Sie verwenden wahrscheinlich täglich ein Smartphone, einen Laptop oder einen PC. Diese elektronischen Geräte arbeiten mit Gleichstrom (DC). Da Haushalte jedoch normalerweise mit Hochspannungswechselströmen (AC) betrieben werden, benötigen Sie um die Spannung zu senken und Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, indem Sie ein Netzteil wie Ihren Power Brick oder Ihr Ladegerät verwenden.
Die heute am häufigsten verwendeten Netzteile sind Linear- und Schaltnetzteile. Wenn Sie wissen, welche Sie für bestimmte Anwendungen verwenden müssen, bleibt Ihre Elektronik sicher und funktioniert optimal.
Lesen Sie weiter unten für einen Vergleich zwischen linearen und Schaltnetzteilen.
Was sind Linear- und Schaltnetzteile?
Linear- und Schaltnetzteile sind elektrische Geräte, die zum Betreiben und Laden elektronischer Gleichstromgeräte verwendet werden. Diese Geräte haben die Aufgabe, zwei Dinge zu tun: die Spannung zu senken und Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Obwohl beide Geräte die Leistung senken und gleichrichten, sind sie aufgrund der unterschiedlichen Art und Weise, wie sie diese Aufgaben erfüllen, für bestimmte Anwendungen besser geeignet.
Ein lineares Netzteil ist ein Gerät, das für geräuscharme und präzise Operationen verwendet wird. Die Verwendung von schweren Transformatoren und analogen Filtern ermöglicht es diesem Netzteil, saubere Spannungen auf Kosten von niedrigem Wirkungsgrad, höherem Gewicht und größerer Größe auszugeben. Lineare Netzteile werden am besten in Aufnahmegeräten verwendet, Elektrische Musikinstrumente, medizinische Geräte und hochpräzise Labormessgeräte.
Ein Schalt- oder Schaltnetzteil (SMPS) wird für hocheffiziente und Hochstromoperationen verwendet. Im Gegensatz zu linearen Netzteilen verwenden Schaltnetzteile Halbleiterkomponenten, um eingehende Spannungen zu modulieren und zu regeln. Diese Netzteile basieren auf Hochfrequenzschaltung mit Leistungstransistoren, wodurch sie laut, aber sehr energieeffizient, leicht und kompakt sind. Schaltnetzteile werden häufig in Computern, Telefonladegeräten, Fertigungsanlagen und vielen elektronischen Niederspannungsgeräten verwendet.
Funktionsweise eines linearen Netzteils
Unter Verwendung von rein analogen Komponenten, die in den 50er Jahren verfügbar waren, mussten sich lineare Netzteile auf schwere Leistungstransformatoren und sperrige Elektrolytkondensatoren verlassen, um Spannungen zu senken und gleichzurichten. Obwohl Transistoren damals bereits in Massenproduktion hergestellt wurden, erzeugten hohe Wechselspannungen einfach zu viel Wärme, als dass Transistoren damit umgehen könnten.
Hier ist ein Schema eines linearen Netzteils:
Ein lineares Netzteil funktioniert in drei Schritten:
Schritt 1: Senken Sie die ankommende hohe Wechselspannung durch die Verwendung eines Transformators.
Schritt 2: Die abgesenkte Spannung durchläuft dann einen Vollbrückengleichrichter, der Wechselspannung in pulsierende Gleichspannungen gleichrichtet.
Schritt 3: Die pulsierenden Gleichspannungssignale passieren ein Filter aus Induktivitäten und Kondensatoren. Dieser Glättungsfilter entfernt die Signalschwankungen einer pulsierenden Gleichspannung und macht sie für empfindliche elektronische Geräte nutzbar.
Wie ein Schaltnetzteil funktioniert
Schaltnetzteile sind komplexe Geräte, die Halbleiterkomponenten zum Hochfrequenz-Leistungsschalten und einen kleineren Ferritkerntransformator verwenden. Diese Arten von Netzteilen können Spannungen erhöhen und senken, indem sie eine DC-Rückkopplungsschleife verwenden, um die Ausgangsspannungen zu steuern.
So funktionieren sie:
Schritt 1: Der Hochspannungswechselstrom gelangt über ein Schaltungsschutzmodul, das aus einer Sicherung und einem EMV-Filter besteht, in die Stromversorgung. Die Sicherung dient dem Überspannungsschutz und der EMV-Filter schützt die Schaltung vor den Signalwelligkeiten, die vom ungefilterten Wechselstrom kommen.
Schritt 2: Nachdem sichergestellt wurde, dass die Schaltung gut geschützt ist, wird der Hochspannungswechselstrom dann durch das zweite Modul geleitet, das aus einem Vollbrückengleichrichter und einem Glättungskondensator besteht. Der Vollbrückengleichrichter wandelt Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom um, der dann durch einen Kondensator geglättet wird.
Schritt 3: Der Hochspannungs-Gleichstrom wird dann durch einen PWM-Treiber geleitet, der Rückkopplungen entgegennimmt und einen Leistungs-MOSFET steuert, der die Spannung durch hochfrequentes Schalten regelt. Das Schalten macht auch den geraden Gleichstrom zu einer Rechteckwelle.
Schritt 4: Die Gleichstrom-Rechteckwelle tritt nun in einen Ferritkerntransformator ein und wandelt die Signale zurück in Wechselstrom-Rechteckwellen.
