Das Innere eines Netzteils: Schlüsselkomponenten und ihre Funktionsweise
Netzteile sind ein wesentlicher Bestandteil einer Vielzahl elektronischer Geräte. Von einfachen Haushaltsgeräten bis hin zu komplexen Industriesystemen sind Netzteile überall zu finden. Auch wenn sie unterschiedlich aufgebaut sind, haben sie eine gemeinsame Aufgabe: elektrische Energie aus einer Quelle in eine für bestimmte elektronische Systeme geeignete Form umzuwandeln. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf Transformatoren und Schaltnetzteile und besprechen ausführlich deren Schlüsselkomponenten und Schutz.
Transformatoren und Schaltnetzteile
Transformator-Netzteile
Trafo-Netzteile gehören zu den ältesten und einfachsten Arten von Stromversorgungen. Ihr Hauptelement ist ein Transformator, der die Netzspannung auf ein für die Geräte angemessenes Niveau reduziert. Diese Netzteile zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Ausgangsspannungsstabilität aus, weisen jedoch im Vergleich zu Schaltnetzteilen einen geringeren Wirkungsgrad und größere Abmessungen auf.
Schlüsselkomponenten:
Transformator: Reduziert die Netzspannung von Wechselstrom auf den niedrigeren Wert, der für die weitere Umwandlung erforderlich ist.
Gleichrichter: Am häufigsten Brückentyp, wandelt Spannung von Wechselstrom in Gleichstrom um.
Filter: Kondensatoren glätten die Spannung und beseitigen Welligkeit.
Spannungsstabilisator: Hält trotz Last- und Eingangsspannungsschwankungen eine konstante Spannung aufrecht.
Aktion:
Der Transformator wandelt die Spannung herunter und der Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Kondensatoren fangen dann Spannungsrauschen auf und sorgen so für eine stabile Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Der Stabilisator sorgt dafür, dass die Ausgangsspannung trotz Schwankungen konstant bleibt.
Schaltnetzteile (SMPS)
Schaltnetzteile, d. h. Switch Mode Power Supplies (SMPS), sind energieeffizienter und kleiner als lineare. Ihr Funktionsprinzip basiert auf Hochfrequenzverarbeitung, was den Einsatz kleinerer und leichterer Transformatoren ermöglicht.
Schlüsselkomponenten:
Konverter: Ändert die Gleichspannung und arbeitet mit hoher Frequenz.
HF-Transformator: Geringe Größe durch Hochfrequenzbetrieb.
Gleichrichter: Ein zweiter Gleichrichter sorgt nach der Umwandlung für die Rückwandlung in Gleichstrom.
Kondensatoren und Induktivitäten: Filtern und glätten die Spannung, ähnlich wie bei linearen Netzteilen.
Steuerungssystem: Verwaltet den Betrieb der Transistortasten und die Spannungsstabilisierung.
Aktion:
Schaltnetzteile wandeln die Netzspannung in Gleichstrom um, wandeln sie über einen Wandler in ein HF-Signal um, wandeln es auf den gewünschten Spannungspegel um und richten es dann wieder in Gleichstrom um. Eine hohe Betriebsfrequenz ermöglicht den Einsatz kleinerer passiver Komponenten und die Minimierung von Energieverlusten.
Schutz in Netzteilen
Die Netzteile sind mit einer Reihe von Schutzvorrichtungen ausgestattet, die sowohl das Netzteil selbst als auch die daran angeschlossenen Geräte vor verschiedenen Arten von Schäden schützen.
Überlastschutz
Diese Schutzmaßnahmen verhindern Überlastungen, die das Netzteil beschädigen können. Durch die Erkennung eines übermäßigen Stromflusses kann das Netzteil die Ausgangsleistung reduzieren oder die Stromversorgung vollständig unterbrechen und so andere Schaltungselemente schützen.
Betrieb: Verwendet Mechanismen zur Messung des Stroms am Ausgang. Wenn ein sicherer Schwellenwert überschritten wird, wird der Schutz aktiviert, der den Strom unterbricht oder verlangsamt.
Kurzschlussschutz
Schützen Sie den Netzteilausgang vor Kurzschlüssen, die zu schweren Schäden sowohl am Netzteil als auch an angeschlossenen Geräten führen können.
Betrieb: Während der Erkundung schaltet sich die Stromversorgung automatisch ab oder wechselt in den geschützten Modus, um den Stromfluss zu reduzieren.
Wärmeschutz
Diese Schutzmaßnahmen verhindern eine Überhitzung des Netzteils aufgrund übermäßiger Belastung oder ungeeigneter äußerer Bedingungen.
Betrieb: Überprüft die Temperatur mithilfe von Thermosensoren. Wenn die Temperatur unsichere Werte erreicht, reduziert das Netzteil möglicherweise die Leistung oder schaltet sich ab.
Überspannungsschutz
Diese Schutzvorrichtungen schützen das Netzteil und die angeschlossenen Geräte vor plötzlichen Spannungsspitzen, die empfindliche Elektronik beschädigen können.
Betrieb: Überwacht die Spannung und isoliert Komponenten, wenn Anomalien erkannt werden. Hier kommen Lösungen wie Überspannungsableiter oder Varistoren zum Einsatz.
Schlüsselelemente in Netzteilen
Transformator
Funktion und Design
Der Transformator im Netzteil ist so konzipiert, dass er die Spannung vom AC-Netzniveau auf das niedrigere Niveau reduziert, das für die weitere Umwandlung und Nutzung erforderlich ist. Der Transformator tut dies nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion unter Verwendung eines Wicklungspaars (Primär- und Sekundärwicklung).