Schaltnetzteil

Innenansicht eines ATX-SMPS: unter
A: EMI-Eingangsfilterung und Brückengleichrichter;
B: Eingangsfilterkondensatoren;
"Zwischen" B und C: Kühlkörper auf der Primärseite;
C: Transformator:
Zwischen C und D: sekundärseitiger Kühlkörper;
D: Ausgangsfilterspule;
E: Ausgangsfilterkondensatoren.  
Die Spule und der große gelbe Kondensator unter E sind zusätzliche Eingangsfilterkomponenten, die direkt auf dem Netzeingangsanschluss montiert sind und nicht Teil der Hauptplatine sind. ATX-Netzteile bieten mindestens 5 unabhängige Spannungsausgänge. ⓘ

Ein einstellbares Schaltnetzteil für den Laborbetrieb ⓘ

Ein Schaltnetzteil (Schaltnetzteil, Switching-Mode Power Supply, Switched Power Supply, SMPS oder Switcher) ist ein elektronisches Netzteil, das einen Schaltregler zur effizienten Umwandlung elektrischer Energie enthält. ⓘ

Wie andere Stromversorgungen überträgt ein SMPS Strom von einer Gleich- oder Wechselstromquelle (oft Netzstrom, siehe Netzadapter) an Gleichstromverbraucher, wie z. B. einen PC, und wandelt dabei Spannungs- und Stromeigenschaften um. Im Gegensatz zu einem linearen Netzteil schaltet der Durchgangstransistor eines Schaltnetzteils ständig zwischen den Zuständen "voll ein" und "voll aus" um und verbringt nur sehr wenig Zeit in den Übergängen mit hoher Verlustleistung, wodurch die Energieverschwendung minimiert wird. Bei einem hypothetischen idealen Schaltnetzteil wird keine Energie verbraucht. Die Spannungsregelung wird durch die Variation des Verhältnisses von Ein- und Ausschaltzeit (auch als Tastverhältnis bezeichnet) erreicht. Im Gegensatz dazu regelt ein lineares Netzteil die Ausgangsspannung durch kontinuierliche Leistungsabgabe im Durchgangstransistor. Der höhere elektrische Wirkungsgrad des Schaltnetzteils ist ein wichtiger Vorteil. ⓘ

Schaltnetzteile können auch wesentlich kleiner und leichter sein als lineare Netzteile, weil der Transformator viel kleiner sein kann. Dies liegt daran, dass es mit einer hohen Schaltfrequenz arbeitet, die im Gegensatz zur Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz im Bereich von mehreren hundert kHz bis zu einigen MHz liegt. Trotz der geringeren Größe des Transformators führen die Topologie der Stromversorgung und die Anforderungen an die Unterdrückung elektromagnetischer Störungen (EMI) in kommerziellen Designs in der Regel zu einer wesentlich größeren Anzahl von Bauteilen und einer entsprechend höheren Komplexität der Schaltungen. ⓘ

Schaltregler werden als Ersatz für Linearregler verwendet, wenn ein höherer Wirkungsgrad, eine geringere Größe oder ein geringeres Gewicht erforderlich sind. Sie sind jedoch komplizierter; Schaltströme können Probleme mit elektrischem Rauschen verursachen, wenn sie nicht sorgfältig unterdrückt werden, und einfache Designs können einen schlechten Leistungsfaktor haben. ⓘ

Schaltnetzteil in einem DVD-Spieler ⓘ

PC-Schaltnetzteil im ATX-Format ⓘ

Im Unterschied zu konventionellen Netzteilen mit großem Netzfrequenz-Transformator erfolgt die Wandlung beim Schaltnetzteil mit einer höheren Frequenz, da Transformatoren bei hohen Frequenzen für die gleiche Leistung weniger Magnetkernvolumen benötigen. Dafür wird die Netzspannung meist gleichgerichtet, gesiebt, durch einen elektronischen Schalter (daher der Name Schaltnetzteil) in eine höherfrequente Spannung zerhackt und nach der Transformation im hochfrequenten Zwischenkreis auf die gewünschte Spannung erneut gleichgerichtet. ⓘ

Geschichte

1836

Induktionsspulen verwenden Schalter, um hohe Spannungen zu erzeugen.

1910

Ein von Charles F. Kettering und seiner Firma Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) erfundenes Induktionszündsystem geht für Cadillac in Produktion. Das Kettering-Zündsystem ist eine mechanisch geschaltete Version eines Fly-Back-Boost-Wandlers; der Transformator ist die Zündspule. Variationen dieses Zündsystems wurden bis in die 1960er Jahre in allen Verbrennungsmotoren (außer Dieselmotoren) verwendet, als sie zunächst durch elektronisch geschaltete Festkörperzündungen und dann durch kapazitive Entladungszündsysteme ersetzt wurden.

1926

Am 23. Juni meldet der britische Erfinder Philip Ray Coursey in seinem Land und in den Vereinigten Staaten ein Patent für seinen "Electrical Condenser" an. In dem Patent werden unter anderem Hochfrequenzschweißen und Öfen erwähnt.

c. 1932

Elektromechanische Relais werden zur Stabilisierung der Ausgangsspannung von Generatoren eingesetzt. Siehe Spannungsregler#Elektromechanische Regler.

c. 1936

Autoradios verwendeten elektromechanische Vibratoren, um die 6-V-Batteriespannung in eine geeignete B+-Spannung für die Vakuumröhren umzuwandeln.

1959

Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) wird von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden. Der Leistungs-MOSFET wurde später zum meistverwendeten Leistungsbauelement für Schaltnetzteile.

1959

Das US-Patent 3.040.271 wird von Joseph E. Murphy und Francis J. Starzec von der General Motors Company für ein Transistor-Oszillations- und Gleichrichter-Stromversorgungssystem angemeldet.

1960s

Der Apollo Guidance Computer, der in den frühen 1960er Jahren vom MIT Instrumentation Laboratory für die ehrgeizigen Mondmissionen der NASA (1966-1972) entwickelt wurde, enthielt frühe Schaltnetzteile.

c. 1967

Bob Widlar von Fairchild Semiconductor entwickelt den Spannungsregler µA723 IC. Er wird unter anderem als Schaltregler eingesetzt.

1970

Tektronix verwendet hocheffiziente Stromversorgungen in seinen Oszilloskopen der Serie 7000, die von etwa 1970 bis 1995 hergestellt wurden.

1970

Robert Boschert entwickelt einfachere, kostengünstige Schaltungen. Bis 1977 wächst Boschert Inc. zu einem Unternehmen mit 650 Mitarbeitern. Nach einer Reihe von Fusionen, Übernahmen und Ausgliederungen (Computer Products, Zytec, Artesyn, Emerson Electric) ist das Unternehmen heute Teil von Advanced Energy.

1972

HP-35, der erste Taschenrechner von Hewlett-Packard, wird mit einem Transistor-Schaltnetzteil für Leuchtdioden, Uhren, Timing, ROM und Register eingeführt.

1973

Xerox verwendet Schaltnetzteile für den Alto-Minicomputer

1976

Robert Mammano, ein Mitbegründer von Silicon General Semiconductors, entwickelt den ersten integrierten Schaltkreis für SMPS-Steuerung, Modell SG1524. Nach einer Reihe von Fusionen und Übernahmen (Linfinity, Symetricom, Microsemi) ist das Unternehmen heute Teil von Microchip Technology.

1977

Der Apple II ist mit einem Schaltnetzteil ausgestattet. "Rod Holt ... hat das Schaltnetzteil entwickelt, das es uns ermöglichte, einen sehr leichten Computer zu bauen".

