Wie funktioniert ein Netzteil?

Die Stromversorgung ist das Herzstück jeder elektronischen Anlage oder Maschine. In diesem BLOG-Artikel erklären wir, wie ein Netzteil grundlegend funktioniert. Außerdem erfahren Sie mehr über den Unterschied zwischen einem AC/DC-Wandler und einem DC/DC-Wandler.

Wie funktioniert ein AC/DC-Wandler?

Die meisten heutigen elektronischen Geräte und Systeme benötigen eine stabile Gleichspannung (DC). Aus dem Stromnetz erhalten wir allerdings eine Wechselspannung (AC). Ein Netzteil wandelt die zugeführte Wechselspannung, die am Eingang anliegt, in die benötigte Gleichspannung um. Aus diesem Grund wird ein Netzteil auch als Wandler oder Transformator bezeichnet.

Die Gleichspannung (z. B. 5 Vdc, 12 Vdc, 24 Vdc, 48 Vdc) ist in vielen Fällen niedriger als die ursprüngliche Wechselspannung, die typischerweise zwischen AC 100 V und 240 V liegt. Die Wechselspannung hängt von der Region ab, in der Sie sich befinden. Die Standards in vielen Regionen sind z.B. AC 100–120 V (z. B. USA, Japan) oder AC 200–240 V (z. B. Europa, China) und 50 oder 60 Hz.

Die Hauptaufgabe eines AC/DC-Wandlers besteht also darin, die hohe, gefährliche Wechselspannung in eine niedrigere, sichere Gleichspannung umzuwandeln. (Siehe Grafik 1)

Funktion eines AC/DC-Wandlers Funktion eines AC/DC-Wandlers
Grafik 1: Vereinfachte Darstellung der Aufgaben eines AC/DC-Wandlers.

Schritt für Schritt zur Gleichspannung

Wenn wir uns das AC-Diagramm ansehen (siehe Grafik 2), sehen wir eine Sinuskurve. Dies bedeutet, dass die Spannung kontinuierliche ihre Polarität verändert. Die Frequenz dieses Graphen wird mit der Einheit Hertz (Hz) beschrieben. Eine Frequenz von 50 Hz bedeutet, dass die Spannung 50 Mal pro Sekunde ihre Polarität ändert.

Im ersten Schritt wird die hohe Wechselspannung durch einen Transformator in eine niedrigere Wechselspannung umgewandelt (siehe Grafik 3). Der Trafo sorgt dabei auch für eine galvanische Trennung und damit für Sicherheit. Der Primärstromkreis (gefährliche Netzspannung, z.B. 230 V) und der Sekundärstromkreis (sichere Kleinspannung, z.B. 24 V) sind voneinander getrennt.

Da die meisten Geräte eingangsseitig eine Gleichspannung benötigen, muss die Wechselspannung im nächsten Schritt gleichgerichtet werden. Das Ergebnis dieses Vorgangs ist im DC-Diagramm dargestellt (siehe Grafik 4). Nach dem Prozess der Gleichrichtung sehen wir nur noch eine positive Polarität. Dies wird durch einen Brückengleichrichter realisiert.

Wechselspannung (AC) aus dem Stromnetz Wechselspannung (AC) aus dem Stromnetz
Grafik 2: Wechselspannung (AC) zeigt sich in einer Sinuskurve.
Geringere Wechselspannung (AC) Geringere Wechselspannung (AC)
Grafik 3: Zuerst wird die hohe Wechselspannung (100-240V) in eine Niedrigere umgewandelt.
Gleichspannung (DC) Gleichspannung (DC)
Grafik 4: Gleichspannung (DC) erzeugt eine gleichgerichtete Kurve.
Geglättete Gleichspannung (DC) Geglättete Gleichspannung (DC)
Grafik 5: Kurve einer geglätteten Gleichspannung (DC).

Wie erhält man eine stabile Gleichspannung am Ausgang?

Für eine stabile DC-Versorgung reicht der Prozess der Gleichrichtung nicht aus. Der stark schwankende Kurvenverlauf muss geglättet werden. Dies geschieht durch den Kondensator am Ausgang des Netzteils. Der Kondensator kann sehr schnell Energie speichern, die er dann zwischen zwei Spitzen wieder abgibt. Dieser Vorgang füllt die "Täler" zwischen den Spitzen gewissermaßen auf und glättet die Kurve. Das Ergebnis ist eine stabile Gleichspannung am Ausgang (siehe Grafik 5), die anschließend der Last zugeführt wird. „Last“ ist dabei der Begriff für das Gerät, die Anlage oder die Maschine, die mit Energie versorgt werden muss.

