Netzteile werden in fast jeder elektrischen/elektronischen Anwendung verwendet, um ausreichend Strom bei einer erforderlichen Spannung bereitzustellen. Es gibt zwei Haupttypen von Netzteilen: Linear- und Schaltnetzteile. Beide können austauschbar verwendet werden, aber Schaltnetzteile werden immer beliebter.
In diesem Artikel schauen wir uns an, was Schaltnetzteile sind, wie sie funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie im Vergleich zu einem herkömmlichen linearen Netzteil haben.
Was ist ein Schaltnetzteil (SMPS)?
Ein Schaltnetzteil (auch bekannt als Schaltnetzteil, SMPS, Umschalter) ist ein elektronisches Stromversorgungsgerät, das elektrische Energie effizient von einer Spannung in eine andere umwandelt.
Typischerweise wird SMPS verwendet, um Strom von einer DC/AC-Quelle zu einer DC-Last (dh einem Computer, Mobiltelefon usw.) zu übertragen. Die meisten Schaltnetzteile wandeln eine höhere Spannung (110 V oder 220 V AC) in eine viel niedrigere Gleichspannung wie 24 V, 12 V oder 5 V um.
Solche Netzteile finden wir in fast jedem Elektrogerät, vor allem in kompakten. Beispielsweise können Handy-Ladeadapter, Computer, Laptop-Ladeadapter mitgenommen werden.
Geschichte der Schaltnetzteile
Die Geschichte der Schaltnetzteile reicht bis ins Jahr 1836 zurück. Es gibt Hinweise darauf, dass Induktionsspulen verwendet wurden, um Hochspannungsspitzen für Experimente zu erzeugen. Fast ein Jahrzehnt lang erfanden Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng 1959 in den Bell Labs den Leistungs-MOSFET. Leistungs-MOSFETs sind bis heute die am weitesten verbreiteten Schaltelemente in Schaltnetzteilen.
Es gibt Aufzeichnungen über Patente, die 1958 von IBM eingereicht wurden und ein Design eines SMPS auf der Grundlage von Transistoroszillation zeigen. Etwa im selben Jahr meldete auch die General Motors Corporation (GM) ähnliche Patente für SMPS-Designs an.
Das erste kommerzielle und weithin bekannte Produkt mit einem Schaltnetzteil war der Taschenrechner HP-35 von Hewlett Packard. Das Miniatur-SMPS wurde verwendet, um die LEDs, das ROM und andere Primärelemente wie Taktgeber und Register mit Strom zu versorgen. Obwohl die Designs von vielen großen Anbietern entwickelt wurden, wurde das Patent zur Verwendung des Begriffs "Schaltnetzteil (SMPS)" 1976 von Microchip Technology eingereicht. Sie brachten den ersten integrierten Controller für Schaltnetzteile auf den Markt.
Was bedeutet "Wechselmodus"?
Der Begriff 'Switched Mode' oder 'Switching Mode' kommt von der Bedienung des SMPS. Ein SMPS besteht aus einer komplexen Schaltung, die mit einer sehr hohen Frequenz (20 kHz bis 10 MHz) arbeitet. Diese Hochgeschwindigkeitsschaltung ermöglicht es dem Schaltnetzteil, elektrische Leistung effizienter umzuwandeln als herkömmliche lineare Netzteile.
Funktionsprinzip des Schaltnetzteils
Ein Schaltnetzteil besteht aus einer komplexen Schaltung, die eine Reihe von leistungselektronischen Teilschaltungen enthält, um die Leistung effizient von einer Spannung in eine andere umzuwandeln.
Ein typisches SMPS hat das folgende Blockdiagramm mit diesen wichtigen Unterabschnitten:
- Eingangsstufe
- Schaltstufe
- Endstufe
- Steuerkreis
Eingangsstufe
Die Leistungseingangsstufe besteht in der Regel aus a Voll- oder Halbbrückengleichrichter Schaltung, die Wechselstrom als Eingang verwendet und einen gefilterten Gleichstromausgang derselben Spannung ausgibt. Diese Stufe kann beispielsweise 110 V AC in 110 V DC umwandeln. Diese Stufe enthält auch zusätzliche LC-Filter (Induktor und Kondensator), um weitere Welligkeiten aus der Eingangsleistung zu entfernen.
Hochfrequenzschalter
Dies ist die kritischste Phase der Stromversorgung. Typischerweise hat ein SMPS einen Leistungs-MOSFET (einen oder mehrere) als Hauptschaltvorrichtung. Ein PWM-Signal schaltet den MOSFET schnell ein und aus, um als Schalter zu wirken. Dieser wandelt die geglättete Gleichspannung der Eingangsstufe in eine hochfrequente Rechteckwelle um. Das Schaltgerät funktioniert in Dauerleitungsmodus in den meisten Verbrauchsmaterialien, um eine bessere Umwandlungseffizienz zu erreichen.