1980

Der HP8662A 10 kHz - 1,28 GHz Synthese-Signalgenerator wurde mit einem Schaltnetzteil ausgestattet. ⓘ

Erläuterung

Ein lineares Netzteil (nicht SMPS) verwendet einen linearen Regler, um die gewünschte Ausgangsspannung bereitzustellen, indem überschüssige Leistung in ohmschen Verlusten (z. B. in einem Widerstand oder in der Kollektor-Emitter-Region eines Durchgangstransistors in seinem aktiven Modus) abgeleitet wird. Ein linearer Regler regelt entweder die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom, indem er die überschüssige elektrische Leistung in Form von Wärme ableitet, und daher ist sein maximaler Wirkungsgrad Spannung-aus/Spannung-ein, da die Spannungsdifferenz verschwendet wird. ⓘ

Im Gegensatz dazu ändert ein SMPS die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom, indem es idealerweise verlustfreie Speicherelemente, wie Induktoren und Kondensatoren, zwischen verschiedenen elektrischen Konfigurationen umschaltet. Ideale Schaltelemente (angenähert durch Transistoren, die außerhalb ihres aktiven Modus betrieben werden) haben keinen Widerstand, wenn sie "ein" sind, und führen keinen Strom, wenn sie "aus" sind, so dass Wandler mit idealen Komponenten mit einem Wirkungsgrad von 100 % arbeiten würden (d. h. die gesamte Eingangsleistung wird an die Last abgegeben; es wird keine Leistung als Verlustwärme verschwendet). In der Realität gibt es diese idealen Komponenten nicht, so dass ein Schaltnetzteil nicht zu 100 % effizient sein kann, aber es ist immer noch eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrads gegenüber einem Linearregler. ⓘ

Das Grundschema eines Aufwärtswandlers ⓘ

Wenn beispielsweise eine Gleichstromquelle, eine Induktivität, ein Schalter und die entsprechende elektrische Masse in Reihe geschaltet sind und der Schalter von einer Rechteckwelle angesteuert wird, kann die Spitze-Spitze-Spannung der über dem Schalter gemessenen Wellenform die Eingangsspannung der Gleichstromquelle übersteigen. Dies liegt daran, dass die Induktivität auf Stromänderungen reagiert, indem sie ihre eigene Spannung induziert, um der Stromänderung entgegenzuwirken, und diese Spannung addiert sich zur Quellenspannung, während der Schalter geöffnet ist. Wenn eine Dioden-Kondensator-Kombination parallel zum Schalter geschaltet wird, kann die Spitzenspannung im Kondensator gespeichert werden, und der Kondensator kann als Gleichstromquelle mit einer Ausgangsspannung verwendet werden, die größer ist als die Gleichspannung, die die Schaltung antreibt. Dieser Aufwärtswandler wirkt wie ein Aufwärtstransformator für Gleichstromsignale. Ein Abwärtswandler funktioniert ähnlich, liefert aber eine Ausgangsspannung, die der Eingangsspannung entgegengesetzt gepolt ist. Es gibt auch andere Abwärtswandlerschaltungen, die den durchschnittlichen Ausgangsstrom bei einer geringeren Spannung erhöhen. ⓘ

In einem SMPS hängt der Ausgangsstromfluss vom Eingangsstromsignal, den verwendeten Speicherelementen und Schaltungstopologien sowie von dem zur Ansteuerung der Schaltelemente verwendeten Muster (z. B. Pulsweitenmodulation mit einstellbarem Tastverhältnis) ab. Die spektrale Dichte dieser Schaltwellenformen weist eine Energiekonzentration bei relativ hohen Frequenzen auf. Daher können die in die Ausgangswellenformen eingebrachten Schalttransienten und die Restwelligkeit mit einem kleinen LC-Filter gefiltert werden. ⓘ

Vor- und Nachteile

Der Hauptvorteil von Schaltnetzteilen ist der höhere Wirkungsgrad (bis zu 96 %) im Vergleich zu linearen Reglern, da der Schalttransistor in seiner Funktion als Schalter nur wenig Energie verbraucht. ⓘ

Weitere Vorteile sind die geringere Größe, das geringere Rauschen und das geringere Gewicht durch den Wegfall der schweren Netzfrequenztransformatoren sowie die vergleichbare Wärmeentwicklung. Die Standby-Verlustleistung ist oft viel geringer als bei Transformatoren. Der Transformator in einem Schaltnetzteil ist auch kleiner als ein herkömmlicher Netzfrequenztransformator (50 Hz oder 60 Hz, je nach Region) und benötigt daher geringere Mengen an teuren Rohstoffen, wie Kupfer. ⓘ

Zu den Nachteilen gehören eine höhere Komplexität, die Erzeugung hochamplitudiger, hochfrequenter Energie, die der Tiefpassfilter blockieren muss, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu vermeiden, sowie eine Brummspannung bei der Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen. ⓘ

Sehr preiswerte Schaltnetzteile können elektrische Schaltgeräusche auf die Netzleitung zurückkoppeln und dadurch Störungen bei Geräten verursachen, die an dieselbe Phase angeschlossen sind, wie z. B. A/V-Geräte. Nicht leistungsfaktorkorrigierte SMPS verursachen auch harmonische Verzerrungen. ⓘ

Vergleich zwischen SMPS und linearen Stromversorgungen

Es gibt zwei Haupttypen von geregelten Stromversorgungen: SMPS und lineare Netzteile. Die folgende Tabelle vergleicht lineare geregelte und ungeregelte AC/DC-Netzteile mit Schaltreglern im Allgemeinen:

