Lernfeld 5 · Prüfung Teil 2

Lineare Netzteile, Schaltnetzteile und Stromrichter

Lineare Netzteile, Schaltnetzteile und Stromrichter: Aufbau, Verlustleistung, Dropout, Glättung, Tastgrad und die richtige Wahl für den Kunden.

15 Aufgaben dazu übenKostenlos, ohne Anmeldung, mit Lösungsweg

Darum geht es

Ein lineares Netzteil besteht aus Sicherung, 50-Hz-Transformator, Gleichrichter, Ladekondensator und Längsregler. Der Transformator trennt galvanisch vom Netz und setzt die Spannung herab, der Ladekondensator glättet, der Regler hält die Ausgangsspannung konstant. Am Regler fällt die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung ab, und durch ihn fließt der volle Laststrom. Deshalb wird er heiß, und der Wirkungsgrad ist schlecht, sobald die Differenz groß ist. Damit der Regler noch arbeitet, muss die Eingangsspannung auch im Brummtal mindestens um die Dropout-Spannung über der Ausgangsspannung liegen.

Ein Schaltnetzteil richtet die Netzspannung direkt gleich und zerhackt sie mit einem MOSFET im Kilohertzbereich. Bei dieser Frequenz reicht ein kleiner Ferritübertrager, und der Wirkungsgrad liegt meist über 85 %. Geregelt wird über den Tastgrad, also den Anteil der Einschaltzeit an der Periode; ein Optokoppler meldet die Ausgangsspannung über die Isolationsgrenze zurück. Nicht isolierte Gleichspannungswandler wie der Abwärtswandler (Buck) arbeiten nach demselben Prinzip mit Schalter, Drossel, Freilaufdiode und Kondensator.

Für die Kundenberatung zählen Leistung, Bauraum, Störarmut und Kosten. Lineare Netzteile sind ruhig und robust, aber schwer und verlustreich. Schaltnetzteile sind klein und sparsam, brauchen aber gute Filter, damit sie die EMV-Grenzwerte einhalten. Datenblattangaben wie Weitbereichseingang, aktive PFC, Hold-up Time und Derating gehören zur Auswahl dazu.

Das solltest du dir merken

Verlustleistung des Linearreglers ist Spannungsdifferenz mal Laststrom.
Die Dropout-Spannung muss auch im tiefsten Punkt der Brummspannung eingehalten sein.
Bei der Brückenschaltung wird der Ladekondensator mit 100 Hz nachgeladen, bei Einweg nur mit 50 Hz.
Beim idealen Abwärtswandler ist der Tastgrad Ausgangs- durch Eingangsspannung.
Schaltnetzteile sind klein, weil der Übertrager mit hoher Frequenz arbeitet.

Formeln

Verlustleistung am Linearregler: $P_{V} = (U_{E} - U_{A}) \cdot I$; $P_{V}$ Verlustleistung in W, $U_{E}$ Eingangs- und $U_{A}$ Ausgangsspannung in V, $I$ Laststrom in A
Brummspannung hinter dem Brückengleichrichter (Näherung): $Δ U \approx \frac{I}{2 \cdot f \cdot C}$; $Δ U$ Brummspannung Spitze-Spitze in V, $I$ Laststrom in A, $f$ Netzfrequenz in Hz, $C$ Ladekapazität in F
Tastgrad des idealen Abwärtswandlers: $D = \frac{U _{A}}{U _{E}}$; $D$ Tastgrad (Einschaltzeit durch Periodendauer), $U_{A}$ Ausgangs- und $U_{E}$ Eingangsspannung in V
Aufgenommene Leistung aus dem Wirkungsgrad: $P_{auf} = \frac{P _{ab}}{η}$; $P_{auf}$ aufgenommene und $P_{ab}$ abgegebene Leistung in W, $η$ Wirkungsgrad

Typische Fehler in der Prüfung

Mit der Eingangsspannung statt mit der Spannungsdifferenz die Verlustleistung des Reglers berechnet.
Bei der Brückenschaltung den Faktor 2 in der Glättungsformel vergessen.
Beim Abwärtswandler den Tastgrad umgekehrt als Eingangs- durch Ausgangsspannung gebildet.
Die Wirkleistung durch den Wirkungsgrad geteilt, wo multipliziert werden müsste, oder umgekehrt.

Tipps aus der Werkstatt

Beim Linearregler zählt nur die Spannung, die am Regler selbst abfällt: Eingang minus Ausgang, mal Laststrom. 12 V auf 5 V bei 1 A sind schon 7 W Wärme. Und die Dropout-Spannung muss auch im tiefsten Punkt der Brummspannung noch eingehalten sein, nicht nur im Mittelwert.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

15 Aufgaben zu „Lineare Netzteile, Schaltnetzteile und Stromrichter“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

Jetzt üben

Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Geräte und Systeme (2003 i. d. F. 2018), Lernfeld 5 (Elektroenergieversorgung für Geräte und Systeme realisieren und deren Sicherheit gewährleisten). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.