So funktioniert ein AC/DC-Wandler - sehr vereinfacht erklärt. Doch was ist zu tun, wenn auf der Eingangsseite des Netzteils bereits eine Gleichspannung (DC) anliegt?

Arten von Netzteilen

AC/DC-Wandler
Diese Netzteile wandeln eine Wechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (DC) um. Es gibt zwei Arten von AC/DC-Wandlern: ungeregelte und geregelte. Geregelte Netzteile werden außerdem in lineare Netzteile und Schaltnetzteile unterteilt.

DC/DC-Wandler
Ein DC/DC-Wandler kann eingesetzt werden, um die Gleichspannung (DC) in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung umzuwandeln oder um sie am Ende langer Kabel aufzufrischen.

Was ist ein DC/DC-Wandler?

"DC/DC-Wandler" ist ein breiter Oberbegriff. Es umfasst verschiedene Arten von Komponenten und Geräten, von winzigen Onboard-Komponenten bis zum eigenständigen Industriegerät. Die folgenden Informationen gelten für letztere Kategorie, da PULS auf diese Art von Produkten spezialisiert ist.

Anheben oder Absenken der Spannung

Es gibt mehrere Anwendungsfälle, bei denen DC/DC-Wandler eingesetzt werden. Häufig geht es darum, eine vorhandene Spannung in eine niedrigere oder höhere Spannung umzuwandeln - z.B. Anheben von 12 Vdc auf 24 Vdc oder Absenken von 48 Vdc auf 24 Vdc.

Spannung auffrischen

Zur Auffrischung der Spannung werden DC/DC-Wandler verwendet, die ausgangsseitig das gleiche Spannungsniveau liefern, das auch eingangsseitig anliegt. Dies kann bei Anwendungen mit langen Kabeln hilfreich sein. Der Spannungsabfall, der durch den Widerstand der Leitungen entsteht, wird oft unterschätzt.

Abgelegene Standorte und Fahrzeuge

Darüber hinaus sind DC/DC-Wandler erforderlich, wenn die Energiequelle bereits eine Gleichspannung liefert, wie beispielsweise eine Batterie oder ein Solarpanel. (siehe Grafik 6) Daher werden DC/DC-Wandler häufig an abgelegenen Orten oder in Zügen und anderen Fahrzeugen mit eigenem Bordnetz eingesetzt.

Regionen mit instabiler Netzqualität

In vielen Fabriken wird intern mit einem 200-300 Vdc-Netz gearbeitet - insbesondere in Ländern, in denen die Qualität oder Abdeckung des Stromnetzes sehr instabil ist (z. B. Indien, Malaysia, usw.). In der Halbleiterindustrie werden beispielsweise ganze Fabriken mit Gleichstrom versorgt. Im Falle eines Stromausfalls werden große Batterien sofort als alternative Energiequellen aktiviert. So wird verhindert, dass eine ganze Charge von empfindlichen Mikrochips entsorgt werden muss. Für diese Anwendungsfälle können viele industrielle AC/DC-Wandler auch mit hoher Gleichspannung (z. B. 110-150 Vdc und sogar bis 300 Vdc) am Eingang betrieben werden.

Funktionsweise eines industriellen DC/DC-Wandlers Funktionsweise eines industriellen DC/DC-Wandlers
Grafik 6: Vereinfachte Darstellung einer mögliche Funktionsweise eines industriellen DC/DC-Wandlers.

Wie funktioniert ein DC/DC-Wandler?

Ein industrieller DC/DC-Wandler übernimmt die vorhandene Gleichspannung am Eingang. Als nächstes sorgt ein Transformator, wie auch beim AC/DC-Wandler, für die galvanische Trennung und die Spannung wird auf die erforderliche Ausgangsspannung herauf- oder heruntertransformiert. Die galvanische Trennung gewährleistet die Trennung der Ein- und Ausgangsstufe des Netzteils. Dies ist wichtig, um Erdschleifen zu unterbrechen und alle notwendigen Sicherheitsmaßnahmen zu gewährleisten.

Danach wird die Spannung wieder geglättet. Am Ausgang liefert das Gerät eine stabilisierten und galvanisch getrennten Gleichstrom mit höherem, niedrigerem oder aufgefrischtem Spannungsniveau.

Dieser BLOG-Artikel vermittelt auf einem sehr allgemeinen Level, wie Netzteile als Wandler funktionieren. Allerdings gibt es verschiedene Arten von Netzteilen, die auf unterschiedlichen Technologien basieren. Beispielsweise sind moderne Schaltnetzteile wesentlich komplexer und bieten viele zusätzliche Features, die über den eigentlichen Prozess der Spannungswandlung hinausgehen.

Mehr zu diesem Thema erklären wir in einem unserer nächsten BLOG-Artikel.

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