Vergleich eines linearen Netzteils und eines Schaltnetzteils

	Lineares Netzgerät	Schaltnetzteil	Anmerkungen ⓘ
Größe und Gewicht	Kühlkörper für lineare Hochleistungsregler erhöhen Größe und Gewicht. Transformatoren, falls verwendet, sind aufgrund der niedrigen Betriebsfrequenz (die Netzfrequenz liegt bei 50 oder 60 Hz) groß; ansonsten können sie aufgrund der geringen Anzahl von Bauteilen kompakt sein.	Kleinerer Transformator (falls verwendet; ansonsten Drosselspule) aufgrund der höheren Betriebsfrequenz (typischerweise 50 kHz - 1 MHz). Größe und Gewicht einer angemessenen HF-Abschirmung können von Bedeutung sein.	Die Belastbarkeit eines Transformators bei gegebener Größe und Gewicht nimmt mit der Frequenz zu, sofern die Hystereseverluste gering gehalten werden können. Daher bedeutet eine höhere Betriebsfrequenz entweder eine höhere Kapazität oder einen kleineren Transformator.
Ausgangsspannung	Bei Verwendung eines Transformators alle verfügbaren Spannungen; bei transformatorlosen Geräten nur das, was mit einem Spannungsverdoppler erreicht werden kann. Bei ungeregelter Spannung schwankt die Spannung erheblich mit der Last.	Alle verfügbaren Spannungen, in vielen Schaltungen nur durch die Transistor-Durchbruchsspannung begrenzt. Die Spannung variiert kaum mit der Last.	Ein SMPS kann in der Regel größere Schwankungen der Eingangsspannung verkraften, bevor sich die Ausgangsspannung ändert.
Wirkungsgrad, Wärme und Verlustleistung	Wenn geregelt: Der Wirkungsgrad hängt weitgehend von der Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang ab; die Ausgangsspannung wird geregelt, indem überschüssige Leistung als Wärme abgeleitet wird, was zu einem typischen Wirkungsgrad von 30-40 % führt. Bei ungeregeltem Betrieb sind die Eisen- und Kupferverluste des Transformators die einzigen nennenswerten Quellen für Ineffizienz.	Die Transistoren werden vollständig ein- oder ausgeschaltet, so dass nur sehr geringe Widerstandsverluste zwischen dem Eingang und der Last auftreten. Die einzige Wärme, die erzeugt wird, sind die nicht idealen Aspekte der Komponenten und der Ruhestrom in den Steuerschaltungen.	Schaltverluste [de] in den Transistoren (insbesondere im kurzen Teil jedes Zyklus, wenn das Gerät teilweise eingeschaltet ist), der Durchlasswiderstand der Schalttransistoren, der äquivalente Serienwiderstand in der Induktivität und den Kondensatoren sowie die Kernverluste in der Induktivität und der Gleichrichterspannungsabfall tragen zu einem typischen Wirkungsgrad von 60-70 % bei. Durch Optimierung des Designs von Schaltnetzteilen (z. B. Wahl der optimalen Schaltfrequenz, Vermeidung der Sättigung von Induktivitäten und aktive Gleichrichtung) können die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung jedoch minimiert werden; ein gutes Design kann einen Wirkungsgrad von 95 % erreichen.
Komplexität	Ungeregelte Schaltungen können einfach aus einer Diode und einem Kondensator bestehen; geregelte Schaltungen haben einen Spannungsregelkreis und einen Rauschfilterkondensator; in der Regel eine einfachere Schaltung (und einfachere Stabilitätskriterien für die Rückkopplungsschleife) als getaktete Schaltungen.	Besteht aus einem Controller-IC, einem oder mehreren Leistungstransistoren und Dioden sowie einem Leistungstransformator, Induktivitäten und Filterkondensatoren. Es gibt einige konstruktive Schwierigkeiten (Verringerung von Rauschen/Störungen; zusätzliche Beschränkungen für die maximale Leistung von Transistoren bei hohen Schaltgeschwindigkeiten), die bei linearen Reglerschaltungen nicht auftreten.	Bei Schaltnetzteilen (Wechselstrom-Gleichstrom) können mehrere Spannungen von einem Transformator erzeugt werden, was jedoch zu Komplikationen bei der Konstruktion und Verwendung führen kann: So kann beispielsweise der Mindestausgangsstrom an einem Ausgang begrenzt sein. Aus diesem Grund müssen SMPS eine Duty-Cycle-Steuerung verwenden. Einer der Ausgänge muss ausgewählt werden, um die Rückkopplungsschleife der Spannungsregelung zu speisen (normalerweise sind 3,3-V- oder 5-V-Lasten wählerischer in Bezug auf ihre Versorgungsspannungen als 12-V-Lasten, so dass die Entscheidung, welcher Ausgang die Rückkopplungsschleife speist, davon abhängt. Die anderen Ausgänge folgen in der Regel recht gut dem geregelten Ausgang). Beide benötigen eine sorgfältige Auswahl ihrer Transformatoren. Aufgrund der hohen Betriebsfrequenzen von Schaltnetzteilen sind die Streuinduktivität und die Kapazität der Leiterbahnen auf der Platine von Bedeutung.
Hochfrequenzstörungen	Leichte Hochfrequenzstörungen können durch Wechselstrom-Gleichrichterdioden bei hoher Strombelastung erzeugt werden, während die meisten anderen Versorgungstypen keine Hochfrequenzstörungen erzeugen. Einige Netzbrummeinstreuungen in nicht abgeschirmte Kabel, problematisch für Audiosignale mit niedrigem Signalpegel.	EMI/RFI entstehen durch das schnelle Ein- und Ausschalten des Stroms. Daher sind EMI-Filter und HF-Abschirmungen erforderlich, um die störenden Interferenzen zu reduzieren.	Lange Leitungen zwischen den Komponenten können die Hochfrequenz-Filterwirkung der Kondensatoren am Eingang und Ausgang verringern. Eine stabile Schaltfrequenz kann wichtig sein.
Elektronisches Rauschen an den Ausgangsklemmen	Ungeregelte Netzteile können bei doppelter Netzfrequenz (100-120 Hz) eine geringe Wechselstromwelligkeit aufweisen, die der Gleichstromkomponente überlagert ist. Dies kann bei Audiogeräten zu hörbarem Netzbrummen, bei analogen Überwachungskameras zu Helligkeitswellen oder bandförmigen Verzerrungen führen.	Geräuschvoller aufgrund der Schaltfrequenz des SMPS. Ein ungefilterter Ausgang kann Störungen in digitalen Schaltungen oder Rauschen in Audioschaltungen verursachen.	Dies kann mit Kondensatoren und anderen Filterschaltungen in der Ausgangsstufe unterdrückt werden. Bei einem Schaltnetzteil kann die Schaltfrequenz so gewählt werden, dass das Rauschen nicht in das Arbeitsfrequenzband des Schaltkreises fällt (z. B. bei Audiosystemen oberhalb des menschlichen Hörbereichs).
Elektronisches Rauschen an den Eingangsklemmen	Verursacht eine harmonische Verzerrung des Eingangswechselstroms, aber relativ wenig oder kein hochfrequentes Rauschen.	Sehr preiswerte SMPS können elektrische Schaltgeräusche auf die Netzleitung zurückkoppeln und dadurch Störungen bei A/V-Geräten verursachen, die an dieselbe Phase angeschlossen sind. Nicht leistungsfaktorkorrigierte SMPS verursachen auch harmonische Verzerrungen.	Dies kann verhindert werden, wenn ein (ordnungsgemäß geerdeter) EMI/RFI-Filter zwischen den Eingangsklemmen und dem Brückengleichrichter angeschlossen wird.
Akustisches Rauschen	Schwaches, meist unhörbares Netzbrummen, das in der Regel auf die Vibration der Wicklungen im Transformator oder auf Magnetostriktion zurückzuführen ist.	In der Regel für die meisten Menschen unhörbar, es sei denn, sie haben einen Lüfter oder sind unbelastet/fehlfunktioniert oder verwenden eine Schaltfrequenz innerhalb des Audiobereichs oder die Lamellen der Spule schwingen mit einer Subharmonischen der Betriebsfrequenz.	Die Betriebsfrequenz eines unbelasteten Schaltnetzteils liegt manchmal im für den Menschen hörbaren Bereich und kann für Menschen, deren Gehör für den entsprechenden Frequenzbereich sehr empfindlich ist, subjektiv recht laut sein.
Leistungsfaktor	Niedrig für eine geregelte Versorgung, da der Strom aus dem Netz an den Spitzen der Spannungs-Sinuskurve entnommen wird, es sei denn, dem Gleichrichter folgt eine Schaltung mit Drossel- oder Widerstandseingang (heute selten).	Von sehr niedrig bis mittel, da ein einfaches SMPS ohne PFC Stromspitzen an den Spitzen der AC-Sinuskurve zieht.	Eine aktive/passive Leistungsfaktorkorrektur im SMPS kann dieses Problem ausgleichen und wird sogar von einigen Stromregulierungsbehörden, insbesondere in der EU, gefordert. Der Innenwiderstand von Transformatoren mit geringer Leistung in linearen Netzteilen begrenzt in der Regel den Spitzenstrom pro Zyklus und sorgt so für einen besseren Leistungsfaktor als viele Schaltnetzteile, die das Netz mit geringem Serienwiderstand direkt gleichrichten.
Einschaltstrom	Großer Strom, wenn netzgespeiste lineare Stromversorgungsgeräte eingeschaltet werden, bis sich der magnetische Fluss des Transformators stabilisiert und die Kondensatoren vollständig aufgeladen sind, es sei denn, es wird eine Langsamstartschaltung verwendet.	Extrem hoher Einschaltspitzenstrom, der nur durch die Impedanz der Eingangsversorgung und einen eventuellen Serienwiderstand der Filterkondensatoren begrenzt wird.	Leere Filterkondensatoren ziehen anfangs große Strommengen, wenn sie sich aufladen, wobei größere Kondensatoren größere Spitzenstrommengen ziehen. Da dieser um ein Vielfaches über dem normalen Betriebsstrom liegt, werden die von der Überspannung betroffenen Komponenten stark belastet, was die Auswahl der Sicherungen erschwert, um ein unerwünschtes Durchbrennen zu vermeiden, und Probleme mit Geräten verursachen kann, die einen Überstromschutz verwenden, wie z. B. unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Abhilfe durch Verwendung einer geeigneten Sanftanlaufschaltung oder eines Vorwiderstands.
Gefahr eines Stromschlags	Stromversorgungen mit Transformatoren isolieren die eingehende Stromversorgung vom betriebenen Gerät und ermöglichen so eine sichere Erdung der Metallteile des Gehäuses. Gefährlich, wenn die Primär-/Sekundärisolierung zusammenbricht, was bei vernünftiger Konstruktion unwahrscheinlich ist. Transformatorlose netzbetriebene Stromversorgung gefährlich. Sowohl im linearen als auch im Schaltbetrieb sind die Netz- und möglicherweise auch die Ausgangsspannungen gefährlich und müssen gut isoliert sein.	Die gemeinsame Schiene des Geräts (einschließlich des Gehäuses) wird mit der halben Netzspannung, aber mit hoher Impedanz versorgt, es sei denn, das Gerät ist geerdet oder enthält keine EMI/RFI-Filterung an den Eingangsklemmen.	Aufgrund der Vorschriften zur EMI/RFI-Abstrahlung enthalten viele SMPS eine EMI/RFI-Filterung in der Eingangsstufe, die aus Kondensatoren und Induktoren vor dem Brückengleichrichter besteht. Zwei Kondensatoren sind in Reihe mit der Stromschiene und dem Nullleiter geschaltet, wobei der Erdanschluss zwischen den beiden Kondensatoren liegt. So entsteht ein kapazitiver Teiler, der die gemeinsame Schiene mit der halben Netzspannung versorgt. Die hochohmige Stromquelle kann ein Kribbeln oder einen "Biss" für den Bediener verursachen oder zum Aufleuchten einer Erdschluss-LED genutzt werden. Dieser Strom kann jedoch bei den empfindlichsten Fehlerstrom-Schutzschaltern zu unerwünschten Auslösungen führen. Bei Netzteilen ohne Erdungsanschluss (z. B. USB-Ladegeräte) befindet sich ein EMI/RFI-Kondensator zwischen Primär- und Sekundärseite. Er kann auch ein leichtes Kribbeln verursachen, ist aber für den Benutzer ungefährlich.
Risiko von Geräteschäden	Sehr gering, es sei denn, es kommt zu einem Kurzschluss zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen oder der Regler fällt durch einen internen Kurzschluss aus.	Es kann zu einem Ausfall kommen, so dass die Ausgangsspannung sehr hoch wird. Die Belastung der Kondensatoren kann zu deren Explosion führen. Kann in einigen Fällen die Eingangsstufen von Verstärkern zerstören, wenn die Schwebespannung die Basis-Emitter-Durchbruchsspannung des Transistors übersteigt, wodurch die Verstärkung des Transistors sinkt und der Rauschpegel steigt. Wird durch ein gutes Failsafe-Design gemildert. Der Ausfall eines Bauteils im Netzteil selbst kann zu weiteren Schäden an anderen Netzteilkomponenten führen; die Fehlersuche kann sich schwierig gestalten.	Die schwebende Spannung wird durch Kondensatoren verursacht, die die Primär- und Sekundärseite des Netzteils überbrücken. Der Anschluss an ein geerdetes Gerät führt zu einer kurzzeitigen (und möglicherweise zerstörerischen) Stromspitze am Anschluss, wenn sich die Spannung auf der Sekundärseite des Kondensators dem Erdpotenzial anpasst.

