Schaltnetzteil II

Das Schaltnetzteil wurde in Klasse N und E schon einführend erklärt. Nun betrachten wir das vereinfachte Blockschaltbild genauer.

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit jeweils zwei Anschlusspunkten links („230 V“ und Wellenlinie) und rechts (ohne Beschriftung), dazwischen ein Brückengleichrichter; im oberen horizontalen Zweig ein elektronischer Schalter („E“), einem Siebkondensator zum unteren horiontalen Leiter, und einem Transformator; im rechten oberen Teil eine Diode und einem Kondensator zwischen beiden horizontalen Leitern.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält einen rechteckigen Schaltkreis aus zwei horizontalen Leitern und zwei Anschlusspunkten im linken Teil. Die beiden Anschlusspunkte sind mit „230 V“ und einer Wellenlinie beschriftet und mit dem oberen und dem unteren Ausgang einer aus vier Dioden gebildeten Brücke in Diamantform (Brückengleichrichter) verbunden. Der rechte Ausgang der Brücke ist mit einem vertikal gezeichneten Kondensator mit „+“-Zeichen am oberen Anschluss verbunden; der untere Anschluss geht auf den unteren horizontalen Leiter, der mit dem linken Ausgang der Brücke verbunden ist. Vom rechten Ausgang der Brücke führt außerdem ein Leiter nach rechts über einen mit „E“ bezeichneten Schalter zum oberen Anschluss der Primärwicklung (links) eines Transformators. Der untere Anschluss der Primärwicklung führt zurück zum unteren horizontalen Leiter der linken Seite der Schaltung. Auf der Sekundärseite (rechts) des Transformators ist am oberen Anschluss eine Diode eingezeichnet (Symbol mit Dreieck nach rechts zur Sperrlinie), die zum oberen der beiden rechten Anschlusspunkte führt. Zwischen dem oberen und dem unteren Anschlusspunkt befindet sich ein weiterer, vertikal gezeichneter Kondensator mit „+“-Zeichen am oberen Anschluss. — Abbildung EA-7.12.1: Prinzipschaltbild Schaltnetzteil

Der wichtige elektronische Schalter im Block E dient auch zur Regelung auf eine konstante Ausgangsspannung. Da es keine Zustände zwischen leitendem und gesperrtem Transistor gibt, muss es eine andere Möglichkeit zur Regelung geben. Der Energietransport von der Eingangsseite auf die Lastseite kann durch die Schaltzeit variiert werden. Ist der Schalter länger geschlossen, dann wird mehr Energie zur Lastseite transportiert und die Ausgangsspannung steigt an. Um dies festzustellen, ist eine Rückmeldung der Ausgangsspannung an den Steuerblock des elektronischen Schalters erforderlich. Diese Rückführung fehlt im dargestellten, vereinfachten Schaltbild. Die Regelung der Ausgangsspannung geschieht nun über den sogenannten Impulsbreitenmodulator. Dies bedeutet, dass der leitende Zustand des Schalters verändert wird, die Schaltfrequenz bleibt dabei konstant.

AD311: Welche Funktion übernimmt der elektronische Schalter (Block E) des Schaltnetzteils?

Wichtig ist auch die galvanische Trennung der Eingangs- und Ausgangsseite, um Netzspannungspotentiale vom Ausgang fernzuhalten. Diese Netztrennung geschieht durch den Übertrager mit Ferritkern. Siehe Abbildung EA-7.12.2.

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Kurzfassung: Innenansicht eines geöffneten Elektronikgeräts mit Leiterplatte, großen Kühlkörpern, Spulen und dicken Leitungen; markierte Bereiche zeigen die 230 V AC‑Seite und eine 13,8 V DC‑Seite.

Detaillierte Beschreibung: Das Foto zeigt die offene Oberseite eines Gehäuses mit einer dicht bestückten Leiterplatte. Links sind zwei schwarze zylindrische Bauteile neben einer kupferfarbenen Ringdrossel zu sehen; daneben steht ein aufgeklebter Hinweis „Entstörfilter auf der 230 V AC Seite“ sowie ein weiteres Label „230 V AC Seite“. In der Mitte befinden sich zwei breite, kupferfarbene Kühlbleche und ein großer silberner Rippenkühlkörper; dazwischen sitzt ein blockförmiger Transformator, der mit „Transformator mit Ferritkern“ beschriftet ist. Rechts führen dicke rote und schwarze Kabel nach oben zur „13,8 V DC Seite“, daneben liegen eine rot lackierte Ringdrossel und mehrere blaue Elektrolytkondensatoren. Auf der Platine sind zahlreiche kleine Bauteile (Widerstände, Dioden, ICs) und eine schmale grüne Tochterplatine montiert. Kabelbündel sind mit weißen Kabelbindern fixiert. Hinten oben ist ein Lüftergitter erkennbar; am rechten Rand sitzt ein transparenter grünlicher Steckverbinder. Die Beschriftungen sind als eingefügte Textfelder im Bild platziert. — Abbildung EA-7.12.2: Innenansicht eines Schaltnetzteils

