Sperrwandler ade

Der beliebte und preisgünstige Sperrwandler kann die Forderung kaum erfüllen, den Wirkungsgrad weiter zu steigern. Eine mögliche Alternative ist die Halbbrückenschaltung.

Der beliebte und preisgünstige Sperrwandler kann die Forderung kaum erfüllen, den Wirkungsgrad weiter zu steigern. Eine mögliche Alternative ist die Halbbrückenschaltung.

Die kostengünstigste und von den meisten Herstellern verwendete Schaltung für ein getaktetes Netzteil kleiner Leistung ist der Sperrwandler. Diese Schaltung hat aber eine Reihe gravierender Nachteile:

  • Hohe Spitzen- und Effektivströme in Leistungshalbleitern, Transformator und Kondensatoren.
  • Hohe Erwärmung aller Schaltungsteile inklusive der Leiterplatte durch die hohen Verluste, die von den hohen Effektivströmen verursacht werden.
  • Aufwendige Funkentstörung durch hohe und energiereiche Frequenzanteile der Ladeströme der Eingangs- und Ausgangskondensatoren.

Dies führt insgesamt zu einem relativ schlechten Wirkungsgrad der Energieumwandlung und verursacht einen erheblichen Stress in den elektronischen Komponenten – was die Betriebsdauer (MTBF – Mean Time Between Failure) der Netzteile stark reduziert. Weil die Ausfälle nicht bei der Typenprüfung, sondern erst im Betrieb geschehen, wird dieses Schaltnetzteilprinzip trotzdem immer noch sehr häufig in industriellen Anwendungen verwendet.

Die Top-100-Netzteile haben die höchste Leistungsdichte und die geringste Verlustleistung aller derzeit auf dem Markt erhältlichen Netzteile in offener Rahmenbauweise der Größe 102 mm × 51 mm. Sie können nach Schutzklasse I und II betrieben werden und sind mit Ausgangsspannungen von 3,3 V, 5 V, 12 V, 24 V und 48 V erhältlich. Die Netzteile erfüllen alle gängigen Anforderungen an Sicherheit, Funkstörfestigkeit und Funkentstörung inklusive Leistungsfaktor-Korrektur. Zusätzliche externe Netzfilter oder Sicherungen sind nicht erforderlich. Wegen des hohen Wirkungsgrads der Schaltung, der geringen Wärmeentwicklung und der ausschließlichen Verwendung von Bauteilen mit industriellem Qualitätsstandard wird eine außergewöhnlich hohe Zuverlässigkeit erreicht, die die herkömmlicher Sperrwandler-Netzteile um den Faktor 10 übertrifft. W. Woelfle/hs

Siehe auch:

Notebook-Netzteile: Herausforderung hoher Wirkungsgrad

Optimierungs-Potential bei der Synchrongleichrichtung

Das Top-100-Netzteil basiert auf einer resonant getakteten Halbbrückenschaltung nach Bild 2 mit sekundärer Speicherdrossel. Bei dieser Schaltung werden wesentlich größere Stromflusswinkel erreicht. Damit verbunden sind auch wesentlich geringere ohmsche Verluste in Trafo, Drossel und den Leistungshalbleitern.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades wird durch den Ersatz der Gleichrichterdioden auf der Sekundärseite durch FETs mit sehr niedrigem Einschaltwiderstand erreicht.

Die FETs müssen jedoch durch eine Ansteuerschaltung auf der Sekundärseite synchron zur Wechselspannung ein- und ausgeschaltet werden. Diese Synchrongleichrichtung hat sehr vorteilhafte Auswirkungen auf den Wirkungsgrad (Bild 3).

Übliche Sperrwandler-Netzteile mit 5 V Ausgangsspannung erreichen gerade einmal einen Wirkungsgrad von 76 bis 84 Prozent.

Das Top-100 mit Halbbrückenwandler erreicht bei höherer Leistung und gleichem Volumen bei Nennspannung 92 Prozent – und zwar in beiden Eingangsspannungsbereichen 115 und 230 V(AC).

Die Verlustleistung des Top-100-Netzteiles ist ca. 50 Prozent kleiner als bei einem Sperrwandler-Netzteil gleicher Größe.

Das Temperaturprofil eines Sperrwandler-Netzteiles zeigt deutlich die hohe Arbeitstemperatur der elektronischen Bauteile. Aus dem Wärmebild eines 60-W-Sperrwandler-Netzteils (Bild 1 links oben) geht hervor, dass große Bereiche auf der Bestückungsseite sehr heiß werden. Die auf den Kühlkörpern montierten Halbleiter auf der Netzanschlussseite und auf der Ausgangsseite erscheinen auf der Aufnahme weiß. Sie erreichen bereits bei Raumtemperatur etwa 100 °C. Wird dieses Netzteil in ein Gerät mit geringem Volumen eingebaut und ist die Luftzirkulation schwach, dann ist eine Überhitzung der Komponenten unausweichlich. Auf der Lötseite (Bild 1 links unten) sind auf dem Wärmebild Bereiche mit hohen Betriebstemperaturen zu erkennen. Insbesondere im Bereich des Transformators, der von den umgebenden Halbleitern sehr stark erhitzt wird, ist die Leiterplatte bereits bei Raumtemperatur sehr heiß. Auch bei den Ausgangsdioden ist die Temperatur der Leiterplatte hoch.

Wesentlich kühler ist dagegen das neue Top-100-Netzteil (Bild 1 rechts oben Bestückungsseite, unten Lötseite) von Tracopower – ein Halbbrücken-Schaltnetzteil. Bei gleicher Bauform (102 mm × 51 mm) kann es statt 60 W eine Leistung von 100 W abgeben. Das Prinzipschaltbild einer Halbbrückenschaltung (Bild 2 rechts) zeigt, dass doppelt so viele Leistungshalbleiter benötigt werden wie bei der Sperrwandler-Schaltung (Bild 2 links). Die Materialkosten eines solchen Netzteiles sind zwar etwas höher, aber dies wird kompensiert durch den höheren Wirkungsgrad und die deutlich reduzierte Ausfallwahrscheinlichkeit. Der Kostenunterschied wird durch günstiger werdende Halbleiter schrumpfen. Die MTBF-Berechnung nach IEC 61709 für ein übliches Sperrwandler-Netzteil kommt, unter Berücksichtigung der Stressfaktoren Spannung, Strom und Temperatur, auf höchstens 200 000 Stunden. Bei gleichem Volumen und gleichen Lastverhältnissen erreicht ein Netzteil mit Halbbrückenwandler eine MTBF von ca. 2 Mio. Stunden.