Systeme der elektrischen Energieversorgung sind alle Geräte und Komponenten, die elektrische Energie an verschiedene elektrische Geräte und Systeme liefern. Sie dienen dazu, die notwendige elektrische Energie für den ordnungsgemäßen Betrieb elektrischer Geräte bereitzustellen und die sichere und stabile Versorgung mit elektrischem Strom zu gewährleisten.
Unterteilung elektrischer Versorgungssysteme
Im Allgemeinen können elektrische Energiesysteme in folgende Kategorien unterteilt werden:
- Gleichstromversorgung (DC) – zeichnet sich durch eine konstante, unveränderliche Richtung des elektrischen Stromflusses aus.
- Wechselstromversorgung (AC) – ist eine Art der Stromversorgung, bei der sich der Spannungswert und die Richtung des Stromflusses im Laufe der Zeit regelmäßig ändern. Es ist die am häufigsten verwendete Art der Stromversorgung in Haushalten und in der Industrie.
- Batteriestromversorgung – ist eine Art der Stromversorgung, bei der die Energiequelle Batterien oder wiederaufladbare Akkus sind. Sie wird in tragbaren Geräten wie Handys, Laptops und elektronischen Geräten verwendet.
- Notstromversorgung – wird verwendet, um die Kontinuität der Stromversorgung auch im Falle eines Ausfalls der normalen Stromversorgung zu gewährleisten.
- Erneuerbare Energieversorgung – nutzt erneuerbare Energiequellen wie Sonne, Wind oder Wasserkraft zur Stromerzeugung.
Unterteilung nach der Art der Spannung:
- Konstantspannung (asymmetrisch, symmetrisch)
- Wechselspannung (einphasig, dreiphasig)
Unterteilung nach Art der Energiequelle:
- Netzstromversorgung
- Batterie-Stromversorgung
In diesem Beitrag befasst sich der Autor mit dem Aufbau und der Funktionsweise von Netzteilen bzw. Stromversorgungssystemen, bei denen es sich um elektrische Geräte handelt, die andere elektronische Geräte mit stabiler Spannung und Strom versorgen. Sie werden verwendet, um eine AC-Versorgungsspannung in eine DC-Spannung mit dem richtigen Wert umzuwandeln, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Zielgeräts zu gewährleisten. Netzteile sind sehr wichtige Geräte, da sie in einer Vielzahl von industriellen und häuslichen Steuerungen eingesetzt werden, für die eine Gleichspannungsversorgung mit einem stabilen Wert erforderlich ist. Eine solche Spannung kann durch Netztransformator-Netzteile oder Schaltnetzteile erzeugt werden. Die grundlegenden Parameter einer stabilisierten Gleichspannungsversorgung sind:
- der Wert der Eingangsspannung oder des zulässigen Bereichs der Eingangsspannungswerte,
- der Wert der Ausgangsspannung (oft mit einer bestimmten absoluten oder relativen Toleranz angegeben, z.B. 24 V ±0,5 V oder 24 V ±5 %),
- der Höchstwert des Ausgangsstroms, die so genannte Lastkapazität.
Die Parameter jedes Netzteils können Sie aus den Informationen auf seinem Gehäuse ablesen. An dem daneben stehenden Netzteil können Sie ablesen, dass die Eingangsspannung (INPUT) dieses Netzteils eine einphasige Netzspannung ist, wobei der Effektivwert der Spannung zwischen 100 V und 240 V liegt und die Frequenz 50 Hz oder 60 Hz beträgt. Dieses Netzteil liefert eine Gleichspannung von 24 V, während seine Stromkapazität 1,7 A beträgt (OUTPUT).
Im Folgenden wird ein Netzteil mit Gleichspannungsstabilisierung behandelt, das die Aufgabe hat, dafür zu sorgen, dass der Wert der Ausgangsspannung bei Änderungen der Eingangsspannung des Netzteils und bei Änderungen des vom versorgten Gerät aufgenommenen Stroms unverändert bleibt. Der einfachste Typ eines solchen Netzteils ist ein Transformator-Netzteil, dessen Blockschema in Form von zusammengeschalteten Funktionsblöcken dargestellt werden kann.
