Schaltnetzteile (auch SMPS genannt, vom englischen „switched-mode power supply“) werden in nahezu allen elektrischen und elektronischen Geräten eingesetzt und dienen der effizienten Umwandlung elektrischer Energie von einer Spannung in eine andere.
Im heutigen Artikel werfen wir einen Blick darauf, was Schaltnetzteile sind. Wir werden auch sehen, wie sie funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie im Vergleich zu einem herkömmlichen Netzteil haben.
Was sind Schaltnetzteile (SMPS)?
In zwei Worten? Ein Schaltnetzteil ist ein elektronisches Netzteil, das elektrische Energie effektiv von einer Spannung in eine andere umwandeln kann. Normalerweise wird es verwendet, um Strom von einer Gleich-/Wechselstromquelle zu einer Gleichstromlast (z. B. Computer, Mobiltelefon usw.) zu übertragen. Die meisten Schaltnetzteile wandeln eine höhere Spannung (110 V oder 220 V Wechselstrom) in eine viel niedrigere Gleichspannung um, beispielsweise 24 V, 12 V oder 5 V.
Diese Art der Stromversorgung finden wir in fast allen Elektrogeräten, die wir täglich nutzen. Vor allem die Kompakten. Machen wir keine Witze: Sie sind wirklich überall! SMPS sind beispielsweise in Ladegeräten für Mobiltelefone, Computern usw. vorhanden. Außerdem sind sie leicht zu finden: Sie können sie sowohl in Elektronikgeschäften als auch online auf spezialisierten Websites wie finden RS.
Die Geschichte der Schaltnetzteile
Die Erfindung von Schaltnetzteilen geht auf das Jahr 1836 zurück. Es gibt Hinweise darauf, dass einige Induktionsspulen verwendet wurden, um unter Laborbedingungen Hochspannungsspitzen zu erzeugen. Nach fast einem Jahrhundert erfanden Kahng und Atalla 1959 in den Bell Labs den Leistungs-MOSFET, der die Grundlage moderner Netzteile bildet.
Es gibt 1958 von IBM eingereichte Patentdokumente, die den Entwurf eines SMPS auf Basis von Transistoroszillation zeigen. Etwa im selben Jahr meldete auch die General Motors Corporation (GM) ähnliche Patente an.
Das erste kommerzielle und weithin bekannte Produkt mit integriertem Schaltnetzteil? Dies ist der Taschenrechner HP-35 von Hewlett Packard. Seitdem werden Schaltnetzteile zur Stromversorgung von LEDs, ROMs und anderen Primärelementen wie Uhren verwendet. Obwohl Microchip Technology von vielen großen Anbietern entwickelt wurde, meldete es 1976 ein Patent für die Verwendung des Begriffs „Schaltnetzteil (SMPS)“ an und nahm tatsächlich eine schöne Hypothek darauf auf.
Heutzutage wird es in vielen Geräten der unterschiedlichsten Branchen eingesetzt, von der Mechanik der neuesten Generation zur Robotik.
Wie arbeiten Sie
Jedes dieser Geräte besteht aus einer komplexen Schaltung, die mit einer sehr hohen Frequenz (20 kHz bis 10 MHz) arbeitet. Durch die Hochgeschwindigkeitsschaltung können Schaltnetzteile Strom effizienter umwandeln als herkömmliche lineare Netzteile.
Der SMPS-Stromversorgungskreis enthält eine Reihe von Unterkreisen. Sie sind es, die Ihnen eine effektive Konvertierung ermöglichen der Strom von einer Spannung zur anderen. Mal sehen, wie es passiert.
Während der Eingangsphase fließt der Wechselstrom durch einen Gleichrichter, der einen gefilterten Gleichstromausgang mit derselben Spannung liefert. Beispielsweise werden in der Eingangsstufe 110 V Wechselstrom in 110 V Gleichstrom umgewandelt. Auf dieser Ebene befinden sich auch zusätzliche LC-Filter (Induktivität und Kondensator), um eventuelle Welligkeiten weiter zu eliminieren.
Die nächste Phase ist auch die wichtigste. Typischerweise enthalten Schaltnetzteile einen oder mehrere Leistungs-MOSFETs, die als primäres Schaltgerät verwendet werden. Das PWM-Signal schaltet den MOSFET schnell ein und aus und fungiert so als Schalter. Dadurch wird die Gleichspannung (Ergebnis des vorherigen Schritts) in eine hochfrequente Rechteckwelle umgewandelt.
Dies bringt uns zur Ausstiegsphase
Auch am Ausgang des Leistungstransformators haben wir ein oszillierendes Signal, das weiter gefiltert wird. Selbst in der Stufe finden wir Filter, die denen ähneln, die wir am Eingang gesehen haben, die jedoch in der Lage sind, mehr Strom bei niedrigeren Spannungen zu verarbeiten. Dies ist die letzte Stufe des Stromkreises, die Energie an die angeschlossene Last überträgt.
Schließlich das Schaltgerät (Transistor oder MOSFET). Es muss schnell ein- und ausgeschaltet werden, um die Rechteckwelle zu erzeugen, die zur Stromversorgung des Stromtransformators mithilfe des PWM-Signals erforderlich ist. Der Arbeitszyklus ist das Verhältnis der Einschaltzeit zur Gesamtzykluszeit. Die SMPS-Ausgangsspannung kann durch Erhöhen oder Verringern des Tastverhältnisses des dem Transistor zugeführten PWM-Signals gesteuert werden.