Diese oszillierende Versorgung wird in einen Leistungstransformator eingespeist, der die Spannung entsprechend dem Primär- und Sekundärwicklungsverhältnis herunter- oder heraufsetzt. Einige Netzteile haben mehrere Wicklungen für Rückkopplungszwecke und zum Erhalten mehrerer Ausgangsspannungen.
Ausgangsstufe
Der Ausgang des Leistungstransformators ist ebenfalls eine oszillierende Wellenform, die von der Ausgangsstufe weiter gefiltert wird. Diese Stufe enthält ebenfalls ähnliche Filter wie die Eingangsstufe, kann jedoch bei niedrigeren Spannungen mehr Strom verarbeiten. Dies ist die letzte Stufe der Schaltung und gibt die Leistung an die angeschlossene Last ab.
Steuerschaltung
Das Schaltgerät (Transistor oder MOSFET) muss schnell ein- und ausgeschaltet werden, um die Rechteckwelle zu erzeugen, die benötigt wird, um den Leistungstransformator mit einem PWM-Signal zu speisen. Dieses PWM-Signal hat sowohl eine Frequenz als auch ein Tastverhältnis. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Einschaltzeit und der Gesamtzeit pro Zyklus. Die Ausgangsspannung des SMPS kann durch Erhöhen oder Verringern des Tastverhältnisses des dem Transistor zugeführten PWM-Signals gesteuert werden.
Wenn eine Last angeschlossen wird, beginnt sie Strom zu ziehen und die Ausgangsspannung des SMPS sinkt. In diesem Moment muss ein separater Schaltkreis in Alarmbereitschaft sein, um die Ausgangsspannung zu überwachen, und wenn diese abfällt, muss das PWM-Signal-Tastverhältnis erhöht werden. In ähnlicher Weise verringert die Rückkopplungsschaltung beim Trennen einer Last das Tastverhältnis, um die gewünschte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
Was sind SMPS-Topologien?
In kommerziellen Schaltnetzteilen kommen viele Topologien zum Einsatz:
- Bock
- Die Buck-Topologie ist eine nicht isolierte DC-DC-Spannungs-Abwärts-Topologie. (dh 24VDC bis 12VDC)
- Diese ziehen weniger durchschnittlichen Strom vom Eingang und liefern einen höheren Strom zum Ausgang.
- Ein Beispiel für einen Abwärtswandler sind die Computernetzteile, bei denen die 12-V-Hauptstromversorgung heruntergesetzt wird, um die 5-V-USB- und 1.8-V-DRAM-Controller zu versorgen.
- Boost
- Dies ist eine nicht isolierte DC-DC-Spannungsaufwärts-Topologie. (3.7 V DC bis 5 V DC)
- Aufwärtswandler ziehen mehr Strom aus dem Eingang und geben bei einer höheren Spannung weniger Strom an die Last aus.
- Batteriebetriebene Systeme wie tragbare Beleuchtungssysteme für Elektrofahrzeuge verwenden hocheffiziente Aufwärtswandler, um eine niedrigere Spannung in eine höhere Spannung zum Einschalten von Geräten umzuwandeln.
- Buck / Boost
- Kombination von Buck- und Boost-Topologien. Diese Schaltungen können eine Eingabe entsprechend einer gewünschten Ausgabe hoch- oder herunterstufen.
- Buck/Boost-Wandler werden dort eingesetzt, wo die Eingangsspannung höher oder niedriger als die gewünschte Ausgangsspannung sein kann. Mit einem solchen Wandler können wir immer garantieren, dass er unabhängig von der Eingangsspannung die gewünschte Ausgangsspannung liefert. Dies ist jedoch im Allgemeinen mit Einschränkungen wie dem Eingangsspannungsbereich (minimale und maximale Eingangsspannungen) verbunden.
Die oben genannten Topologien sind die einfachsten Topologien. Sie bieten jedoch keine galvanische Trennung wie Transformatoren. Daher gibt es fortschrittlichere Topologien, die kompliziertere Transformatoren verwenden, um die erforderlichen Sicherheitsmerkmale bereitzustellen und gleichzeitig die gleiche Funktionalität bereitzustellen.
- Rückflug
- Eine verbesserte Version des Abwärtswandlers bietet die gleiche Funktionalität mit galvanischer Trennung.
- Vorwärtswandler
- Eine isolierte SMPS-Topologie ist effizienter als die Flyback-Topologie.
Schaltnetzteil Schaltung
Obwohl die Steuerung eines SMPS kompliziert und schwieriger zu handhaben klingen mag, gibt es dedizierte SMPS-Controller-ICs wie TNY267, TEA173X und VIPER22A, die über einen integrierten PWM-Generator und viele andere fortschrittliche Funktionen wie Feedback-Steuerung und Kurzschluss-/Überspannungsschutz verfügen.
Unten sehen Sie die typische Anwendung eines TNY267 von Power Integrations, einem einfachen SMPS-Controller im Offline-Modus, der 12 V 1 A DC unter Verwendung einer 230 V AC-Quelle ausgeben kann.