Jedes Netzteil sollte auch über ein System gegen Überlastung und Kurzschluss der Ausgangsklemmen verfügen. Die Funktion eines Transformators besteht darin, Wechselstrom von einem Stromkreis in einen anderen umzuwandeln, ohne dabei die Spannungsfrequenz zu verändern. Die Hauptfunktion des Transformators in einem Gleichstromnetzteil ist die Reduzierung der Netzspannung. Transformatoren in Netzstromversorgungen haben zwei Wicklungen, die auf einen gemeinsamen Stahlkern gewickelt sind – die Primärwicklung und die Sekundärwicklung.
Die Primärwicklung eines Netztransformators ist direkt an das Stromnetz angeschlossen. Der Stromfluss durch die Primärwicklung führt zu einem magnetischen Fluss im Kern, der wiederum zur Induktion einer elektromotorischen Kraft in der Sekundärwicklung führt.
Gleichrichter (Gleichrichtersysteme) sind Wandlersysteme zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom.
Die wichtigste Komponente von Gleichrichtungssystemen ist die Gleichrichterdiode. Gleichrichterdioden ‘gleichrichten’ eine niederfrequente Wechselspannung oder Strom und wandeln ihn in einen unidirektionalen Strom um; sie leiten nur dann Strom, wenn die Spannung in der Leitungsrichtung einen bestimmten Wert überschreitet.
Ungesteuerte Gleichrichter sind Schaltungen, die nur Gleichrichterdioden verwenden. Das grundlegende Merkmal von Gleichrichtern ist die unidirektionale Leitung. In einer Richtung (Anode zu Kathode) fließt der Strom ohne großen Spannungsabfall. In der Gegenrichtung (Kathode zu Anode) fließt kein Strom.
Das einfachste Gleichrichtungssystem ist das einphasige Einspannungsgleichrichtersystem. Ein solcher Gleichrichter ist durch sehr große zeitliche Schwankungen der Ausgangsspannung gekennzeichnet, die als Restwelligkeit bezeichnet werden. Um die Restwelligkeit zu verringern und somit eine konstante Spannung zu erhalten, muss die variable Komponente der Spannung durch einen Kondensator, in der Regel einen Elektrolytkondensator mit relativ großer Kapazität, der parallel zur Gleichrichterlast geschaltet ist, eliminiert werden. Die Spannungsglättung besteht darin, den Kondensator zu laden, wenn die Spannung am Gleichrichterausgang größer ist als die Spannung am Kondensator. Wenn die Spannung am Ausgang des Gleichrichters dann unter die Spannung am Kondensator fällt, wird der Kondensator entladen. Während dieser Zeit wird die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie an die Last zurückgegeben. Der Elektrolytkondensator ist der einfachste, am häufigsten verwendete und in den meisten Fällen ausreichende Welligkeitsfilter in Gleichspannungsnetzen. Wenn jedoch eine genauere Unterdrückung der Restwelligkeit erforderlich ist, werden komplexere Glättungsschaltungen in Form von LC-Filtern oder aktiven Filtern verwendet.
Die meisten stabilisierten Netzteilen verwenden Doppelpuls-Gleichrichter (Greatza-Schaltung), die es ermöglichen, am Ausgang der Stromversorgung eine Gleichspannung mit einem wesentlich geringeren Restwelligkeitsfaktor zu erhalten.
Ein Doppelpuls Gleichrichter kann mit vier separaten Gleichrichterdioden aufgebaut werden, aber auch fertige Gleichrichterbrücken in Form eines einzigen integrierten Bauteils sind auf dem Markt erhältlich.