Die Veränderung der Schaltzeit bewirkt zusätzliche Störsignale, die unbedingt von der Netzspannungsseite ferngehalten werden müssen, damit sie sich nicht über das Stromnetz ausbreiten und andere elektronische Geräte stören. Das Stromnetz wirkt auch wie eine Antenne und kann deshalb Störsignale als elektromagnetische Welle abstrahlen. Wird der elektronische Schalter mit einer Schaltfrequenz von $\qty{30}{\kilo\hertz}$ betrieben, dann ergibt sich ein Störspektrum, in dem alle $\qty{30}{\kilo\hertz}$ ein Störsignal erscheint. Die Abbildung EA-7.12.3 zeigt das Störspektrum eines Schaltnetzteils. Das Störspektrum wurde direkt oberhalb des Schaltnetzteilgehäuses empfangen. In $\qty{1}{\meter}$ Entfernung ist das Störspektrum kaum messbar.

AD312: Was ist der Hauptnachteil des dargestellten Schaltnetzteils?

Bei ungenügend entstörten Schaltnetzteilen beeinträchtigt das Störspektrum den Funkempfang.

AD313: In einem Amateurfunkempfänger werden etwa alle 120 kHz unerwünschte Signale festgestellt. Dies ist wahrscheinlich zurückzuführen auf ...

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Zusammenfassung: Blaue Spektrums-/Wasserfallanzeige mit vielen schmalen, senkrechten hellen Streifen und einer gelb markierten Skala am unteren Rand.

Detaillierte Beschreibung: Das Bild zeigt eine rechteckige, farbcodierte Darstellung in überwiegend dunklen Blautönen mit körniger Textur. Über die gesamte Höhe verlaufen zahlreiche schmale, helle vertikale Linien in Cyan bis Türkis; sie sind links und im mittleren Bereich dichter und variieren in Helligkeit und Breite. Rechts sind die Linien insgesamt schwächer und teilweise regelmäßiger verteilt. Über die Breite liegen zusätzlich gleichmäßig verteilte, sehr feine vertikale Hilfslinien. Am äußersten linken Rand ist ein schmaler, dunkler Rot- bis Purpurstreifen sichtbar. Unten verläuft ein dunkler Balken mit gelben Markierungen und Zahlen von 0 bis 1300 (Einheit nicht angegeben); eine vertikale grüne Markierungslinie steht ungefähr bei der 600, weitere grüne Linien sind über die Breite verteilt. Insgesamt wechselt die Helligkeit in den blauen Flächen leicht, wodurch ein unruhiges, rauschähnliches Muster entsteht. — Abbildung EA-7.12.3: Störspektrum eines Schaltnetzteils

Um zu verhindern das Störungen in das Stromnet gelangen muss im Schaltnetzteil ein hochwertiges Tiefpassfilter auf der Seite des Anschlusses zum $\qty{230}{\volt}$ Wechselspannungsnetzes eingebaut sein. Der typische Aufbau des Filters ist in der Abbildung EA-7.12.4 zu sehen.

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1) Kurzzusammenfassung: Schaltplan mit einem gekoppelten Spulenelement „T“ zwischen linken Anschlüssen „L1/PE/N“ und rechten Anschlüssen „L1’/N’“, dazu die Kondensatoren „C1“, „C2“ und „C3“.

2) Detailbeschreibung: Links sind drei Anschlussbezeichnungen mit kleinen Anschlusskreisen: oben „L1“, mittig „PE“ (mit kurzer waagerechter Leitung nach rechts), unten „N“. Zwischen der oberen und unteren linken Leitung liegt ein Kondensator „C1“, als zwei parallele Platten dargestellt; vom mittleren Bereich dieses Symbols führt eine kurze Leitung nach links zu „PE“. Die obere linke Leitung (von „L1“) geht nach rechts, passiert einen Knoten (schwarzer Punkt) und führt zum Anschluss „1“ des mittleren Bauteils „T“. Die untere linke Leitung (von „N“) geht nach rechts, passiert einen Knoten und führt zum Anschluss „3“ von „T“. In der Mitte ist „T“ beschriftet; es zeigt zwei Spulensymbole: oben zwischen „1“ (links) und „2“ (rechts), unten zwischen „3“ (links) und „4“ (rechts). Links neben den Spulen sind zwei schwarze Markierungspunkte. Zwischen den beiden Spulen ist ein kleines, unlabeled Kondensatorsymbol (zwei parallele Platten) gezeichnet. Rechts führen die Anschlüsse „2“ und „4“ jeweils zu einer senkrechten rechten Leitung mit Anschlusskreisen „L1’“ (oben) und „N’“ (unten); an dieser rechten Leitung sind drei Knoten (oben, Mitte, unten). Seitlich an der rechten Leitung sind zwei Kondensatoren eingezeichnet: oben „C2“, unten „C3“, übereinander angeordnet; ihr gemeinsamer Zwischenknoten in der Mitte ist als schwarzer Punkt markiert, von dem eine kurze waagerechte Leitung nach links abgeht und offen endet. — Abbildung EA-7.12.4: Filter am $\qty{230}{\volt}$ Eingang eines Schaltnetzteils

