Schaltnetzteile werden verwendet, um die Eingangsspannung in den Wert umzuwandeln, der für die internen Komponenten benötigt wird. Ein anderer gebräuchlicher Name für Schaltnetzteile sind Wechselrichter.
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Was ist ein Schaltnetzteil?
Ein Wechselrichter ist eine sekundäre Stromversorgung, die eine doppelte Umwandlung der Eingangswechselspannung nutzt. Die Ausgangswerte werden durch Änderung der Dauer (Breite) der Impulse und in einigen Fällen auch ihrer Frequenz eingestellt. Diese Art der Modulation wird Pulsweitenmodulation genannt.
Das Prinzip eines Schaltnetzteils
Der Wechselrichter arbeitet durch Gleichrichtung der Primärspannung und anschließende Umwandlung in eine Folge von Hochfrequenzimpulsen. Dies steht im Gegensatz zu einem herkömmlichen Transformator. Die Ausgangsspannung wird verwendet, um ein negatives Rückkopplungssignal zu erzeugen, mit dem die Impulsparameter angepasst werden können. Durch die Steuerung der Impulsbreite ist es einfach, eine Stabilisierung und Regelung der Ausgangsparameter, der Spannung oder des Stroms, zu erreichen. Das heißt, er kann sowohl ein Spannungsregler als auch ein Stromregler sein.
Die Anzahl und Polarität der Ausgangswerte kann je nach Funktionsweise des Schaltnetzteils sehr unterschiedlich sein.
Vielfalt an Stromversorgungen
Es werden mehrere Arten von Wechselrichtern verwendet, die sich in ihrem Schaltungsaufbau unterscheiden:
- transformatorlos;
- Transformator.
Erstere zeichnen sich dadurch aus, dass die Impulsfolge direkt an den Ausgangsgleichrichter und den Glättungsfilter des Geräts geht. Eine solche Schaltung besteht aus einem Minimum an Komponenten. Ein einfacher Wechselrichter enthält einen speziellen integrierten Schaltkreis - einen Pulsbreitenoszillator.
Der größte Nachteil der transformatorlosen Geräte ist, dass sie keine galvanische Trennung vom Stromnetz haben und eine Gefahr für einen Stromschlag darstellen können. Außerdem haben sie in der Regel eine geringe Leistung und liefern nur einen Wert der Ausgangsspannung.
Häufiger sind Transformatorgeräte, bei denen eine hochfrequente Impulsfolge an die Primärwicklung des Transformators angelegt wird. Es können beliebig viele Sekundärwicklungen vorhanden sein, so dass mehrere Ausgangsspannungen gebildet werden können. Jede Sekundärwicklung ist mit einem eigenen Gleichrichter und einem Glättungsfilter ausgestattet.
Ein leistungsfähiges Schaltnetzteil für jeden Computer wird nach einer solchen Schaltung gebaut, die eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit aufweist. Für das Rückmeldesignal wird hier eine Spannung von 5 oder 12 Volt verwendet, da diese Werte eine möglichst feine Stabilisierung erfordern.
Die Verwendung von Transformatoren für die Umwandlung von Hochfrequenzspannungen (einige zehn Kilohertz statt 50 Hz) ermöglichte es, ihre Größe und ihr Gewicht um ein Vielfaches zu verringern und anstelle von elektrischem Eisen ferromagnetische Materialien mit hoher Koerzitivkraft als Kernmaterial (Magnetdraht) zu verwenden.
DC-DC-Wandler basieren ebenfalls auf der Pulsweitenmodulation. Ohne die Verwendung von Wechselrichterschaltungen war die Umwandlung sehr schwierig.
DC-Stromversorgungskreis
Der Schaltplan der gebräuchlichsten Impulsumrichterkonfiguration umfasst:
- Ein Leitungsfilter zur Entstörung;
- Gleichrichter;
- Ein Glättungsfilter;
- Puls-Breiten-Wandler;
- Schlüssel-Transistoren;
- Hochfrequenztransformator am Ausgang;
- Ausgangsgleichrichter;
- Einzel- und Gruppenfilter ausgeben.
Der Zweck des Entstörfilters besteht darin, Störungen aus dem Betrieb des Geräts in das Stromnetz abzufangen. Das Schalten von Hochleistungs-Halbleiterelementen kann mit der Erzeugung von Kurzzeitimpulsen in einem breiten Frequenzspektrum einhergehen. Daher ist es notwendig, speziell entwickelte Elemente als Durchlasskondensatoren für die Filterstrecken zu verwenden.
Der Gleichrichter dient zur Umwandlung der Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung, und ein nachgeschalteter Glättungsfilter beseitigt die Restwelligkeit der gleichgerichteten Spannung.
