Wie funktioniert ein Schaltnetzteil (SMPS)?

Suchen Sie nach einem Netzteil, das Strom entweder von AC oder DC in eine oder mehrere DC-Spannungsstufen umwandeln kann? Dann benötigen Sie ein Schaltnetzteil. So funktioniert es.   Diese Geräte, die allgemein als „Switcher“ bezeichnet werden, schalten ihre Stromquellen viele Male pro Sekunde ein und aus. Dieses Schalten erzeugt eine effektive Eingangsfrequenz, die oft in den Megahertz-Bereich reicht.

Der „Schalter“ in einem Schaltnetzteil ist tatsächlich ein Halbleiter – ein MOSFET, der entweder aus- oder eingeschaltet ist – und in seinen Sättigungsbereich getrieben wird, um Energie bei nahezu keinem Widerstand zu übertragen. Dies geschieht viele Tausend Mal pro Sekunde und erzeugt den hochfrequenten Wechselstrom als Zwischenstufe. Da der Halbleiter in die Sättigung getrieben wird, zeigt er praktisch keinen Widerstand, was zu hoher Effizienz und sehr geringer Wärmeentwicklung führt. Ein lineares Netzteil hingegen trägt seinen Namen, da seine Gleichrichter im linearen Bereich arbeiten. Das bedeutet, dass sie bei der Stromleitung über einen Widerstand arbeiten, mit all dem Energieverlust und der Wärmeentwicklung, die diesem Prozess inhärent sind.   Unabhängig von der Frequenz, mit der der Halbleiter ein- und ausgeschaltet wird, wird die Zeit zwischen den Anfängen jedes der „Ein“-Impulse als Schaltperiode definiert. Die Ein-Zeit, als Bruchteil einer Schaltperiode, wird als Tastverhältnis bezeichnet. Durch Variation des Tastverhältnisses wird die Ausgangsspannung geregelt. Die dynamische Anpassung des Tastverhältnisses sorgt dafür, dass die Spannung im Soll-Bereich bleibt. 

Hohe Effizienz – Sie erzeugen wesentlich weniger Wärme. Niedrigleistungsgeräte benötigen oft keinen Wärmeschutz, was bedeutet, dass sie direkt auf Leiterplatten montiert werden können.   Kompakte Bauform – Da Schaltregler mit einer höheren Frequenz arbeiten, sind der Wert und damit die Größe der zugehörigen Filterkondensatoren und Induktivitäten kleiner, wodurch die gesamte Einheit weniger Platz einnimmt.   Vielseitiges Design – Schaltregler können so ausgelegt sein, dass sie die Spannung erhöhen (Boost) oder reduzieren (Buck), je nach Anforderung der Anwendung.

Terminologie   Schaltregler werden oft in den Begriffen Vollziegel, Halbziegel und Viertelziegel beschrieben. Ein Vollziegel hat Abmessungen in Zoll von 4,6 x 2,4 x 0,5, ein Halbziegel von 2,3 x 2,4 x 0,35 und ein Viertelziegel misst 2,3 x 1,45 x 0,35. Diese Definitionen sind weit verbreitet akzeptiert, aber nicht einheitlich eingehalten. Die Spezifikation umfasst auch die Pinbelegung, sodass bei der Verwendung von Schaltreglern, die dem Standard entsprechen, ein Produkt sehr einfach ausgetauscht werden kann, wenn der Designer dies benötigt oder wünscht. Neuere Modelle von Viertelziegel-Stromversorgungen können 250 Watt und mehr elektrische Leistung liefern. Dies ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Platzbedarf, der zuvor für Stromversorgung erforderlich war, und schafft Raum für zusätzliche Funktionen im zu entwickelnden Produkt.   Aufbau   Die Gleichungen, die die Physik von Schaltreglern beschreiben, sind täuschend einfach. Die praktischen Realitäten im Umgang mit Ampere, im Gegensatz zu den Mikroampere, mit denen die meisten Elektroingenieure normalerweise umgehen, können zu Verzögerungen, zusätzlichen Kosten und sogar völligen Produktfehlern führen. Das Design von Schaltreglern sollte immer einem Stromversorgungsspezialisten überlassen werden, und dies ist ein Szenario, in dem es fast immer besser ist, zu kaufen, statt selbst zu bauen.   Ingenieure haben zwei Hauptoptionen für den Einsatz von Schaltstromversorgungen in ihren Designs. Die erste ist eine einzige Stromversorgung, die alle für das System benötigten Spannungen liefert. Die zweite Option umfasst eine Einheit, die mit dem externen Wechselstrom interagiert, jedoch nur eine einzige Gleichstromausgabe hat, oft entweder 12, 24 oder 48 Volt. In diesem Fall ist die von der Hauptstromversorgung erzeugte Spannung die höchste, die benötigt wird. Wenn irgendwo im System eine niedrigere Spannung erforderlich ist, kann ein Abwärtswandler (Buck Converter) verwendet werden, um die erforderliche Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Abwärtswandlung durchzuführen.   Abwärtswandler sind äußerst effizient, mit Verlusten von nur 5 Prozent oder sogar weniger. Sie werden auch manchmal als Schaltregler bezeichnet. Ähnlich wie alle Schaltregler basiert der Kern eines Abwärtswandlers auf einem Halbleiterschalter, der die Quellenspannung viele tausend Male pro Sekunde oder mehr ein- und ausschaltet.   Aufgrund ihrer Designvorteile haben sich Schaltnetzteile schnell zum Standard in allen außer den technisch anspruchsvollsten Anwendungen entwickelt. Designs werden weiterhin in Bezug auf Effizienz, kleinere Größe und geringeres Gewicht verbessert. Suchen Sie nach weiteren Tipps zu Stromversorgungen? Tauchen Sie tief ein in unsere Aufschlüsselung der wichtigsten Arten von Schalt-Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Wandlern.