Der Vin-Eingang ist der 100-300-V-AC-Eingang (kann auch DC sein), und der Eingang ist durch eine Sicherung und einen MOV (Metal Oxide Varistor) geschützt, um den Stromkreis vor Überspannungsspitzen zu schützen. Der D3-Brückengleichrichter und der C2-Kondensator richten das AC-Eingangssignal zusammen in 100-300 V DC gleich. Die Ausgangsspannung dieser Stufe beträgt aufgrund der RMS-Werte etwa [Eingangsspannung * 1.4].
D2 und D4 bilden zusammen eine Transientenunterdrückungsschaltung zum Schutz des TNY267 vor zurück EMF Spikes. D1 und C1 richten den Sekundärausgang des T1-Transformators gleich, der die gewünschte Ausgangsspannung ist.
R1, D5 und R2 bilden die Rückkopplungsschaltung, um die Ausgangsspannung entsprechend variierenden Lastbedingungen zu regulieren. Dies hilft dem TNY267, die Ausgangsspannung konstant bei 12V zu halten.
Vor- und Nachteile von Schaltnetzteilen
Schaltnetzteile haben viele Vorteile:
- Kleinere Abmessungen können daher in kompakte Geräte passen
- Aufgrund der halbleiterbasierten Komponenten ist SMPS leichter
- Sehr effizient als lineare Netzteile (70-95% typisch)
- Unterstützt breitere Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche
- Bietet zusätzliche Funktionen wie einstellbare Ausgänge und Sicherheitsfunktionen wie Kurzschluss-, Überspannungs-, Überstrom- und Übertemperatur-Sperrschutz
- Geringere Wärmeableitung, daher minimale aktive Kühlung erforderlich
SMPS haben jedoch auch Nachteile, die sie manchmal für bestimmte Anwendungen ungeeignet machen. Ein SMPS ist beispielsweise eine viel komplexere Schaltung als eine herkömmliche lineare Schaltung. Daher gibt es viele Komponenten, die Fehlfunktionen aufweisen und die Leistung des Netzteils beeinträchtigen können.
Außerdem sind SMPS für ihre höhere EMI (elektromagnetische Interferenz) und ihr elektrisches Rauschen bekannt, da sie bei hohen Frequenzen arbeiten. Ein schlecht konstruiertes SMPS kann Störungen verursachen und manchmal sogar empfindliche Elektronik, die von ihnen versorgt wird, dauerhaft beschädigen.
Im Leistungsbereich erzeugen Schaltnetzteile auch harmonische Verzerrungen im Stromnetz und erfordern manchmal eine zusätzliche Blindleistungskorrektur, wenn sie nicht in die Stromversorgung integriert sind.
Lineares vs. Schaltnetzteil
Der Hauptunterschied zwischen SMPS und linearen Versorgungen ist ihre Effizienz. Schaltnetzteile sind im Vergleich zu linearen Netzteilen, die tendenziell mehr Energie in Form von Wärme abgeben, äußerst effizient.
Lineare AC-DC-Netzteile verwenden normalerweise Transformatoren, um die Eingangswechselspannung zu reduzieren und sie dann mit Dioden und Filtern mit Kondensatoren gleichzurichten. Dies führt zu einer sehr geringen Ausgangswelligkeit, jedoch auf Kosten einer verringerten Effizienz (ca. 30–60 %). Aufgrund der Größe und des Gewichts des Transformators neigen sie auch dazu, sehr sperrig zu sein. Lineare Netzteile können unterschiedliche Eingangsspannungen nicht verarbeiten, wenn sie nicht speziell entwickelt wurden.
Andererseits setzen lineare DC-DC-Wandler die Spannung herunter, indem sie die abfallende Spannung als Wärme abführen. Daher erfordern Hochstrom-Linearregler eine ausgefeiltere aktive Kühlung, um richtig zu funktionieren. Lineare Versorgungen sind jedoch einfache Untätigkeit und relativ kostengünstig zu implementieren. Außerdem sind die Ausgänge von linearen (transformatorbasierten) Stromversorgungen isoliert.
SMPS glänzt dabei mit Wirkungsgraden von 80 % und mehr bei minimalen Leistungsverlusten. Außerdem haben sie einen kleinen Formfaktor und sind flexibel einsetzbar, da die Schaltung geändert werden kann, um einstellbare Ausgänge und sogar isolierte Ausgänge zu erhalten. Sie sind jedoch viel komplexer im Design (hohe Komponentenanzahl) und haben hochfrequentes Rauschen im Ausgang. Wenn sie nicht richtig adressiert werden, können sie in den empfindlichen Abschnitten der Lastkreise zu Problemen führen.
Zusammenfassung
Schaltnetzteile sind sehr effizient bei der Umwandlung von elektrischer Leistung von einer Spannung in eine andere. Sie eignen sich für Anwendungen mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung und sind in vielen Fällen besser geeignet als lineare Versorgungen. Die Auswahl eines SMPS oder eines linearen Netzteils sollte jedoch unter Berücksichtigung vieler Faktoren wie einer akzeptablen Welligkeit des Ausgangs, Last- und Leitungsregelung und Kosten/Komplexität der gewünschten Anwendung erfolgen.
