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Ringkernkonzepte und Switchmode-Technologie: Ein Vergleich

Schaltnetzteile bieten gegenüber veralteten Ringkern-Trafonetzteilen viele Vorteile. Dieser Artikel vergleicht den Aufbau und die grundsätzlichen Eigenschaften beider Konzepte, was Aufschluss über die Vorzüge der Switchmode-Technologie gibt.
(PM) Ostbevern, 20.06.2016 - Konventionelle Netzteile lassen sich mit wenigen Bauteilen relativ simpel realisieren: Benötigt wird ein Netztransformator, welcher die galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite sowie die Transformation der eingangsseitigen Netzspannung auf die gewünschte Ausgangspannung vornimmt. Sekundärseitig erfolgt dann eine Gleichrichtung, entweder mittels Dioden oder mithilfe eines Brückengleichrichters mit nachgeschaltetem Elektrolytkondensator (Sieb-Elko), welcher die Restwelligkeit des gleichgerichteten Wechselstroms herausfiltert. Um die Ausgangsspannung zu stabilisieren, werden häufig noch ein Spannungsregler und ein Kondensator zur Glättung und Pufferung nachgeschaltet.

Vor- und Nachteile von Ringkernkonzepten

Derartig aufgebaute Netzteile sind robust und EMV-störunempfindlich. Es gilt aber zu berücksichtigen, dass die maximal übertragbare Leistung solcher Netzgeräte aufgrund der gegebenen Netzfrequenz von 50Hz überwiegend vom Kernmaterial und dessen Masse abhängt. Somit gilt: Je höher die Leistung, desto größer und schwerer der Trafo. Zudem haben Trafonetzteile eine hohe Leerlaufverlustleistung. Für die Spannungstransformation muss bereits Strom durch den Trafo fließen, wodurch der Wirkungsgrad verschlechtert wird. Hinzu kommt, dass diese Netzteile eine sehr geringe Toleranz hinsichtlich der Eingangsspannung aufweisen. Hier haben eingangsseitige Abweichungen eine direkte Auswirkung auf die Ausgangsspannung.

Die Funktionsweise von Schaltnetzteilen

Moderne Schaltnetzteile dagegen sind grundlegend wie folgt aufgebaut: Zuerst werden durch eine Filterstufe, bestehend aus Kondensatoren und Drosseln, Überspannungen, Oberwellen und andere Netzstörungen herausgefiltert. Anschließend erfolgt die Gleichrichtung und Siebung der Netzspannung. Die Gleichspannung wird durch einen Transistor, welcher mit einer hohen Frequenz zwischen 20 und 500 kHz getaktet wird, zerhackt und die so erzeugte Wechselspannung auf einen Transformator gegeben. Die galvanisch vom Eingang getrennte Wechselspannung wird anschließend wieder gleichgerichtet und gesiebt. Mittels eines Regelgliedes wird die Transistorstufe je nach angeschlossener und benötigter Ausgangslast über einen Optokoppler gesteuert, insofern der Regelkreis ebenfalls galvanisch von der Primärseite getrennt sein soll.

Vor- und Nachteile von Switchmode-Konzepten

Durch die hohen Taktfrequenzen können selbst mit kleinen Transformatoren große Leistungen übertragen werden. Außerdem können durch Aufbringen mehrerer Sekundärwicklungen unterschiedliche Ausgangsspannungen generiert werden. Die Verlustleistung verringert sich aufgrund kleinerer Kerne und geringerer Kupferanteile; im Vergleich zum Ringkernkonzept ist der Wirkungsgrad daher höher. Ein weiterer Vorteil: Änderungen hinsichtlich der Eingangsspannung haben keine Auswirkungen auf die Ausgangsspannung. Dieser Umstand wird häufig dann genutzt, wenn Geräte für den globalen Einsatz konzipiert werden sollen. Durch entsprechende Bauteildimensionierung sind Eingangsspannungen im Bereich von 100-264V möglich, das Gerät kann damit weltweit betrieben werden.

Fazit

Abschließend lässt sich festhalten, dass Schaltnetzteile aufgrund ihres besseren Wirkungsgrades bis über 90%, ihrer kleineren Größe, des niedrigeren Gewichts und der größeren Flexibilität hinsichtlich der Eingangsspannung gegenüber Trafonetzteilen klar im Vorteil sind. Sie sind durch ihren komplexen Aufbau und die Anzahl der benötigten Bauteile in der Herstellung zwar zunächst etwas teurer, aufgrund ihrer besseren Energieeffizienz über den gesamten Produktlebenszyklus gesehen aber kostengünstiger.

FRIWO als Experte in der Entwicklung und Herstellung von Stromversorgungs- und Ladegeräten bietet seit Jahren technisch führende Switchmode-Lösungen für unterschiedlichste Anwendungen in weiten Leistungsklassenbereichen.
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