Netzteile: linear vs. getaktet

Bevor wir die zwei Bauformen anschauen, klären wir die Aufgabe. Ein Netzteil muss aus der Netzspannung eine Gleichspannung machen, die die nachgeschaltete Elektronik vertragen kann. Im Detail bedeutet das:

• Spannungspegel anpassen. 230 V Wechselspannung sind für die meisten Schaltungen viel zu hoch. Typisch werden intern 3,3 V, 5 V, 12 V oder 24 V gebraucht.
• Gleichspannung erzeugen. Aus Wechselspannung muss eine geglättete Gleichspannung werden.
• Stabilisieren. Die Ausgangsspannung soll sich kaum ändern, egal ob das Netz schwankt oder die Last steigt.
• Galvanische Trennung sicherstellen. Sekundärseitig darf keine direkte Verbindung zum Netz bestehen. Das schützt Anwender und nachgeschaltete Geräte.
• Wirkungsgrad einhalten. Was im Netzteil verloren geht, wird zu Wärme. Bei größeren Leistungen ist das wirtschaftlich und thermisch ein massiver Punkt.

Diese Aufgaben lassen sich auf zwei sehr unterschiedlichen Wegen lösen. Das Linearnetzteil arbeitet mit klassischem 50-Hz-Trafo und einem Längsregler. Das Schaltnetzteil zerhackt die gleichgerichtete Netzspannung im Hochfrequenzbereich und überträgt die Energie portionsweise. Was das im Detail bedeutet, sehen wir uns jetzt an.

Das klassische Linearnetzteil besteht aus vier hintereinandergeschalteten Stufen:

Netztrafo (50 Hz): Setzt die 230 V auf eine niedrigere Wechselspannung herunter und sorgt zugleich für die galvanische Trennung zum Netz. Aufbau und Funktion siehe Beitrag „Transformator – Aufbau und Funktion“.

Gleichrichter: Macht aus der Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung — meist als Brückengleichrichter. Details im Beitrag „Gleichrichterschaltungen“.

Glättungs-Elko: Ein großer Elektrolytkondensator parallel zur Last glättet die pulsierende Spannung. Mehr dazu im Beitrag „Lade- und Entladevorgang des Kondensators“.

Längsregler: Das eigentliche Herz des Linearnetzteils. Der Längsregler sits in Reihe (längs) zwischen Glättungs-Elko und Last und arbeitet wie ein elektronisch geregelter, variabler Widerstand. Steigt die Eingangsspannung oder sinkt die Last, regelt er stärker — die überschüssige Spannung fällt am Längstransistor ab. Am Ausgang liegt dadurch eine konstante Gleichspannung.

Typische Bauformen sind die 78xx-Reihe für positive Festspannungen (7805 = 5 V, 7812 = 12 V, …) und einstellbare Regler wie der LM317. Intern besitzen sie eine Referenzspannungsquelle, einen Vergleicher und einen Leistungstransistor.

Verlustleistung am Längsregler

Hier liegt der Pferdefuß. Der Längsregler vernichtet die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung als Wärme:

Ein Zahlenbeispiel zeigt es: 1 A Strom, 12 V Eingang, 5 V Ausgang — 7 V × 1 A = 7 W gehen am Längsregler in Wärme. Die Last bekommt 5 V × 1 A = 5 W. Vom Glättungs-Elko kommen 12 W herein, davon werden 7 W verheizt — der Wirkungsgrad liegt knapp über 40 %.

Das getaktete Netzteil verfolgt einen radikal anderen Ansatz: Statt Spannung kontinuierlich abzuregeln, wird sie hochfrequent geschaltet — typisch zwischen 50 kHz und 500 kHz. Die einzelnen Stufen:

EMV-Filter am Eingang. Eine Drossel mit X- und Y-Kondensatoren am Netzanschluss. Das EMV-Filter verhindert, dass die hochfrequenten Schaltimpulse aus dem Netzteil zurück ins Stromnetz gelangen und dort andere Geräte stören. Ohne dieses Filter bestünde keine Chance auf CE-Konformität nach den geltenden EMV-Vorschriften.

Netzgleichrichter mit Zwischenkreis-Elko. Die 230 V Wechselspannung werden direkt — ohne 50-Hz-Trafo — gleichgerichtet und an einem Elko geglättet. Im Zwischenkreis liegen etwa 325 V Gleichspannung (Spitzenwert von 230 V × √2).

Schalttransistor. Ein schneller MOSFET oder IGBT zerhackt diese Gleichspannung im Kilohertz-Bereich. Er kennt nur zwei Zustände: voll durchgeschaltet (Spannungsabfall fast null) oder voll gesperrt (Strom fast null). In beiden Zuständen ist die Verlustleistung im Transistor klein — das ist der Grund für den hohen Wirkungsgrad.

