Schaltnetzteil

Ein Schaltnetzteil oder Schaltnetzgerät ist eine elektronische Schaltung, die mittels eines elektronischen Schaltelements (z.B. MOSFET, bipolarer Transistor, IGBT), einer Induktivität und einer nachfolgenden Gleichrichtung eine Eingangsspannung in eine kleinere oder größere Ausgangsgleichspannung umwandelt.

Schaltnetzteile finden wegen der hohen erreichbaren Leistungsdichte Verwendung in industriellen Anwendungen als auch wegen ständig fallender Preise der erforderlichen Bauelemente zunehmend in Elektrokleingeräten, wie Computern, Ladegeräten oder Beleuchtungssystemen mit Halogenlampen.

Typischerweise verfügen Schaltnetzteile wegen der höheren Schaltfrequenz über einen höheren Wirkungsgrad und können kompakter und leichter aufgebaut werden, als "traditionelle", linear geregelte Netzteile mit schweren, einen Eisenkern enthaltenden Transformatoren. Schaltnetzteile haben jedoch nicht grundsätzlich einen höheren Wirkungsgrad als lineare Netzteile. Computernetzteile erreichen z.B. nur Wirkungsgrade von 50% bis 80%, gute herkömmliche Netzteile erreichen hingegen Wirkungsgrade über 90%.

Die Spannungsumsetzung erfolgt durch periodisches Laden und Entladen der als Energiespeicher genutzten Induktivität, weshalb die Ausgangsspannung gefiltert werden muss, um näherungsweise Gleichspannung zu erzeugen.

In der Regel ist es nicht möglich, die Schaltfrequenz vollständig aus der Ausgangsspannung zu entfernen (EMV-Problematik). Durch Fortschritte in der Elektronik kann jedoch die Schaltfrequenz in einen weniger störenden Frequenzbereich gelegt werden, weil störende Frequenzen (Oberwellen) nur auf und oberhalb der Schaltfrequenz auftreten.

Schaltnetzteile verursachen i.A., durch den Gleichrichter am Eingang, auch versorgungsseitig Oberwellen, die im Sinne der Leitungsbelastung und des Umweltschutzes vermieden werden sollten, da sie zu erhöhten Verlusten im Stromversorgungsnetz führen (Oberwellenblindleistung).

Deshalb müssen Schaltnetzteile mit einer Eingangsleistung ab 50W seit 1.1.2001 (EN 61000-3-2) eine Leistungsfaktorkorrektur (engl. Power Factor Correction "PFC") besitzen.

Schaltnetzgerät

Schaltnetzgeräte liefern eine konstante Ausgangsspannung oder –ströme. Die Konstanz der Ausgangsgröße wird durch Steuerung des Energieflusses in das Netzgerät und den angeschlossenen Verbrauchern erreicht. Das Schaltnetzgerät gehört zu der Familie der linearen Netzgeräte.

Folgende Vorgänge finden im Schaltnetzteil statt:

• Gleichrichtung der Netzwechselspannung
• Glättung der entstehenden Gleichspannung
• „Zerhacken“ der Gleichspannung
• Transformierung der entstandenen Wechselspannung bei Bedarf
• Gleichrichtung der Wechselspannung
• Siebung der Wechselspannung

Mit Hilfe einer Regelschaltung wird dafür gesorgt, dass nur dann Energie in das Schaltnetzgerät hineinfließt und an den Verbraucher weiter gegeben wird, wenn dieser ihn benötigt. Die dafür erforderliche Regelung erfolgt über eine Pulsbreiten- oder durch eine Pulssteuerung. Weiterhin verfügen diese Netzgeräte über einen Transformator um eine galvanische Trennung von der Ausgangseite zu Eingangseite zu erreichen. In Abb1. wird die Trennung durch einem Trafo und einem Optokoppler im Regel- und Steuerkreis erreicht.