Schritt 5: Die Wechselstrom-Rechteckwellen durchlaufen einen Brückengleichrichter, wandeln das Signal in pulsierenden Gleichstrom um und leiten es dann durch einen Glättungsfilter. Der endgültige Ausgang wird dann verwendet, um Signale an den PWM-Treiber zu senden, der eine Rückkopplungsschleife bildet, die die Ausgangsspannungen regelt.
Linear vs. Schaltnetzteile
Es gibt verschiedene Gründe, warum ein Netzteil für bestimmte Anwendungen ausgewählt wird. Dazu gehören häufig Effizienz, Lärm, Zuverlässigkeit und Reparierbarkeit, Größe und Gewicht sowie Kosten. Nachdem Sie nun eine allgemeine Vorstellung davon haben, wie sie funktionieren, erfahren Sie hier, wie sich ihre Art der Energieverarbeitung auf ihre Leistung und Verwendbarkeit in bestimmten Anwendungen auswirkt.
Effizienz
Da Strom durch eine Reihe elektrischer und elektronischer Komponenten geleitet werden muss, weist der Prozess der Gleichrichtung und Regelung von Spannungen immer Ineffizienzen auf. Aber wieviel?
Je nach Auslegung können Schaltnetzteile einen Wirkungsgrad von 80 - 92 % aufweisen. Das bedeutet, dass Ihr Gerät 80–92 % der Energie abgeben kann, die Sie hineingesteckt haben. Seine Effizienz ergibt sich aus der Verwendung kleinerer, aber effizienter Komponenten, die Spannungen durch Hochfrequenz-Niederspannungsschaltung regulieren.
Im Gegensatz dazu kann ein lineares Netzteil aufgrund der Verwendung größerer und weniger effizienter Komponenten nur zu 50 - 60 % energieeffizient sein.
Signalrauschen und Welligkeit
Obwohl ineffizient, gleichen lineare Netzteile ihre Ineffizienzen durch ihre stabilen, sauberen und rauscharmen Signalausgänge aus. Die Verwendung von analogen Komponenten in einem linearen Netzteil ermöglicht es ihnen, den Strom reibungslos und ohne Schaltvorgänge zu verarbeiten, wodurch ihre Ausgabe wenig Welligkeit oder Rauschen aufweist.
Andererseits verlassen sich Schaltnetzteile auf das hochfrequente Schalten niedriger Spannungen, um die Wärme zu reduzieren, einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen – und viel Lärm zu erzeugen! Die Stärke des Signalrauschens hängt von der Konstruktion und Qualität des jeweiligen Schaltnetzteils ab.
Größe und Gewicht
Die Größe und das Gewicht eines Netzteils können seine Anwendung auf kleineren elektronischen Geräten stark beeinträchtigen. Da lineare Netzteile schwere und sperrige Komponenten verwenden, ist ihre Verwendung auf diskreten elektronischen Geräten unmöglich, es sei denn, Sie verwenden das Netzteil als Ladegerät.
Da Schaltnetzteile kleine und leichte Komponenten verwenden, können sie so konstruiert werden, dass sie klein genug sind, um in bereits kleinere Geräte integriert zu werden. Das geringe Gewicht und die geringe Größe eines Schaltnetzteils in Kombination mit seiner Energieeffizienz machen es für die große Mehrheit der tragbaren elektronischen Geräte geeignet.
Zuverlässigkeit und Reparierbarkeit
Mit weniger Teilen, die während des Betriebs brechen könnten, bieten lineare Netzteile konsistente und zuverlässige Ausgänge. Das einfache Design und die Verwendung gängigerer elektronischer Komponenten erleichtern die Beschaffung von Teilen und die Reparatur von Linearversorgungen.
Da Schaltnetzteile deutlich empfindlichere Komponenten haben, ist es wahrscheinlicher, dass sie brechen, bevor ein lineares Netzteil dies tun würde. Gutes Design und die Verwendung hochwertiger Komponenten können Schaltnetzteile jedoch sehr zuverlässig machen, vielleicht sogar so zuverlässig wie lineare Netzteile. Das eigentliche Problem bei Schaltnetzteilen ist, dass sie immer schwieriger zu reparieren sind, je komplexer ihr Design ist.
Kosteneffektivität
In der Vergangenheit waren lineare Netzteile aufgrund ihres einfachen Designs und der Verwendung von weniger Komponenten das kostengünstigere Gerät. Es half auch nicht, dass die Herstellung von Halbleiterkomponenten teuer war. Allerdings mit Halbleiter werden immer mehr nachgefragtkonnten Hersteller skalieren und Festkörperkomponenten exponentiell billiger als zuvor herstellen. Dies wiederum macht viele Schaltnetzteil-Designs kostengünstiger als lineare Netzteile.
Verwendung des geeigneten Netzteils
Das ist also alles, was Sie über lineare und Schaltnetzteile wissen müssen. Um sicherzustellen, dass Ihre elektronischen Geräte sicher sind, verwenden Sie immer die Original-Ladegeräte, die mit dem Gerät geliefert wurden, aber wenn sie nicht verfügbar sind, können Sie jederzeit ein Netzteil kaufen.
Denken Sie vor dem Kauf daran, dass lineare Netzteile ideal für Elektronik sind, die für Präzisionsanwendungen wie elektrische Musikinstrumente verwendet wird. Radios und medizinische Geräte, während Schaltnetzteile für hocheffiziente Situationen wie Computernetzteile, Ladegeräte usw. verwendet werden Beleuchtung.