HF-Trafo mit Ferritkern. Der HF-Trafo überträgt die hochfrequenten Impulse auf die Sekundärseite und sorgt gleichzeitig für die galvanische Trennung. Weil die Frequenz hoch ist, kann der Kern winzig sein — ein Schaltnetzteil-Trafo für 100 W passt bequem in eine Streichholzschachtel.

Sekundärgleichrichter und Glättung. Schnelle Dioden richten die HF-Impulse gleich, ein Elko und meist eine kleine LC-Glättung erzeugen am Ende eine saubere Gleichspannung.

Regelung über Optokoppler. Eine Schaltung auf der Sekundärseite misst die Ausgangsspannung und meldet Abweichungen über einen Optokoppler an den Schaltregler auf der Primärseite. Die Lichtstrecke bewahrt dabei die galvanische Trennung.

Pulsweitenmodulation als Stellgröße

Wie regelt das Netzteil seine Ausgangsspannung? Indem es das Tastverhältnis des Schalttransistors anpasst.

Bei höherer Last oder sinkender Eingangsspannung wird die Einschaltdauer pro Schaltperiode verlängert (Tastverhältnis steigt) — pro Zeit fließt mehr Energie zur Sekundärseite. Bei niedrigerer Last sinkt das Tastverhältnis. Die Schaltfrequenz selbst bleibt dabei meist konstant. Dieses Verfahren — Schalter ist immer ganz auf oder ganz zu, geregelt wird über die Pulsweite — heißt Pulsweitenmodulation (PWM) und ist das Stellprinzip jedes klassischen Schaltnetzteils.

Jetzt haben wir beide Konzepte. Auf den Punkt gebracht unterscheiden sie sich in fünf Bereichen:

Wirkungsgrad als zentrales Unterscheidungsmerkmal

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung:

Die Differenz P_ein − P_aus ist Verlustleistung — und die wird als Wärme abgeführt. Bei einem Linearnetzteil mit 40 % Wirkungsgrad, das 50 W an die Last liefert, beträgt die Eingangsleistung P_ein = 50 / 0,4 = 125 W. Davon werden 75 W als Wärme abgegeben — also mehr als die nutzbare Leistung selbst. Ein Schaltnetzteil mit 90 % Wirkungsgrad zieht für dieselbe Aufgabe nur 55,6 W und produziert lediglich 5,6 W Wärme.

Welligkeit, EMV, Baugröße

Hier dreht sich der Vorteil zum Teil um. Linearnetzteile liefern eine sehr saubere Gleichspannung — die Welligkeit liegt oft im Millivolt-Bereich, kaum Hochfrequenzanteile. Schaltnetzteile bringen prinzipbedingt einen HF-Ripple mit, der nur durch sorgfältige Filterung in den Griff zu bekommen ist. Wer empfindliche Audio- oder Messelektronik versorgen will, schätzt das Linearnetzteil deshalb noch heute.

Dazu kommt die elektromagnetische Verträglichkeit. Ein Schaltnetzteil ohne EMV-Filter strahlt seine Schaltflanken in die Umgebung und ins Netz ab — beides ist nach den geltenden Normen unzulässig.

Bei Baugröße und Gewicht ist die Sache klar: Ein 100-W-Linearnetzteil mit 50-Hz-Trafo wiegt schnell mehrere Kilogramm. Ein modernes Schaltnetzteil derselben Leistung passt in eine Hosentasche und wiegt unter 200 Gramm. Genau diese Eigenschaft hat Schaltnetzteile in allen mobilen Geräten zum Standard gemacht.

Welches Konzept wann? In den meisten realen Anwendungen liegt die Antwort klar auf der Hand:

Wenn das Linearnetzteil noch passt:

• Kleine Leistungen unter etwa 10 W
• Rauscharme Anwendungen — Audio-Vorstufen, Mikrofonverstärker, präzise Messgeräte
• Labornetzgeräte mit feinster Spannungseinstellung und sauberer Charakteristik
• Eingangsspannung schon nahe der Ausgangsspannung (Low-Dropout-Regler statt 78xx)
• Reparaturen alter Geräte, wo Ersatzteilkompatibilität zählt

Wenn das Schaltnetzteil die bessere Wahl ist:

• Leistungen ab etwa 20 W aufwärts — alles darüber wäre linear nicht mehr wirtschaftlich
• Mobile, batteriebetriebene oder kompakte Geräte
• Anwendungen mit weitem Eingangsspannungsbereich (etwa 90–264 V Universalnetzteile)
• Wenn Bauraum oder Gewicht eine Rolle spielen
• Wo Wärmeentwicklung im Schaltschrank vermieden werden muss