Bei Verwendung eines Gleichspannungswandlers entfallen Gleichrichter und Filter, und das Eingangssignal wird nach Durchlaufen eines Rauschfilterkreises direkt in den Pulsweitenmodulator (PWM) eingespeist, kurz: PWM.
Die PWM ist der komplexeste Teil einer Schaltnetzteilschaltung. Seine Aufgabe umfasst:
- Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen;
- Überwachung der Ausgangsparameter der Einheit und Korrektur der Impulsfolge in Abhängigkeit vom Rückmeldesignal;
- Überwachung und Schutz vor Überlastungen.
Das PWM-Signal wird an die Steuerpins von Hochleistungstransistoren in Brücken- oder Halbbrückenschaltung geleitet. Die Netzkabel werden an die Primärwicklung des Hochfrequenz-Ausgangstransformators angeschlossen. Herkömmliche bipolare Transistoren werden durch IGBT- oder MOSFET-Transistoren ersetzt, die einen sehr geringen Sperrschichtspannungsabfall und hohe Geschwindigkeiten aufweisen. Die verbesserte Leistung der Transistoren ermöglicht eine Reduzierung der Verlustleistung bei gleichen Abmessungen und gleichem technischen Design.
Der Ausgangsimpulstransformator arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der klassische Transformator. Die Ausnahme ist der Überfrequenzbetrieb. Infolgedessen haben Hochfrequenztransformatoren bei gleicher Übertragungsleistung kleinere Abmessungen.
Die Spannung aus der Sekundärwicklung des Leistungstransformators (es können mehrere sein) wird den Ausgangsgleichrichtern zugeführt. Im Gegensatz zum Eingangsgleichrichter müssen die Gleichrichterdioden des Sekundärkreises eine höhere Betriebsfrequenz aufweisen. Schottky-Dioden eignen sich am besten für diesen Teil der Schaltung. Ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Dioden sind:
- hohe Betriebsfrequenz;
- geringere p-n-Übergangskapazität;
- geringer Spannungsabfall.
Der Zweck des Ausgangsfilters in einem Schaltnetzteil besteht darin, die Restwelligkeit der gleichgerichteten Ausgangsspannung auf das notwendige Minimum zu reduzieren. Da die Brummfrequenz viel höher ist als die Netzspannung, sind keine hohen Kapazitäten und Induktivitäten in den Spulen erforderlich.
Anwendungsbereich des Schaltnetzteils
In den meisten Fällen werden gepulste Spannungswechselrichter anstelle der traditionellen Transformatorwechselrichter mit Halbleiterstabilisatoren eingesetzt. Bei gleicher Leistung sind Wechselrichter kleiner und leichter, zuverlässiger und vor allem effizienter und können in einem breiten Spektrum von Eingangsspannungen betrieben werden. Und bei einer vergleichbaren Größe ist die maximale Leistung des Wechselrichters um ein Vielfaches höher.
In einem Bereich wie der Gleichspannungsumwandlung sind Impulsquellen fast alternativlos und können nicht nur durch Spannungsabsenkung, sondern auch durch Erzeugung einer höheren Spannung und Umpolung arbeiten. Die hohe Wandlungsfrequenz erleichtert die Filterung und Stabilisierung der Ausgangsparameter erheblich.
Kleine Wechselrichter, die auf speziellen integrierten Schaltkreisen basieren, werden als Ladegeräte für alle möglichen Geräte verwendet. Ihre Zuverlässigkeit ist so hoch, dass die Lebensdauer des Ladegeräts die Lebensdauer eines mobilen Geräts um ein Vielfaches übersteigen kann.
12-Volt-Treiber zum Einschalten von LED-Lichtquellen basieren ebenfalls auf einem Schaltkreis.
Wie man ein Schaltnetzteil mit eigenen Händen herstellt
Wechselrichter, insbesondere leistungsstarke, haben komplexe Schaltungen und sind nur für erfahrene Funkamateure zugänglich. Für den Selbstbau von Netzteilen empfehlen sich einfache Schaltungen mit geringem Stromverbrauch und der Einsatz spezieller PWM-Controller. Diese ICs haben einen geringen Verdrahtungsaufwand und verfügen über ein bewährtes Schaltungsdesign, das praktisch keine Anpassung und Abstimmung erfordert.
Bei Arbeiten an selbstgebauten Konstruktionen oder bei der Reparatur von Industriegeräten ist zu bedenken, dass ein Teil des Stromkreises immer unter dem Netzpotential liegt, so dass Sicherheitsvorkehrungen zu beachten sind.
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