Y-Entstörkondensator mit Prüfzeichen ⓘ

An schutzisolierten Geräten kann an elektrisch leitenden berührbaren Teilen ein Kribbeln zu spüren sein. Dieser Berührstrom entsteht durch die im Gerät zur Entstörung verbauten Y-Kondensatoren sowie durch parasitäre Kapazitäten zum speisenden Netz. Beides sind Merkmale von Geräten mit Schaltnetzteil. ⓘ

Der Berührstrom darf laut VDE-Vorschrift 0701/0702 höchstens 0,5 mA betragen, was eine der Voraussetzungen für die Anbringung des CE-Zeichens ist. ⓘ

Frequenz und Wellenform dieser Störspannungen sind oft abweichend von der Netzspannung. Die gegen Erde anliegende Spannung kann mit hochohmigen Messgeräten gemessen werden und ist meist höher als Kleinspannung. Sie bricht jedoch beim Berühren zusammen und gilt daher als ungefährlich. ⓘ

Bei in den USA an 240 V betriebenen schutzisolierten Geräten tritt oft keine nennenswerte Spannung auf, da die Phasen des Einphasen-Dreileiternetzes (Split-Phase Electric Power) symmetrisch zur Erde sind und den durch das Gerät gebildeten kapazitiven Spannungsteiler abgesehen von Störspannungen und Bauteiltoleranzen auf 0 V halten. Beim Betrieb an einer Phase mit 115 V liegt der Spannungsteilung nach nur eine halb so hohe Berührungsspannung wie an 230 V an. ⓘ

Bei Fernsehgeräten, Satellitenfernsehempfängern und anderen Geräten mit Signaleingang liegt diese Spannung an den Signaleingängen (analoge und digitale Schnittstellen wie USB, Antenneneingänge) gegen Erde an. Um diese Spannung vom empfindlichen Eingang der Geräte fernzuhalten, sollten die Signalleitungen die ersten beim Anschließen und die letzten beim Trennen des Gerätes sein. ⓘ

Bei schutzgeerdeten Geräten darf an berührbaren Metallteilen keine nennenswerte Spannung anliegen, das würde auf einen Defekt der Schutzerdung hinweisen. Es können jedoch Brummschleifen auftreten, die auf Ausgleichsströmen aufgrund sehr geringer Spannungsdifferenzen (meist <1 V) beruhen. ⓘ

Schema eines Schaltnetzteils (Sperr- oder Flusswandler) mit galvanischer Trennung.

Geregelte Schaltnetzgeräte liefern konstante Ausgangsspannungen oder -ströme. Die Konstanz der Ausgangsgröße wird durch Steuerung des Energieflusses in das Netzgerät und damit für die angeschlossenen Verbraucher erreicht – es liegt ein geschlossener Regelkreis vor. ⓘ

Ausnahme sind ungeregelte elektronische Halogentrafos – diese liefern eine den Schwankungen der Netzspannung folgende Wechselspannung um 45 kHz. ⓘ

Folgende Vorgänge finden im Schaltnetzteil statt:

• Gleichrichtung der Netzwechselspannung
• Glättung der entstehenden Gleichspannung
• „Zerhacken“ der Gleichspannung
• Transformierung der entstandenen Wechselspannung
• Gleichrichtung der Wechselspannung
• Siebung der Gleichspannung ⓘ

Mit Hilfe der Regelschaltung wird erreicht, dass so viel Energie in das Schaltnetzteil hineinfließt, wie an den Verbraucher weitergegeben werden soll. Die dafür erforderliche Regelung erfolgt über Pulsweiten- oder Pulsphasensteuerung. Die Regelung kann analog oder digital ausgeführt werden, im zweiten Fall spricht man auch von der digitalen Regelschleife. ⓘ

Schaltnetzteile verfügen über einen Ferritkerntransformator, um Spannungstransformation und galvanische Trennung von Ausgangs- und Eingangsseite zu erreichen. Um auch die Regelschleife galvanisch vom Netz zu trennen, ist ein Optokoppler erforderlich. Alternativ kann auch die Übertragung der Schaltsignale an die Leistungstransistoren über Hilfstransformatoren erfolgen, um eine Potentialtrennung zu erreichen. So wird die gesamte Steuerelektronik vom Netz getrennt. In der Abbildung oben wird die Trennung durch einen Trafo und einen Optokoppler im Regel- und Steuerkreis erreicht. ⓘ

In der Abbildung arbeitet ein Schalttransistor im Primärkreis des Trafos, deshalb nennt man diese Art primärgetaktetes Schaltnetzteil. Primärgetaktete Schaltnetzteile haben Ferritkerntransformatoren, die mit einer hohen Frequenz (der Arbeitsfrequenz des Schaltnetzteiles, typisch 15…300 kHz) betrieben werden und daher sehr klein sind. ⓘ

Arbeitet der Schalttransistor im Sekundärkreis des Trafos, spricht man von sekundär getakteten Schaltnetzteilen. Diese haben einen mit Netzfrequenz betriebenen Transformator und daher keinen Massevorteil gegenüber konventionellen Netzteilen. Hier wird nur der Linear-Spannungsregler durch einen Spannungswandler ersetzt, was den Wirkungsgrad verbessert. ⓘ

Als Schalter können Transistoren (MOSFET, Bipolartransistoren, IGBT) verwendet werden. Bei hohen Leistungen kommen auch Thyristoren (GTO oder mit Löschschaltung) zum Einsatz. ⓘ

Als Gleichrichter werden auf der Sekundärseite meistens Schottkydioden eingesetzt, um eine möglichst kleine Durchlassspannung zu erreichen und die notwendigen schnellen Sperrzeiten zu gewährleisten. ⓘ

