.
Dank linearer Regelung und sorgfältiger Glättung weisen lineare Netzteile eine sehr geringe Restwelligkeit am Ausgang auf und eignen sich für:
Hochpräzise Messgeräte (etwa Oszilloskope und medizinische Diagnosegeräte)
Systeme mit besonders hohen Anforderungen an die Spannungsstabilität (etwa wissenschaftliche Instrumente und Präzisionsverstärkerschaltungen)
Schaltnetzteile arbeiten mit hoher Frequenz, können kleine Spulen und Kondensatoren verwenden und benötigen keine großen Netzfrequenztransformatoren. Daraus ergeben sich:
Geringe Größe und geringes Gewicht
Hohe Leistungsdichte: Bei gleichem Volumen kann mehr Leistung bereitgestellt werden.
Sie werden häufig in tragbaren Geräten (etwa Ladegeräten für Mobiltelefone und Netzteilen für Tablets) sowie in Systemen mit wenig verfügbarem Platz eingesetzt.
Lineare Netzteile arbeiten mit niedriger Frequenz und benötigen große Netztransformatoren sowie Filterkondensatoren mit hoher Kapazität. Das führt zu:
Großer Bauform und hohem Gewicht
Geringer Eignung für Geräte mit begrenztem Platzangebot
Bei tragbaren medizinischen Geräten und kleinen Drohnen kann die Größe den Einsatz linearer Netzteile einschränken.
Aufgrund der Energiespeicherbauteile wie Spulen und Kondensatoren braucht die Anpassung der Ausgangsspannung bei einer plötzlichen Laständerung eine gewisse Zeit. Eine optimierte Regelschaltung kann die Reaktion beschleunigen; die Eigenschaften der Energiespeicherbauteile begrenzen jedoch die erreichbare Ansprechgeschwindigkeit.
Geeignete Anwendungen: Geräte mit seltenen Laständerungen
Der Regeltransistor eines linearen Netzteils kann seinen Innenwiderstand schnell anpassen und auf Laständerungen reagieren. Das Netzteil eignet sich daher für:
Audioverstärker (die dem Audiosignal schnell folgen müssen)
Schnelle Datenerfassungssysteme
Präzise Bewegungssteuerungssysteme
Beim hochfrequenten Ein- und Ausschalten erzeugt ein Schaltnetzteil hochfrequente Oberschwingungen und damit starke elektromagnetische Störungen (EMI):
Leitungsgebundene Störungen: Sie breiten sich über die Versorgungsleitung aus.
Abgestrahlte Störungen: Sie breiten sich durch den Raum aus.
Um die Störungen zu verringern, sind Filterung, Abschirmung und ein optimiertes Leiterplattenlayout erforderlich. Das erhöht den Entwicklungsaufwand und die Kosten.
Lineare Netzteile arbeiten mit niedriger Frequenz. Die wichtigsten Quellen elektromagnetischer Störungen sind Streufelder des Transformators und Störungen des Gleichrichters. Frequenz und Stärke der Störungen sind gering, sodass kaum zusätzliche Entstörmaßnahmen erforderlich sind.
Geeignete Anwendungen: Umgebungen, die empfindlich auf elektromagnetische Störungen reagieren, beispielsweise in der Nähe von Funkgeräten.
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