A6 Netzteile und AC/DC-Wandler

Thema

Jedes Netzteil hat die gleiche Aufgabe: die verfügbare elektrische Energie, typischerweise Wechselstrom aus dem Netz, in eine stabile und geregelte Gleichspannung umzuwandeln. Lineare Regler sind die einfachste Lösung: Sie absorbieren Überspannung, indem sie diese in einem in Reihe mit der Last geschalteten Transistor als Wärme abführen – derselbe Joule-Effekt, der durch das Widerstands- und Ohmsche Gesetzmodell beschrieben wird. Sie sind rauscharm und reagieren sehr schnell, aber ihre Energieeffizienz ist gering, da sie die gesamte Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung als Wärme verschwenden. Schaltwandler hingegen übertragen Energie wesentlich effizienter. Sie nutzen einen Hochgeschwindigkeitsschalter sowie eine Induktivität und einen Kondensator, die in jedem Schaltzyklus Energie speichern und wieder abgeben. Dabei wird dieselbe Energiespeicherkapazität verwendet, die durch das Modell der reaktiven Bauelemente beschrieben wird. Der Abwärtswandler (Buck-Konverter), der am häufigsten verwendet wird, liefert eine Ausgangsspannung, die direkt proportional zum Anteil der Zeit ist, in der der Schalter in jedem Zyklus geschlossen bleibt. Der Aufwärtswandler (Boost-Konverter) verhält sich umgekehrt: Er liefert eine Ausgangsspannung, die höher ist als die Eingangsspannung, und diese steigt, je näher sich dieser Zeitanteil dem vollen Zyklus nähert.

Die Erhöhung der Schaltfrequenz ermöglicht zwar den Einsatz kleinerer, kompakterer Induktivitäten und Kondensatoren, erhöht aber gleichzeitig die Verluste jedes einzelnen Schalters. Dies führt zu einem Kompromiss zwischen Größe und Effizienz. Die modernsten Resonanzwandler erreichen nahezu verlustfreies Schalten, indem sie dieselbe Resonanzfrequenz nutzen, die im Modell der reaktiven Bauelemente beschrieben wird, und erzielen die höchsten Wirkungsgrade, die derzeit in modernen Ladegeräten und Netzteilen verfügbar sind.

Dieses Modul, das mit zwei verschiedenen Verfahren zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom beginnt, zeigt daher abschließend, dass der Effizienzvorteil eines Schaltwandlers gegenüber einem Linearregler seinen Preis hat: Er geht mit einer höheren Komplexität des Designs und einem neuen Kompromiss zwischen Bauteilgröße und den Verlusten jedes einzelnen Schalters einher – ein Kompromiss, dem ein Linearregler nicht unterliegt.

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