Als Kondensatoren kommen sekundärseitig Elkos mit niedrigem Serienwiderstandsverhalten = ESR zum Einsatz. Oft werden mehrere Elkos parallel geschaltet oder Elkos mit höherer Nennspannung verwendet, die in dieser Betriebsart niedrigeren ESR aufweisen. Der häufigste alterungs- und wärmebedingte Ausfall der Netzteile besteht im Austrocknen der Elkos bzw. deren Überbeanspruchung bei Unterdimensionierung. ⓘ

Theorie der Funktionsweise

Blockschaltbild eines netzbetriebenen AC/DC-SMPS mit Ausgangsspannungsregelung ⓘ

Eingangsgleichrichterstufe

AC-, Halbwellen- und Vollwellen-gleichgerichtete Signale ⓘ

Wenn das SMPS einen Wechselstromeingang hat, wird dieser in der ersten Stufe in Gleichstrom umgewandelt. Dies wird als "Gleichrichtung" bezeichnet. Bei einem SMPS mit einem Gleichstromeingang ist diese Stufe nicht erforderlich. Bei einigen Netzteilen (meist Computer-ATX-Netzteile) kann die Gleichrichterschaltung als Spannungsverdoppler konfiguriert werden, indem ein Schalter hinzugefügt wird, der entweder manuell oder automatisch betätigt wird. Diese Funktion ermöglicht den Betrieb an Stromquellen, die normalerweise mit 115 VAC oder 230 VAC betrieben werden. Der Gleichrichter erzeugt eine ungeregelte Gleichspannung, die dann an einen großen Filterkondensator geleitet wird. Der Strom, der von dieser Gleichrichterschaltung aus dem Netz entnommen wird, erfolgt in kurzen Impulsen um die Wechselspannungsspitzen herum. Diese Impulse haben eine erhebliche Hochfrequenzenergie, die den Leistungsfaktor verringert. Um dies zu korrigieren, verwenden viele neuere Netzteile eine spezielle Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC), die den Eingangsstrom an die Sinusform der Eingangswechselspannung anpasst und so den Leistungsfaktor korrigiert. Stromversorgungen mit aktiver PFC sind in der Regel selbstregelnd und unterstützen Eingangsspannungen von ~100 VAC bis 250 VAC, ohne dass ein Eingangsspannungswahlschalter vorhanden ist. ⓘ

Ein SMPS, das für Wechselstrom ausgelegt ist, kann in der Regel auch mit Gleichstrom betrieben werden, da der Gleichstrom unverändert durch den Gleichrichter fließt. Wenn das Netzteil für 115 VAC ausgelegt ist und keinen Spannungswahlschalter hat, würde die erforderliche Gleichspannung 163 VDC (115 × √2) betragen. Diese Art der Verwendung kann jedoch für die Gleichrichterstufe schädlich sein, da sie nur die Hälfte der Dioden im Gleichrichter für die volle Last verwendet. Dies könnte zu einer Überhitzung dieser Bauteile führen, wodurch sie vorzeitig ausfallen könnten. Verfügt das Netzteil hingegen über einen auf der Delon-Schaltung basierenden Spannungswahlschalter für 115/230 V (Computer-ATX-Netzteile gehören typischerweise in diese Kategorie), so müsste der Wahlschalter in die 230-V-Stellung gebracht werden, und die erforderliche Spannung würde 325 VDC (230 × √2) betragen. Die Dioden in dieser Art von Stromversorgungsgerät können den Gleichstrom problemlos bewältigen, da sie für den doppelten Nenneingangsstrom ausgelegt sind, wenn sie im 115-V-Modus betrieben werden, was auf den Betrieb des Spannungsverdopplers zurückzuführen ist. Der Grund dafür ist, dass der Verdoppler im Betrieb nur die Hälfte des Brückengleichrichters nutzt und doppelt so viel Strom durch ihn fließt. ⓘ

Wechselrichterstufe

Dieser Abschnitt bezieht sich auf den im Diagramm mit Chopper bezeichneten Block. ⓘ

Die Wechselrichterstufe wandelt Gleichstrom - entweder direkt vom Eingang oder von der oben beschriebenen Gleichrichterstufe - in Wechselstrom um, indem sie ihn durch einen Leistungsoszillator mit einer Frequenz von einigen zehn oder hundert Kilohertz laufen lässt, dessen Ausgangstransformator sehr klein ist und nur wenige Windungen hat. Die Frequenz wird in der Regel über 20 kHz gewählt, um sie für den Menschen unhörbar zu machen. Die Schaltung erfolgt über einen mehrstufigen MOSFET-Verstärker (um eine hohe Verstärkung zu erreichen). MOSFETs sind eine Art von Transistoren mit niedrigem Durchlasswiderstand und hoher Strombelastbarkeit. ⓘ

Spannungswandler und Ausgangsgleichrichter

Wenn der Ausgang vom Eingang isoliert werden muss, wie es bei Netzteilen üblich ist, wird der invertierte Wechselstrom zur Ansteuerung der Primärwicklung eines Hochfrequenztransformators verwendet. Dieser wandelt die Spannung an seiner Sekundärwicklung auf den gewünschten Ausgangspegel auf- oder ab. Der Ausgangstransformator im Blockschaltbild dient diesem Zweck. ⓘ

Wenn ein Gleichstromausgang benötigt wird, wird der Wechselstromausgang des Transformators gleichgerichtet. Für Ausgangsspannungen über zehn Volt oder so werden üblicherweise gewöhnliche Siliziumdioden verwendet. Für niedrigere Spannungen werden üblicherweise Schottky-Dioden als Gleichrichterelemente verwendet; sie haben den Vorteil einer schnelleren Erholungszeit als Siliziumdioden (was einen verlustarmen Betrieb bei höheren Frequenzen ermöglicht) und einen geringeren Spannungsabfall beim Leiten. Für noch niedrigere Ausgangsspannungen können MOSFETs als Synchrongleichrichter verwendet werden, die im Vergleich zu Schottky-Dioden noch geringere Spannungsabfälle im leitenden Zustand aufweisen. ⓘ

Das gleichgerichtete Ausgangssignal wird dann durch ein aus Induktivitäten und Kondensatoren bestehendes Filter geglättet. Für höhere Schaltfrequenzen werden Bauteile mit geringerer Kapazität und Induktivität benötigt. ⓘ

Einfachere, nicht isolierte Stromversorgungen enthalten eine Induktivität anstelle eines Transformators. Zu diesem Typ gehören Aufwärtswandler, Abwärtswandler und Abwärts/Aufwärtswandler. Diese gehören zur einfachsten Klasse der Wandler mit einem Eingang und einem Ausgang, die eine Induktivität und einen aktiven Schalter verwenden. Der Abwärtswandler reduziert die Eingangsspannung in direktem Verhältnis zum Verhältnis der Durchlasszeit zur Gesamtschaltdauer, dem so genannten Tastverhältnis. Ein idealer Abwärtswandler mit einer Eingangsspannung von 10 V, der mit einem Tastverhältnis von 50 % arbeitet, erzeugt beispielsweise eine durchschnittliche Ausgangsspannung von 5 V. Ein Rückkopplungsregelkreis wird zur Regelung der Ausgangsspannung eingesetzt, indem das Tastverhältnis variiert wird, um Schwankungen der Eingangsspannung auszugleichen. Die Ausgangsspannung eines Boost-Konverters ist immer größer als die Eingangsspannung, und die Buck-Boost-Ausgangsspannung ist invertiert, kann aber größer, gleich oder kleiner als die Eingangsspannung sein. Es gibt viele Variationen und Erweiterungen dieser Wandlerklasse, aber diese drei bilden die Grundlage für fast alle isolierten und nicht isolierten Gleichstromwandler. Durch Hinzufügen einer zweiten Spule können Ćuk- und SEPIC-Wandler realisiert werden, oder durch Hinzufügen zusätzlicher aktiver Schalter können verschiedene Brückenwandler realisiert werden. ⓘ

Andere Arten von SMPS verwenden einen Kondensator-Dioden-Spannungsvervielfacher anstelle von Spulen und Transformatoren. Diese werden meist zur Erzeugung hoher Spannungen bei niedrigen Strömen eingesetzt (Cockcroft-Walton-Generator). Die Niederspannungsvariante wird als Ladungspumpe bezeichnet. ⓘ

