Arten der Stromversorgung

In der Elektrotechnik ist ein Netzteil ein Gerät, das elektrische Energie in die Ausgangsspannung, den Strom und die Frequenz umwandelt, die ein angeschlossenes Elektrogerät benötigt. Es wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und versorgt verschiedene elektronische Geräte (Computer, Fernseher, Drucker, Router usw.) mit Strom. Es gibt zwei verschiedene Arten von Stromversorgungen: eine Spannungsquelle (liefert konstante Spannung) und eine Stromquelle (liefert konstanten Strom).

Stromversorgungen für elektronische Geräte können hauptsächlich in lineare und gepulste Stromversorgungen unterteilt werden:

• lineare Netzteile, bei denen das entsprechende Element ein Transformator ist (es gibt auch lineare Netzteile ohne Transformator);
• Schaltnetzteile unter Verwendung verschiedener Arten elektronischer Systeme (Spannungswandler);

Lineare Modelle haben ein relativ einfaches Design, das mit zunehmendem Strom, den sie liefern müssen, komplizierter werden kann, aber ihre Spannungsregelung ist für sie nicht sehr effizient.

Die Stromversorgung ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Geräte. Einige der Haupttypen sind:

• Impulsnetzteil. Derzeit werden die meisten Netzteile in Form von Schaltnetzteilen hergestellt. Ihr Vorteil ist vor allem das geringere Gewicht. Als es noch keine Halbleitersteuerungen und Stromversorgungen gab, wurden schwerere und langlebigere Transformator-Stromversorgungen verwendet, um kostengünstige Schaltnetzteilkonstruktionen zu ermöglichen.
• Computer-Netzteil. Computer enthalten ein Schaltnetzteil, das niedrige Wechselspannung aus dem Verteilungsnetz (230 V, 50 Hz) in die in den Stromkreisen des Computers verwendete Niederspannung (DC 3,3 V, 5 V und 12 V) umwandelt.
• Netzwerkadapter. Dabei handelt es sich um eine kleine Schaltstromquelle in Form und Größe wie ein normaler elektrischer Stecker (z. B. ein Ladegerät für Mobiltelefone), die an ein 230-Volt-Netz angeschlossen wird und die für ein bestimmtes elektrisches oder elektronisches Gerät erforderliche Niederspannung liefert. AC-Adapter werden typischerweise bei Geräten und Geräten verwendet, die nicht über eine eigene interne Stromversorgung verfügen.
• Schweißstromquelle. Schweißquellen liefern einen hohen Strom (typischerweise Hunderte von Ampere), der es dem Metall ermöglicht, lokal zu schmelzen und sich so zu verbinden. Früher wurden sogenannte Schweißtransformatoren verwendet (mit speziellen elektromagnetischen Transformatoren, die für hohe Schweißströme ausgelegt sind), modernere sind es Schweißinverter mit elektronischer Steuerung.

Innenwiderstand des Netzteils

Ein ideales Netzteil liefert als Spannungsquelle unabhängig von der angeschlossenen Last immer die gleiche Spannung (d. h. die Versorgungsspannung ist bei unterschiedlichen Stromaufnahmen konstant).

Es gibt jedoch keine perfekte Quelle, weil innerer Widerstand Eine echte Quelle begrenzt den maximalen Strom, der durch den Stromkreis fließen kann.

Dieses Netzteil kann einen Spannungsregler verwenden, um eine stabile Ausgangsspannung bereitzustellen, die durch den Spannungsabfall (die Differenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Reglers) bereitgestellt wird. Beispiel - Schaltspannungsregler

Je nach Qualität der Ausgangsspannung werden Netzteile unterschieden:

• stabilisierte Quellen, deren Spannung unabhängig von Stromschwankungen auf einem konstanten Niveau gehalten wird,
• ungeregelte Quellen, bei denen die Ausgangsspannung je nach Stromschwankungen variieren kann.

Transformator-Linearnetzteile

Klassische lineare Quellen bestehen aus folgenden Elementen: einem Transformator, einem Gleichrichter, einem Filter und einem Spannungsregler.

Schematische Darstellung der linearen Stromversorgung

Zunächst wandelt der Transformator die Netzspannung in eine reduzierte Spannung um und stellt sie zur Verfügung galvanische Isolierung… Man nennt eine Schaltung, die Wechselstrom in gepulsten Gleichstrom umwandelt Gleichrichter (Zur Gleichrichtung werden Diodenbrückenschaltungen verwendet), dann reduziert ein Filter mit Kondensatoren und Induktivitäten die Welligkeit. Mehr über Filter — Leistungsfilter.

Die Regulierung bzw. Stabilisierung der Spannung auf einen bestimmten Wert erfolgt durch das sogenannte Ein Spannungsregler in dessen Aufbau Transistoren.