Das letzte Element in einem Gleichspannungsnetzteil ist der Stabilisatordessen Aufgabe es ist, einen konstanten Spannungswert am Ausgang aufrechtzuerhalten, unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung und Schwankungen des Stroms, der von dem an den Ausgang der Stromversorgung angeschlossenen Gerät aufgenommen wird.
Der einfachste Stabilisator ist eine Schaltung mit einer in negativer Richtung gepolten Zenerdiode.
Sie nutzt die Form der Strom-Spannungs-Charakteristik der Diode im Durchbruchbereich, in dem der dynamische Widerstand der Diode sehr klein ist, d.h. große Änderungen im Strom, der durch die Diode fließt, entsprechen kleinen Änderungen in der Spannung an den Diodenanschlüssen.
Diese Schaltung zeichnet sich zwar nicht durch eine sehr hohe Stabilisierungsqualität aus, ihre wesentlichen Vorteile sind jedoch ihr einfacher Aufbau und die Möglichkeit, hohe Ausgangsströme der Stromversorgung zu erreichen. Die Verwendung von Stabilisierungs-ICs ist weiter verbreitet.
Andere Netzteile als Transformator-Netzteile sind Schaltnetzteile.
Schaltnetzteile zeichnen sich durch einen anderen und komplexeren Aufbau als Transformator-Netzteile aus.
Der erste Block eines Schaltnetzteils ist der Gleichrichter (z.B. eine Graetz-Brücke).
Direkt vom Ausgang des Gleichrichters wird das Signal einem Glättungsfilter zugeführt, um die Restwelligkeit zu reduzieren. Die resultierende Gleichspannung wird einem Modulatorteil zugeführt, der die Gleichspannung in ein rechteckiges Signal mit einer Frequenz, die viel höher ist als die Frequenz der Netzspannung, und einer variablen PWM-Pulsbreite umwandelt. Der Modulatorteil besteht aus unipolaren oder bipolaren Transistoren. Das im Modulatorteil erzeugte rechteckige Signal wird in die Primärwicklung des Transformators eingespeist. Da die Frequenz des vom Modulationsteil kommenden Signals viel höher als 50 Hz ist, zeichnen sich die Transformatoren von Impulsnetzteilen durch viel kleinere Abmessungen aus als die von herkömmlichen Netzteilen. Die auf der Sekundärseite des Transformators induzierte Spannung wird einem Gleichrichter mit einem Glättungsfilter zugeführt.
Trotz ihres recht komplexen Aufbaus sind Schaltnetzteile in elektronischen Geräten weit verbreitet.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Autor dieser Studie versuchte, die Unterschiede zwischen einem stabilisierten Netzteil und einem Schaltnetzteil zu definieren.
Ein stabilisiertes Netzteil ist eine Art von Netzteil, das unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung oder der Last eine stabile Ausgangsspannung beibehält. Stabilisierte Netzteile werden häufig in Lösungen eingesetzt, die präzise und stabile Spannungen erfordern, zum Beispiel in der Industrieelektronik, Laborelektronik und Präzisionsmessgeräten.
Ein Schaltnetzteil ist eine Art von Netzteil, das die Versorgungsspannung mithilfe digitaler oder analoger Steuerungstechniken in eine gepulste Ausgangsspannung umwandelt. Schaltnetzteile sind in der Regel effizienter und leichter als stabilisierte Netzteile, können aber mehr elektromagnetische Interferenzen erzeugen. Schaltnetzteile werden häufig in der Computerelektronik, der Telekommunikation und in batteriebetriebenen elektronischen Geräten eingesetzt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Hauptunterschied zwischen einem stabilisierten und einem Schaltnetzteil in der Art und Weise liegt, wie die Ausgangsspannung geregelt wird, und in der Anwendung. Stabilisierte Netzteile liefern eine stabile Ausgangsspannung, während Schaltnetzteile effizienter und leichter sind, aber mehr Rauschen erzeugen können. Die Wahl eines geeigneten Netzteils hängt hauptsächlich von der Art der Anwendung ab, in der es eingesetzt werden soll.