Regelung

Dieses Ladegerät für ein kleines Gerät wie ein Mobiltelefon ist ein Offline-Schaltnetzteil mit europäischem Stecker, das hauptsächlich aus einem Optokoppler, einem Gleichrichter und zwei aktiven Komponenten besteht. ⓘ

Eine Rückkopplungsschaltung überwacht die Ausgangsspannung und vergleicht sie mit einer Referenzspannung. Je nach Konstruktion und Sicherheitsanforderungen kann das Steuergerät einen Isolationsmechanismus (z. B. einen Optokoppler) enthalten, um es vom Gleichstromausgang zu isolieren. Schaltnetzteile in Computern, Fernsehern und Videorekordern haben solche Optokoppler, um die Ausgangsspannung genau zu kontrollieren. ⓘ

Open-Loop-Regler haben keinen Rückkopplungskreis. Stattdessen speisen sie eine konstante Spannung in den Eingang des Transformators oder der Induktivität ein und gehen davon aus, dass die Ausgangsspannung korrekt sein wird. Geregelte Ausführungen kompensieren die Impedanz des Transformators oder der Spule. Monopolare Ausführungen kompensieren auch die magnetische Hysterese des Kerns. ⓘ

Der Rückkopplungskreis muss mit Strom versorgt werden, bevor er Strom erzeugen kann, daher wird eine zusätzliche nicht schaltende Stromversorgung für den Bereitschaftsbetrieb hinzugefügt. ⓘ

Aufbau des Transformators

Jedes Schaltnetzteil, das seinen Strom aus einer Wechselstromleitung bezieht (ein so genannter "Offline"-Wandler), benötigt einen Transformator zur galvanischen Trennung. Einige DC/DC-Wandler können auch einen Transformator enthalten, obwohl die Isolierung in diesen Fällen nicht kritisch ist. SMPS-Transformatoren arbeiten mit hoher Frequenz. Die meisten Kosteneinsparungen (und Platzeinsparungen) bei Offline-Stromversorgungen ergeben sich aus der geringeren Größe des Hochfrequenztransformators im Vergleich zu den früher verwendeten 50/60-Hz-Transformatoren. Es gibt zusätzliche Kompromisse bei der Konstruktion. ⓘ

Die Klemmenspannung eines Transformators ist proportional zu dem Produkt aus Kernfläche, magnetischem Fluss und Frequenz. Durch die Verwendung einer viel höheren Frequenz kann die Kernfläche (und damit die Masse des Kerns) stark reduziert werden. Allerdings nehmen die Kernverluste bei höheren Frequenzen zu. Für Kerne wird im Allgemeinen Ferritmaterial verwendet, das bei hohen Frequenzen und hohen Flussdichten einen geringen Verlust aufweist. Die laminierten Eisenkerne von Transformatoren mit niedrigeren Frequenzen (<400 Hz) würden bei Schaltfrequenzen von einigen Kilohertz unannehmbare Verluste aufweisen. Außerdem geht bei höheren Frequenzen mehr Energie bei den Übergängen des schaltenden Halbleiters verloren. Darüber hinaus muss dem physischen Layout der Leiterplatte mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden, da die parasitären Effekte an Bedeutung gewinnen und die elektromagnetischen Interferenzen ausgeprägter sind. ⓘ

Konventionelle Netzteile enthalten einen Netztransformator zur galvanischen Trennung und Spannungstransformation. Die mit Transformatoren über den Weicheisenkern maximal übertragbare Leistung steigt bei konstanter Frequenz etwa proportional zur Masse. Wird der Trafo mit höherer Frequenz betrieben, kann das gleiche Eisenvolumen mehr Leistung übertragen. Der Anstieg der spezifischen Leistung ist wieder etwa proportional zur Masse. Entsprechend gilt: Die Masse (Eisen- oder Ferritkern und Kupferwicklungen) des Trafos kann bei höherer Frequenz für gleiche Leistung deutlich verringert werden, wodurch das Netzteil leichter wird. ⓘ

Die Transformatorkerne von Schaltnetzteilen werden zur Verringerung der Hysterese- und Wirbelstromverluste aus Ferrit (ferromagnetische Keramik) oder aus Eisenpulver gefertigt. Die Wicklungen werden bei höheren Frequenzen wegen des Skineffektes als flaches Kupferband oder mittels Hochfrequenzlitze (parallelgeschaltete gegeneinander isolierte dünne Drähte) ausgeführt. Ein zur Übertragung von 4000 Watt geeigneter Transformator wiegt beispielsweise:

• bei 50 Hz etwa 25 kg
• bei 125 kHz dagegen nur 0,47 kg.

Die schnellen Strom- und Spannungsänderungen in Schaltnetzteilen führen zur Emission hochfrequenter Störspannungen, die Netzfilter, Abschirmungen und Ausgangsfilter erfordern, um die zulässigen Störfelder nicht zu überschreiten. ⓘ

Kupferverlust

Bei niedrigen Frequenzen (wie z. B. der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz) können die Entwickler den Skin-Effekt in der Regel ignorieren. Bei diesen Frequenzen ist der Skin-Effekt nur dann von Bedeutung, wenn die Leiter einen Durchmesser von mehr als 7,6 mm (0,3 Zoll) haben. ⓘ

Schaltnetzteile müssen dem Skin-Effekt mehr Aufmerksamkeit schenken, da er eine Quelle für Leistungsverluste ist. Bei 500 kHz beträgt die Skin-Tiefe in Kupfer etwa 0,076 mm (0,003 Zoll) - eine Abmessung, die kleiner ist als die der typischen Drähte, die in einem Netzteil verwendet werden. Der effektive Widerstand von Leitern nimmt zu, weil sich der Strom in der Nähe der Oberfläche des Leiters konzentriert und der innere Teil weniger Strom führt als bei niedrigen Frequenzen. ⓘ

Der Skin-Effekt wird durch die Oberschwingungen in den Hochgeschwindigkeits-Schaltwellenformen der Pulsweitenmodulation (PWM) noch verstärkt. Die angemessene Skin-Tiefe ist nicht nur die Tiefe bei der Grundwelle, sondern auch die Skin-Tiefen bei den Oberwellen. ⓘ

Neben dem Skin-Effekt gibt es auch einen Proximity-Effekt, der eine weitere Quelle für Leistungsverluste darstellt. ⓘ

Leistungsfaktor

Einfache Offline-Schaltnetzteile enthalten einen einfachen Vollwellengleichrichter, der mit einem großen Energiespeicherkondensator verbunden ist. Solche Schaltnetzteile entziehen dem Wechselstromnetz in kurzen Impulsen Strom, wenn die momentane Netzspannung die Spannung an diesem Kondensator übersteigt. Während des verbleibenden Teils des Wechselstromzyklus liefert der Kondensator Energie an das Netzteil. ⓘ

Infolgedessen hat der Eingangsstrom solcher einfachen Schaltnetzteile einen hohen Oberwellengehalt und einen relativ niedrigen Leistungsfaktor. Dies führt zu einer zusätzlichen Belastung der Versorgungsleitungen, erhöht die Erwärmung der Gebäudeverkabelung, der Versorgungstransformatoren und der Standard-Wechselstrom-Elektromotoren und kann in einigen Anwendungen, wie z. B. in Notstromaggregaten oder Flugzeuggeneratoren, Stabilitätsprobleme verursachen. Oberschwingungen können durch Filterung entfernt werden, aber die Filter sind teuer. Im Gegensatz zum Verschiebungsleistungsfaktor, der durch lineare induktive oder kapazitive Lasten entsteht, kann diese Verzerrung nicht durch Hinzufügen einer einzigen linearen Komponente korrigiert werden. Es sind zusätzliche Schaltungen erforderlich, um den Auswirkungen der kurzen Stromimpulse entgegenzuwirken. Der Einsatz einer stromgeregelten Aufwärts-Chopper-Stufe nach dem Offline-Gleichrichter (zum Laden des Speicherkondensators) kann den Leistungsfaktor korrigieren, erhöht aber die Komplexität und die Kosten. ⓘ