Der Transistor in der Schaltung fungiert als einstellbarer Widerstand.Um eine größere Stabilität der Welle zu erreichen, befindet sich am Ausgang dieser Stufe eine zweite Filterstufe (obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist, alles hängt von den Designanforderungen ab), bei der es sich um einen herkömmlichen Kondensator handeln kann.

Unter den Netzteilen gibt es solche, bei denen die Stromversorgung der Last erfolgt geregelt durch Thyristorenum die Last mit der erforderlichen Spannung und Leistung zu versorgen.

Deutsches Labornetzteil

Moderne lineare Netzteile

Die Stabilisierung der Spannung bei linearen Quellen des Grundtyps wird erreicht, indem ein spezielles Element parallel zu einem Stromkreis geschaltet wird, der von einer ungeregelten Quelle höherer Spannung über einen geeigneten Widerstand gespeist wird, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie einen starken Stromanstieg bei der erforderlichen Spannung zeigt Stromspannung. Es ist so ein Element Zenerdiode, der über einen weiten Bereich von Schwellenspannungen arbeitet.

Die Nachteile eines Zenerdioden-Netzteils sind eine relativ geringe Ausgangsspannungsstabilität, ein relativ kleiner Strombereich und ein besonders geringer Wirkungsgrad, da elektrische Energie im Vorwiderstand und in der Zenerdiode selbst in Wärme umgewandelt wird.

Moderne lineare Quellen (normalerweise in Form einer integrierten Schaltung) verwenden ein Element mit variabler Impedanz (Transistor im linearen Modus), das durch Rückkopplung basierend auf der Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der Gleichspannung einer internen Referenzspannung (basierend auf einer Diode) gesteuert wird Stromkreis, aber mit kleinem Gleichstrom).

Typische lineare Quellen sind 78xx-ICs (z. B. 7805 ist eine 5-V-Spannungsquelle) und deren Derivate.

Der Nachteil solcher linearen Netzteile ist ihr geringer Wirkungsgrad (und weil die Verlustleistung im integrierten Schaltkreis je nach Wärme und Kühlbedarf variiert), insbesondere wenn ein großer Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung und hohe Ströme bestehen. Das ist der Fall Auch manchmal nachteilig ist, dass die Ausgangsspannung immer niedriger ist als die Eingangsspannung.

Der Vorteil liegt in den geringen Kosten, der geringen Größe, der einfachen Handhabung und dem Fehlen von Störungen von außen und im Stromkreis.

Einbaustromversorgung in einem Elektrotechniklabor

Schaltnetzteile

In gepulsten Netzteilen wird ein Feldeffekttransistor verwendet, der mit einer relativ hohen Frequenz (mehrere zehn kHz oder mehr) periodisch schließt und die Eingangsspannung einer Schaltung erhöht, die aus einer Kombination aus einer Spule, einem Kondensator und einer Diode besteht. Durch eine geeignete Kombination dieser Elemente ist es möglich, eine Spannungssenkung und -erhöhung zu erreichen.

Eine andere Art der gepulsten Stromversorgung ist eine Stromversorgung mit einem Transformator und einem nachgeschalteten Diodengleichrichter, die sich die vorteilhaften Eigenschaften (kleinere Größe des Transformators bei hohen Strömen, geringere magnetische Verluste) moderner magnetischer Materialien (Ferrite) bei hohen Frequenzen zunutze macht . Durch Ändern der Frequenz können Sie eine Änderung der Ausgangsspannung erreichen.

Daher umfasst ein solches Netzteil einen Schaltkreis (normalerweise in Form eines integrierten Schaltkreises), der eine Frequenzvariation basierend auf der Rückkopplung der Ausgangsspannung bereitstellt, um eine stabile Ausgangsspannung unter variierenden Lasten bereitzustellen.

Mehr zum Thema Schaltnetzteile: Allgemeine Prinzipien, Vor- und Nachteile von Schaltnetzteilen

Da Schaltnetzteile mit Rechteckspannungen und -strömen arbeiten, senden sie typischerweise elektromagnetische Wellen über einen weiten Frequenzbereich aus. Daher sind bei der Erstellung und Nutzung die Grundsätze der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu beachten.

Laborausrüstung

In einer Werkstatt oder einem Labor wird ein Präzisionsnetzteil zum Messen, Testen und zur Fehlersuche eingesetzt. Diese Labornetzteile wandeln, gleichrichten und regeln Spannungen sowie Ausgangsströme, sodass Messungen durchgeführt werden können, ohne die zu prüfenden Geräte zu beschädigen.

Siehe auch:Netzteile für industrielle Automatisierungsgeräte