Schaltnetzteil – Der vollständige Leitfaden zu Funktionsweise und Auswahl

Umfassende Erklärung von den Grundlagen des Schaltnetzteils über Funktionsweise, Auswahlkriterien, Anwendungsbeispiele für 24V und 12V bis hin zu Maßnahmen zur Rauschunterdrückung. Enthält zahlreiche Informationen, die Einsteiger bis mittelstufe Ingenieure wissen möchten. Bitte sehen Sie sich auch unsere Produktpräsentation und unser Supportsystem von Unifive an.

Was ist ein Schaltnetzteil? Eine leicht verständliche Erklärung zu Funktionsweise und Anwendungstipps

Für Entwickler und Ingenieure im Bereich der Elektro- und Elektronikgeräte ist das Schaltnetzteil unverzichtbar, um hohe Effizienz, Kompaktheit und Kostensenkung zu realisieren. In diesem Artikel erklären wir umfassend die grundlegende Funktionsweise von Schaltnetzteilen, ihre Prinzipien, Auswahlmethoden je nach Anwendung sowie wichtige Punkte zu Störschutz und Sicherheitsnormen. Die Inhalte sind verständlich aufbereitet, auch für Einsteiger und Mittelstufen-Ingenieure im Bereich der Stromversorgung – lesen Sie gerne bis zum Schluss.

Geschichte des Schaltnetzteils

Die Geschichte des Schaltnetzteils reicht bis ins 19. Jahrhundert zurück.

Als erstes Schaltnetzteil der Welt gilt möglicherweise jenes, das 1958 von IBM entwickelt wurde. Dieses von IBM entworfene Netzteil basierte auf der Vakuumröhrentechnologie. Gleichzeitig reichte General Motors ein ähnliches Patent für einen Schaltkreis mit Transistor-Oszillator ein. Diese technologische Innovation soll die Möglichkeiten für Geräteentwickler erheblich erweitert haben. Die 1960er waren eine dynamische Zeit in Bereichen wie Raumfahrt, Kommunikation sowie Elektronik und Computer.

Funktionsweise und Arbeitsprinzip von Schaltnetzteilen

* Beispiel eines Blockdiagramms eines Schaltnetzteils

Ein Schaltnetzteil ist ein Leistungswandler, der die eingangsseitige Wechselspannung (AC) gleichrichtet und in Gleichspannung (DC) umwandelt, anschließend durch Hochfrequenz-Schaltbauelemente (z. B. MOSFET) mit hoher Geschwindigkeit schaltet, um die Spannung zu regeln. Im Vergleich zu linearen Netzteilen zeichnen sich Schaltnetzteile durch folgende Merkmale aus:

• Hohe Effizienz: Durch die Schaltvorgänge wird nur die benötigte Leistung geliefert, was Rippel und Wärmeentwicklung reduziert.
• Kompakte Bauweise: Durch die Hochfrequenzschaltung können Transformatoren und Filterkomponenten verkleinert werden.
• Weiter Eingangsspannungsbereich: Je nach Steuerungsschaltung sind Geräte flexibel einsetzbar bei 100V bis 200V.

Das Funktionsprinzip ist grob: AC-Eingang → Gleichrichter → Hochfrequenz-Schaltkreis (z. B. PWM) → isolierender Transformator (falls nötig) → Gleichrichtung und Glättung → Ausgang. Die Steuerschaltungen nutzen PWM (Pulsweitenmodulation), um Spannungs- und Stromwerte konstant zu halten und durch Schutzfunktionen Überspannung und Überstrom zu verhindern.

Unterschiede zum linearen Netzteil und Auswahlkriterien

Dem Schaltnetzteil steht oft das lineare Netzteil (Serienregler) gegenüber. Aufgrund seiner Bauweise mit Transistoren oder Regler-ICs erzeugt es wenig hochfrequente Störsignale und ist einfach zu konstruieren, jedoch mit folgenden Nachteilen:

• Geringe Effizienz: Überschüssige Energie wird in Wärme umgewandelt, was Kühlkörper erfordert.
• Größe und Gewicht: Größere Transformatoren und Kühlkörper sind nötig.

* Vergleichstabelle Schaltnetzteil vs. Linearnetzteil

Ein Schaltnetzteil erfordert eventuell Maßnahmen gegen Störungen, bietet dafür aber den Vorteil von Kompaktheit, Leichtigkeit und Effizienz. Bei der Auswahl sollten folgende Punkte beachtet werden:

1. Ausgangsspannung und -strombereich
2. Eingangsspannungsbereich (AC/DC)
3. Effizienz, Wärmeentwicklung, Kühlart
4. Störcharakteristik
5. Schutzfunktionen (z. B. Überstromschutz)
6. Größe, Gewicht, Preis

Warum Schaltnetzteile so effizient sind

Die hohe Effizienz von Schaltnetzteilen resultiert daraus, dass Schaltbauelemente entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet sind und nur sehr kurz in Zwischenzuständen arbeiten. Dadurch entstehen kaum kontinuierliche Verluste, wie sie bei linearen Netzteilen auftreten – die Energieeffizienz wird deutlich verbessert.

Auch durch die Anpassung der Schaltfrequenz oder Pulsbreite an wechselnde Lasten kann selbst im Standby-Modus oder bei leichter Last wirksam Energie bereitgestellt werden – ein großer Vorteil.

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