Im Jahr 2001 setzte die Europäische Union die Norm IEC 61000-3-2 in Kraft, um die Oberschwingungen des Eingangswechselstroms bis zur 40. Oberschwingung für Geräte über 75 W zu begrenzen. Die strengsten Grenzwerte (Klasse D) gelten für Personal Computer, Computermonitore und Fernsehempfänger. Um diese Anforderungen zu erfüllen, enthalten moderne Schaltnetzteile in der Regel eine zusätzliche Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC). ⓘ

Typen

Schaltnetzteile lassen sich nach der Schaltungstopologie einteilen. Die wichtigste Unterscheidung ist die zwischen isolierten und nicht isolierten Wandlern. ⓘ

Nicht-isolierte Topologien

Nicht isolierte Wandler sind am einfachsten, wobei die drei Grundtypen eine einzige Induktivität zur Energiespeicherung verwenden. In der Spalte für das Spannungsverhältnis ist D das Tastverhältnis des Wandlers und kann zwischen 0 und 1 variieren. Die Eingangsspannung (V₁) wird als größer als Null angenommen; wenn sie negativ ist, wird aus Gründen der Konsistenz die Ausgangsspannung (V₂) negiert. ⓘ

Typ	Typische Leistung [[[Watt (Einheit)|W]]]	Relative Kosten	Energiespeicherung	Spannungsverhältnis	Merkmale ⓘ
Buck	0–1,000	1.0	Einzelinduktor	0 ≤ Ausgang ≤ Eingang, $\scriptstyle V_{2}=DV_{1}$	Strom ist kontinuierlich am Ausgang.
Boost	0–5,000	1.0	Einzelinduktor	Ausgang ≥ Eingang, $\scriptstyle V_{2}={\frac {1}{1-D}}V_{1}$	Strom ist kontinuierlich am Eingang.
Buck-Boost	0–150	1.0	Einzelinduktor	Aus ≤ 0, $\scriptstyle V_{2}=-{\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Der Strom ist sowohl am Eingang als auch am Ausgang diskontinuierlich.
Split-Pi (oder Boost-Buck)	0–4,500	>2.0	Zwei Induktivitäten und drei Kondensatoren	Aufwärts oder abwärts	Bidirektionale Leistungssteuerung; Ein oder Aus.
Ćuk			Kondensator und zwei Induktivitäten	Beliebig invertiert, $\scriptstyle V_{2}=-{\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Der Strom ist am Eingang und am Ausgang kontinuierlich.
SEPIC			Kondensator und zwei Induktivitäten	Beliebig, $\scriptstyle V_{2}={\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Strom ist kontinuierlich am Eingang.
Zeta			Kondensator und zwei Induktivitäten	Beliebig, $\scriptstyle V_{2}={\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Strom ist kontinuierlich am Ausgang.
Ladungspumpe / geschalteter Kondensator			Nur Kondensatoren		Für die Umwandlung ist keine magnetische Energiespeicherung erforderlich, jedoch ist die hocheffiziente Energieverarbeitung normalerweise auf eine bestimmte Anzahl von Umwandlungsverhältnissen beschränkt.

Wenn die Geräte für Menschen zugänglich sind, gelten für die Sicherheitszertifizierung (UL-, CSA-, VDE-Zulassung) Spannungsgrenzen von ≤ 30 V (r.m.s.) AC oder ≤ 42,4 V peak oder ≤ 60 V DC und Leistungsgrenzen von 250 VA. ⓘ

Die Buck-, Boost- und Buck-Boost-Topologien sind alle eng miteinander verbunden. Eingang, Ausgang und Masse kommen an einem Punkt zusammen. Eine der drei Leitungen durchläuft auf dem Weg dorthin eine Induktivität, während die beiden anderen durch Schalter laufen. Einer der beiden Schalter muss aktiv sein (z. B. ein Transistor), während der andere eine Diode sein kann. Manchmal lässt sich die Topologie einfach durch Umetikettierung der Anschlüsse ändern. Ein Abwärtswandler mit einem Eingang von 12 V und einem Ausgang von 5 V kann in einen Abwärtswandler mit einem Eingang von 7 V und einem Ausgang von -5 V umgewandelt werden, indem der Ausgang geerdet und der Ausgang vom Erdungsstift abgenommen wird. ⓘ

Auch SEPIC- und Zeta-Wandler sind kleinere Abwandlungen des Ćuk-Wandlers. ⓘ

Die NPC-Topologie (neutral point clamped) wird in Stromversorgungen und aktiven Filtern verwendet und wird hier der Vollständigkeit halber erwähnt. ⓘ

Die Effizienz von Schaltern nimmt ab, wenn die Einschaltdauer extrem kurz wird. Bei großen Spannungsänderungen kann eine (isolierte) Transformator-Topologie besser sein. ⓘ

Isolierte Topologien

Alle isolierten Topologien enthalten einen Transformator und können daher durch Anpassung des Windungsverhältnisses eine höhere oder niedrigere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung erzeugen. Bei einigen Topologien können mehrere Wicklungen auf den Transformator gelegt werden, um mehrere Ausgangsspannungen zu erzeugen. Einige Wandler nutzen den Transformator zur Energiespeicherung, während andere eine separate Spule verwenden. ⓘ

Typ	Leistung [[[Watt (Einheit)|W]]]	Relative Kosten	Eingangsbereich [[[Volt|V]]]	Energiespeicherung	Merkmale ⓘ
Flyback	0–250	1.0	5–600	Gegenseitige Drosseln	Isolierte Form des Abwärts/Aufwärtswandlers
Ringdrosselwandler (RCC)	0–150	1.0	5–600	Transformator	Kostengünstige selbstoszillierende Sperrwandler-Variante
Halb-Vorwärts	0–250	1.2	5–500	Induktor
Vorwärts	100–200		60–200	Induktor	Isolierte Form des Abwärtswandlers
Resonanter Vorwärtswandler	0–60	1.0	60–400	Induktor und Kondensator	Single-Rail-Eingang, ungeregelter Ausgang, hoher Wirkungsgrad, geringe EMI.
Gegentakt	100–1,000	1.75	50–1,000	Induktor
Halbbrücke	0–2,000	1.9	50–1,000	Induktor
Vollbrücke	400–5,000	>2.0	50–1,000	Induktor	Sehr effiziente Nutzung des Transformators, für höchste Leistungen geeignet
Resonant, nullspannungsgeschaltet	>1,000	>2.0		Induktor und Kondensator
Isoliert Ćuk				Zwei Kondensatoren und zwei Induktivitäten

Nullspannungs-Schaltnetzteile benötigen nur kleine Kühlkörper, da nur wenig Energie als Wärme verloren geht. Dadurch können sie klein sein. Dieses ZVS kann mehr als 1 Kilowatt liefern. Der Transformator ist nicht abgebildet. ⓘ

• ^1 Das logarithmische Regelkreisverhalten des Sperrwandlers ist möglicherweise schwieriger zu steuern als das anderer Typen.
• ^2 Beim Durchflusswandler gibt es mehrere Varianten, die sich darin unterscheiden, wie der Transformator bei jedem Zyklus auf den magnetischen Fluss Null "zurückgesetzt" wird.