Vergleiche auch die Filter in Abbildung EA-7.12.5 und EA-7.12.6 Merke: Der PE-Leiter darf nicht mit dem L1-Leiter oder dem N-Leiter verbunden sein. Die Drossel T darf keine Transformatorfunktion für die Netzwechselspannung bewirken.

AD314: Welche der dargestellten Schaltungen könnte in den Netzeingang eines Schaltnetzteils eingebaut werden, um eine Verbreitung von Störungen in das Stromversorgungsnetz zu verringern?

EMV Filter = Funkentstörfilter gegen leitungsgebundene Störungen

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1) Kurze Zusammenfassung:
Rechteckiges, silbernes EPCOS-Bauteil im Metallgehäuse mit aufgedruckten technischen Daten und Schaltbild; an beiden Seiten ragen je zwei Anschlüsse durch blaue Isolatoren heraus.

2) Detaillierte Beschreibung:
Das Foto zeigt frontal ein graues/silbernes Metallgehäuse mit abgerundeten Kanten und einer seitlichen Befestigungslasche mit rundem Loch links. Links und rechts sind jeweils zwei flache Anschlussfahnen zu sehen, die durch blaue Isolatoren geführt werden. Auf der Gehäusefront steht oben links „EPCOS“ und „SIFI B“. Oben rechts sind Typ- und Leistungsdaten aufgedruckt: „B84112-B-B110“, „115/250V 10A“, „50/60 Hz“, „25/085/21“, „T amb. = 40°C“. Darunter befinden sich mehrere Prüf- und Normzeichen (u. a. ein „UR“-Symbol, ein rundes „CSA“-ähnliches Zeichen und ein Dreieck mit „VDE“), sowie der Text „EN 133 221 CCA“. In einem eingerahmten Feld ist ein Schaltbild mit Beschriftungen dargestellt: links „LINE“ mit „N“ und „L“, rechts „LOAD“ mit „N“ und „L“; eingezeichnet sind Kondensatoren und Drosseln, beschriftet u. a. mit „0,47 µF (X2) SH“, „2 x 1,8 mH“, „2 x 4,7 nF (Y2)“ und ein Widerstand „340 kΩ“. Links neben dem Schaltbild ist das Erdungssymbol abgebildet. Unten mittig steht „01.01“. Die Oberfläche wirkt matt und leicht gebürstet; Hintergrund ist neutral hell. — Abbildung EA-7.12.5: Funkentstörfilter Filter für ein Schaltnetzteil

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1) Kurzzusammenfassung: Ein flanschmontierbarer IEC-Netzeinbaustecker mit integriertem Filter von Schaffner liegt auf weißem Hintergrund.

2) Detaillierte Beschreibung: Links ist die schwarze Kunststofffront mit einem dreipoligen IEC-C14-Einlass und zwei Befestigungsbohrungen zu sehen, daran schließt sich ein längliches Metallgehäuse an. Auf der Oberseite klebt ein weißes Typenschild mit der Aufschrift „SCHAFFNER – MADE IN SWITZERLAND – FN 322-…“, mit Angaben wie „110/250 V~ 50/60 Hz“ und „3 A“, einem kleinen Schaltbild (mit Beschriftungen „2× 2 mH“, „0,015 µF (X2)“ und „2× 2200 pF (Y)“) sowie mehreren Prüf- und Zulassungszeichen. Rechts ragen zwei Flachsteckkontakte aus dem Gehäuse heraus; an der Seite ist eine Zahl (z. B. „8402“) aufgedruckt. Die Aufnahme ist leicht seitlich gedreht, die Farben sind Schwarz, Grau und Weiß, mit leichten Gebrauchsspuren am Gehäuse. — Abbildung EA-7.12.6: Filter direkt am $\qty{230}{\volt}$ AC Spannungseingang

Weiter zum nächsten Abschnitt: Spannungsstabilisierung