Sie sind auf der Suche nach einer Stromversorgung, die den Strom von Gleich- oder Wechselstrom zu einem oder mehreren Gleichstrom-Niveaus umwandeln kann? Dann benötigen Sie ein Schaltnetzteil. Dies funktioniert folgendermaßen:
Die gewöhnlich als „Switcher“ bezeichneten Schaltnetzteile schalten ihre Stromquellen pro Sekunde viele Male ein und aus. Durch dieses Schalten entsteht eine effektive Eingangsfrequenz, die oft in den Megahertz-Bereich reicht.
Was bedeutet „Schaltmodus“?
Der „Schalter“ in einem Schaltnetzteil ist eigentlich ein Halbleiter – ein entweder ein- oder ausgeschalteter MOSFET – der in seinen Sättigungsbereich gefahren wird, um Strom mit beinahe null Widerstand zu übertragen. Dies geschieht tausende Male pro Sekunde, wodurch die hochfrequente Wechselstrom-Zwischenphase entsteht. Da der Halbleiter in den Sättigungsbereich gefahren wird, zeigt er praktisch keinen Widerstand, was einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Wärmeentwicklung begünstigt. Eine lineare Stromversorgung hingegen wurde nach der Tatsache benannt, dass ihre Gleichrichter im linearen Bereich arbeiten. Wenn sie also Strom führen, so leiten sie ihn über den Widerstand, wobei Stromverluste entstehen und viel Wärme erzeugt wird.
Die Zeit zwischen zwei Einschaltimpulsen wird unabhängig von der Frequenz, mit der ein Halbleiter ein- und ausschaltet, als Schaltzeit bezeichnet. Die Einschaltzeit wird als Teil der Schaltzeit als Arbeitszyklus bezeichnet. Durch Variieren dieses Arbeitszyklus wird die Ausgangsspannung geregelt. Wird der Arbeitszyklus geändert, kann die Spannung mithilfe des entstehenden „Fly“ auf einem bestimmten Sollwert gehalten werden.
Was sind die Vorteile von SMPS?
Hohe Effizienz – Sie erzeugen wesentlich weniger Wärme. Einheiten, die mit weniger Strom versorgt werden, benötigen oft kein Wärmeschild und können direkt auf Leiterplatinen montiert werden.
Kompakter Formfaktor – Da Switcher mit einer höheren Frequenz arbeiten, sind der Wert und damit die Größe ihrer einhergehenden Filterkondensatoren und Induktoren kleiner, wodurch die Einheit insgesamt platzsparender wird.
Vielseitiges Design – Switcher können so konzipiert werden, dass sie je nach Anwendungsbedarf die Spannung erhöhen (Aufwärtswandler) oder senken (Abwärtswandler).
So planen Sie mit Schaltnetzteilen
Terminologie
Switcher werden häufig mit den Begriffen Bricks, Half-Bricks und Quarter-Bricks bezeichnet. Ein Full-Brick hat die Abmessungen 4,6 x 2,4 x 0,5 Zoll, ein Half-Brick misst 2,3 x 2,4 x 0,35 Zoll und ein Quarter-Brick besitzt die Abmessungen 2,3 x 1,45 x 0,35 Zoll. Diese Definitionen sind weitestgehend anerkannt, werden jedoch nicht immer eingehalten. Die Spezifikation umfasst auch den Pinausgang; wenn also Switcher verwendet werden, die dem Standard entsprechen, können Produkte leicht ausgetauscht werden, wenn der Konstrukteur dies wünscht. Neuere Schaltnetzteile im Quarter-Brick-Format liefern eine elektrische Leistung von 250 Watt oder höher. Dies ist eine deutliche Verbesserung hinsichtlich des Einbauplatzes, der vorher benötigt wurde, und bedeutet mehr Platz für Funktionen, die nun zusätzlich in das Produkt eingebunden werden können.
Konstruktion
Die Gleichungen, welche die Physik von Switchern beschreiben, sind trügerisch einfach. In der Praxis kann der Umgang mit Ampere statt mit Mikroampere, mit denen die meisten Elektroingenieure oft zu tun haben, zu Verzögerungen, zusätzlichen Kosten und völligem Produktversagen führen. Die Gestaltung von Switchern sollte stets den Fachleuten überlassen werden, und dies ist ein Szenario, in dem es fast immer besser ist, zu kaufen statt zu bauen.
Für die Bauweise mit Schaltnetzteilen haben Ingenieure zwei grundlegende Möglichkeiten. Bei der ersten Möglichkeit wird eine einzige Stromquelle verwendet, die alle für das mit Strom versorgte System erforderlichen Spannungen erzeugt. Bei der zweiten Möglichkeit wird eine Einheit verwendet, die über eine Schnittstelle mit externem Wechselstrom interagiert, jedoch nur Gleichstromspannung in Höhe von 12, 24 oder 48 V ausgibt. In diesem Fall ist die von der Hauptstromversorgung erzeugte Spannung die höchste Spannung, die benötigt wird. Wird an einer Stelle im System eine niedrigere Spannung benötigt, kann ein Abwärtswandler verwendet werden, um eine DC/DC-Abwärtswandlung vorzunehmen.
Abwärtswandler sind besonders effizient und weisen lediglich Verluste von 5 Prozent oder weniger auf. Manchmal werden sie auch als Spannungsregler bezeichnet. Ähnlich wie bei allen Switchern bildet ein Halbleiterschalter den Kern eines Abwärtswandlers; dieser schaltet die Versorgungsspannung einige tausend Mal oder mehr pro Sekunde ein und aus.
Aufgrund ihrer Vorteile im Bezug auf die Bauweise haben sich Schaltnetzteile schnell zum Standard in nahezu allen technischen und strikten Anwendungen etabliert. Die Ausführungen werden hinsichtlich Wirkungsgrad, Größe und Gewicht ständig weiterentwickelt. Sie möchten noch mehr Tipps zur Stromversorgung erhalten? Ausführlichere Informationen erhalten Sie in unserer detaillierten Beschreibung der besten Typen von DC/DC-Wandlern. Erfahren Sie außerdem, wann Sie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verwenden müssen und wie Sie die richtige AC/DC-Wandlungslösung auswählen.