In der Abb1. befindet sich ein Schalttransistor im Primärkreis des Trafo, deshalb nennt man diese Art primärgetaktetes Schaltnetzteil. Wäre dieser Transistor im Sekundärkreis des Trafos, hieße es sekundärgetaktetes Schaltnetzteil. Als Schalter können je nach Schaltfrequenz Thyristoren oder Transistoren (bei hohen Schaltfrequenzen) verwendet werden.

Vorteile gegenüber herkömmlichem Netzgerät

• hoher Wirkungsgrad von ca.: <90%
• geringes Gewicht und geringes Volumen
• geringer Aufwand für die Siebung
• kleine Transformatoren wegen der hohen Frequenzen der Wechselspannung

Einsatzgebiete der Schaltnetzteile

• Computernetzteil
• Spannungsversorgung für Stellglieder oder Sensoren die eine konstante Spannungsversorgung brauchen

Topologien (Grundschaltungen)

• Eintakt-Sperrwandler (Flyback Topology)
  • typische Leistung: 0...ca. 150 W
  • relative Kosten: 100%
• Eintakt-Flusswandler (Half-Forward Topology)
  • typische Leistung: 0...ca. 250 W
  • relative Kosten: 120%
• Gegentakt-Wandler (Push-Pull Topology)
  • typische Leistung: 100...ca. 1000 W
  • relative Kosten: 175%
• Halbbrücken-Wandler (Half-Bridge Topology)
  • typische Leistung: 100...ca. 500W
  • relative Kosten: 190%
• Vollbrücken-Wandler (Full-Bridge Topology)
  • typische Leistung: 300...>2000W
  • relative Kosten: >200%

Produkte von Märklin

Die neuen Schaltnetzteile werden von Märklin in zwei Leistungsstufen mit 36 VA (Nr. 66361) und 60 VA (Nr. 60061) angeboten.

Die 36 VA-Version ist in vielen Märklin H0-Startpackungen zu finden und ist dort in der Leistungsfähigkeit auf die Mobile-Station Nr. 60653 ausgelegt.

Die stärkere 60 VA-Version ist auf den Leistungsbedarf der Central-Station Nr. 60214 bzw. des Boosters Nr. 60173 abgestimmt.

Durch die Verwendung der Schaltnetzteile als Versorgungseinheit für die aktuellen Märklin-Digitalkomponenten ändert sich nichts an den Anschlussbedingungen für die einzelnen digitalen Komponenten.

Wegen der unterschiedlichen Anschluss-Stecker sind die neuen Schaltnetzteile von Märklin für die Märklin-Digitalsysteme der einzelnen Versionen, nur für die Versorgung der Central-Station, Mobile-Station oder den aktuellen Booster Nr. 60173 geeignet.

66361

Zu beachten ist, dass das Schaltnetzteil Nr. 66361 nicht an die Central-Station Nr. 60214 oder den Booster Nr. 60173 angeschlossen werden darf. Es ist nur für die Mobile-Station Nr. 60653 zusammen mit der Anschlussbox Nr. 60112 oder Nr. 60113 geeignet.

60061

Das Schaltnetzteil Nr. 60061 passt im Gegenzug nicht an die Anschlussbox Nr. 60112 oder Nr. 60113. Der Anschluss dieses Gerätes ist nur für die direkte Versorgung der Central-Station Nr. 60214 bzw. des Boosters Nr. 60173 geeignet.

Siehe auch

• Wechselstrom-Transformator
• Märklin Systems (digitale Steuerung der Loks etc.)

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter Schaltungstechnik. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2002 ISBN 3540428496 (ausführliche Beschreibung der Grundschaltungen)

Weblinks

• Entwurf von Schaltnetzteilen
• Dimensionierung von Schaltnetzteilen

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Schaltnetzteil aus der freien Enzyklopädie Wikipedia, teilweise können Textpassagen übernommen worden sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Bitte fügt detaillierte Infos zu den Vorbildern entsprechend in der Wikipedia hinzu, so dass wir uns hier auf die Modellbauaspekte konzentrieren können.