Chopper-Regler: Die Ausgangsspannung ist an den Eingang gekoppelt und wird daher sehr streng geregelt. ⓘ

Quasi-resonanter Null-Strom/Null-Spannungs-Schalter

Der quasi-resonante Schalter schaltet, wenn die Spannung ein Minimum erreicht hat und ein Tal erkannt wird. ⓘ

Bei einem quasi-resonanten Nullstrom-/Nullspannungsschalter (ZCS/ZVS) "liefert jeder Schaltzyklus ein quantisiertes 'Energiepaket' an den Wandlerausgang, und das Ein- und Ausschalten des Schalters erfolgt bei Strom und Spannung Null, was zu einem im Wesentlichen verlustfreien Schalter führt." Das quasi-resonante Schalten, auch bekannt als Talschaltung, reduziert die EMI in der Stromversorgung durch zwei Methoden:

1. Durch Schalten des bipolaren Schalters bei minimaler Spannung (im Tal), um den harten Schalteffekt, der EMI verursacht, zu minimieren.
2. Durch das Schalten, wenn ein Tal erkannt wird, und nicht bei einer festen Frequenz, wird ein natürlicher Frequenzjitter eingeführt, der das Spektrum der HF-Emissionen verteilt und die EMI insgesamt reduziert. ⓘ

Wirkungsgrad und EMI

Die höhere Eingangsspannung und der synchrone Gleichrichtungsmodus machen den Umwandlungsprozess effizienter. Auch die Leistungsaufnahme des Controllers muss berücksichtigt werden. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen eine Verkleinerung der Bauteile, können aber zu einer höheren Störstrahlung führen. Ein Resonanz-Durchflusswandler erzeugt die geringste EMI aller SMPS-Konzepte, da er im Vergleich zum herkömmlichen harten Schalten eine weich schaltende Resonanzwellenform verwendet. ⓘ

Fehlermöglichkeiten

Zu Ausfällen von Schaltkomponenten, Leiterplatten usw. lesen Sie bitte den Artikel Ausfallarten der Elektronik. ⓘ

Bei Stromversorgungen mit Kondensatoren, die unter der Kondensatorpest leiden, kann es zu einem vorzeitigen Ausfall kommen, wenn die Kapazität auf 4 % des ursprünglichen Wertes sinkt. Dies führt in der Regel dazu, dass der schaltende Halbleiter auf leitende Weise ausfällt. Dies kann dazu führen, dass die angeschlossenen Verbraucher der vollen Eingangsspannung und dem vollen Strom ausgesetzt sind und dass die Ausgangsleistung stark schwankt. ⓘ

Das Versagen des Schalttransistors ist häufig. Aufgrund der hohen Schaltspannungen, die dieser Transistor verarbeiten muss (ca. 325 V bei einer 230-V_AC-Netzversorgung), kommt es häufig zu einem Kurzschluss dieser Transistoren, was wiederum zum sofortigen Durchbrennen der internen Hauptstromsicherung führt. ⓘ

Vorsichtsmaßnahmen

Der Hauptfilterkondensator speichert oft bis zu 325 Volt, lange nachdem das Netzkabel aus der Wand gezogen wurde. Nicht alle Netzteile verfügen über einen kleinen "Entladewiderstand", der diesen Kondensator langsam entlädt. Jeder Kontakt mit diesem Kondensator kann zu einem schweren Stromschlag führen. ⓘ

Die Primär- und die Sekundärseite können mit einem Kondensator verbunden sein, um EMI zu reduzieren und verschiedene kapazitive Kopplungen im Wandlerkreis zu kompensieren, zu denen auch der Transformator gehört. Dies kann in einigen Fällen zu einem Stromschlag führen. Der Strom, der von der Leitung oder dem Nullleiter durch einen 2 kΩ-Widerstand zu jedem zugänglichen Teil fließt, muss gemäß IEC 60950 bei IT-Geräten weniger als 250 μA betragen. ⓘ

Anwendungen

Ladegerät für Mobiltelefone im geschalteten Betrieb ⓘ

Ein 450-Watt-Schaltnetzteil zur Verwendung in Personalcomputern mit sichtbarem Netzeingang, Lüfter und Ausgangskabeln ⓘ

Schaltnetzteile in Haushaltsgeräten wie Personalcomputern verfügen häufig über Universaleingänge, d. h., sie können weltweit mit Strom aus dem Netz versorgt werden, auch wenn ein manueller Spannungsbereichsschalter erforderlich sein kann. Schaltnetzteile können einen breiten Bereich von Netzfrequenzen und Spannungen tolerieren. ⓘ

Aufgrund ihrer hohen Stückzahlen waren Ladegeräte für Mobiltelefone schon immer besonders kostenbewusst. Bei den ersten Ladegeräten handelte es sich um lineare Netzteile, die jedoch schnell auf die kosteneffiziente SMPS-Topologie mit Ringdrosselwandler (RCC) umgestellt wurden, als neue Effizienzniveaus gefordert wurden. In jüngster Zeit hat die Nachfrage nach noch niedrigeren Leerlaufleistungsanforderungen in der Anwendung dazu geführt, dass die Flyback-Topologie in größerem Umfang eingesetzt wird; Flyback-Controller mit primärseitiger Abtastung tragen auch dazu bei, die Stückliste zu reduzieren, da sekundärseitige Abtastkomponenten wie Optokoppler entfallen. ⓘ

Schaltnetzteile werden auch für die DC/DC-Wandlung verwendet. In Automobilen, in denen schwere Fahrzeuge eine nominale 24-V-DC-Startversorgung verwenden, können 12 V für Zubehörteile über ein DC/DC-Schaltnetzteil bereitgestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass die 12-V-Last gleichmäßig auf alle Zellen der 24-V-Batterie verteilt wird, während die Batterie in der 12-V-Position angezapft wird (mit der Hälfte der Zellen). In industriellen Umgebungen, wie z. B. in Telekommunikationsschränken, kann die Hauptstromversorgung mit einer niedrigen Gleichspannung erfolgen (z. B. von einem Batterie-Backup-System), und die einzelnen Geräte verfügen über DC/DC-Schaltwandler, um die benötigten Spannungen zu liefern. ⓘ

Schaltnetzteile werden häufig als Kleinspannungsquellen für Beleuchtungszwecke verwendet und werden in diesem Zusammenhang oft als "elektronische Transformatoren" bezeichnet. ⓘ

Beispiele für Schaltnetzteile für Beleuchtungsanwendungen im Niederspannungsbereich, die als elektronische Transformatoren bezeichnet werden. ⓘ

Terminologie

Der Begriff Schaltnetzteil war weit verbreitet, bis Motorola die Marke SWITCHMODE für Produkte, die auf den Markt für Schaltnetzteile abzielen, für sich beanspruchte und begann, seine Marke durchzusetzen. Die Begriffe Schaltnetzteil, Schaltnetzteil und Schaltregler beziehen sich auf diese Art von Stromversorgungen. ⓘ

Einsatzgebiete

• Computernetzteile, Netzteile in Monitoren, Druckern und Fernsehgeräten
• Steckernetzteile (Stromversorgung von Geräten geringer Leistung, Ladegeräte für Mobiltelefone und Laptops)
• Elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen
• Gleichspannungsversorgungen aus dem Stromnetz, wenn es auf weltweiten Einsatz ankommt (Weitbereichseingang 100 bis 240 Volt Wechselspannung, 50 oder 60 Hz)
• Lichtbogenschweißgeräte
• Ladegeräte für Akkumulatoren vom Handyladegerät bis zur Ladestation für Großakkumulatoren z. B. für Traktionszwecke
• Frequenzumrichter, zur Steuerung von Wechsel- und Drehstrommotoren (3 Phasen)
• Solarwechselrichter sind eingangsgeregelt und versuchen die höchste Ausbeute der Solarzellen ins Stromnetz einzuspeisen
• Klasse-D-Verstärker basieren auf Schaltnetzteilen ⓘ

Schaltungsarten

Außer der Gleichrichtung der Netzspannung bestehen Schaltnetzteile aus einem galvanisch getrennten Gleichspannungswandler, sie werden auch zu den primär getakteten Wandlern gezählt. Die üblichen Topologien sind für aufsteigende Leistungen der Sperrwandler, Eintaktflusswandler und der Gegentaktflusswandler. Eine vollständige Auflistung der verschiedenen Topologien ist unter Gleichspannungswandler zusammengestellt. ⓘ

Sekundärgetaktete Schaltnetzteile sind eine für den allgemeinen Gebrauch veraltete Technik. Sie bestehen aus einem konventionellen Transformatornetzteil mit nachgeschaltetem Abwärtswandler anstelle des Längsreglers. Sie erreichen nicht die hohen Wirkungsgrade primärgetakteter Schaltungen. ⓘ

Bei Schaltnetzteilen, die wie PC-Netzteile mehrere Ausgangsspannungen erzeugen, kann der Schaltspannungsregler auf der Sekundärseite angebracht sein, da er dort die Ausgangsspannungen direkt überwachen kann. Die auf der Primärseite liegenden Schalttransistoren werden über eine galvanische Trennung wie Übertrager (Impulstransformatoren) oder Optokoppler vom Schaltspannungsregler (auch Schaltnetzteilkontroller) angesteuert. ⓘ