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Abschied vom Linearnetzteil

01  Viele Linearnetzteile verursachen eine Wärmeentwicklung im Gerätegehäuse – wo sie verbaut werden, wird zur Kühlung ein Lüfter benötigt. Nicht so bei den neuen Schaltnetzteilen - ihr Vorteil: Die Geräte werden kleiner (Bild: iStock_PatrikSlezak)

01  Viele Linearnetzteile verursachen eine Wärmeentwicklung im Gerätegehäuse – wo sie verbaut werden, wird zur Kühlung ein Lüfter benötigt. Nicht so bei den neuen Schaltnetzteilen – ihr Vorteil: Die Geräte werden kleiner (Bild: iStock_PatrikSlezak)

02  Bei den neuen Schaltnetzteilen von Daitron liegt  die Restwelligkeit auf dem Niveau von linear geregelten ­Netzteilen

02  Bei den neuen Schaltnetzteilen von Daitron liegt die Restwelligkeit auf dem Niveau von linear geregelten ­Netzteilen

03  Die geringe Temperaturentwicklung der Schaltnetzteile ermöglicht in Verbindung  mit dem geringeren Platzbedarf neue Designkonzepte

03  Die geringe Temperaturentwicklung der Schaltnetzteile ermöglicht in Verbindung mit dem geringeren Platzbedarf neue Designkonzepte

Vier Jahrzehnte – mindestens so lange galten Linearnetzteile als unangefochtene, alleinige Lösung für eine störungsfreie Energieversorgung von empfindlichen Geräten zur Durchführung von Mess-, Analyse- oder Prüfverfahren. Jetzt aber steht ein Generationenwechsel an: Neue, störungsarme Schaltnetzteile sind nicht nur schlanker, sondern bieten sich erstmals auch zur Realisierung maximal störungsarmer und kompakter Gerätekonstruktionen an.

Lineargeregelte Netzteile sind eine ganz spezielle Spezies von Transformatornetzteilen. Der einfachste Typus ist das ungeregelte System, das sich aus einem Dreiergespann ­zusammensetzt: Transformator, Gleichrichtung und Glättungskondensator. Ein System, das einen nicht unbedeutenden Nachteil in sich birgt: Netzspannungsschwankungen führen proportional zum Übersetzungsverhältnis des Transformators zu Schwankungen der DC-Ausgangsspannung. Zusätzlich führt der Unterschied von der Leerlauf- zur Lastspannung des Transformators zu einer Änderung der Ausgangsspannung.

Um diese stabil halten zu können, ist es daher Usus geworden, zusätzlich zu Transformator, Gleichrichtung und Kondensator einen Längsregler zu verbauen – ein Schaltungsteil, das alternativ diskret oder als fertiges Bauelement aufgebaut ist. Dieses stabilisiert in bestimmten Grenzen die DC-Ausgangsspannung, und zwar unabhängig von der AC-Eingangsspannung des Transformators. Diese Stabilisierung birgt jedoch Nachteile. So liegt der Wirkungsgrad eines ­Linearnetzteils in der Regel bei nur circa 50 % bis 60 %. Die Folge ist eine nicht unerhebliche Wärmeentwicklung im ­Gerätegehäuse und damit häufig die Notwendigkeit, zusätzlich einen Lüfter zur Kühlung zu verbauen (Bild 1).

Dinos vom Aussterben bedroht

Alle Transformatornetzteile, ob geregelt oder ungeregelt, ­haben eines gemeinsam – eine stattliche Größe und ein ­hohes Gewicht. Genau wie viele Dinosaurier, denen beides letztlich zum Verhängnis wurde. Soweit ist es bei den Linear­netzteilen noch nicht, aber ihre Spezies ist ebenfalls vom Aussterben bedroht. Denn die neue Generation der Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile, wie die von Daitron [1], ist nicht nur um ein Vielfaches leichter und kleiner (sie benötigen bis zu dreimal weniger Platz und bringen bis zu fünfmal weniger Gewicht auf die Waage), sondern vereinen die Vorteile von primär getakteten Netzteilen mit denen der längsgeregelten Systeme.

Der geringe Störpegel – häufig als „Ripple & Noise“ ­bezeichnet – liegt bei diesen Netzteilen bei <10 mVss und verursacht bei sensiblen Applikationen keine oder nur geringe Störungen der Nutzsignale. Für eben diese stellten die bisher angebotenen Standard-Schaltnetzteile keine Alternative dar, da bei ihnen der Störpegelwert je nach Ausgangsspannung meist zwischen 100 mVss und 200 mVss liegt.

Beispiele für solche Anwendungsfälle:

In all diesen Fällen galten bisher lineargeregelte Spannungsversorgungen als gesetzt. Und doch verlieren sie hier derzeit an Boden. Dazu Denny Vogel, Experte für Stromversorgungen und Leistungssteller bei der Systemtechnik Leber GmbH [2]: „Mittlerweile gibt es Schaltnetzteile, wie die von Daitron, bei denen die Restwelligkeit auf dem Niveau der linear geregelten Netzteile liegt (Bild 2). Damit spricht technologisch in vielen Fällen nichts mehr dagegen, diese Schaltnetzteile auch in sensible Mess-, Prüf- und Laborgeräte zu integrieren. Genauso wie in Audioprodukte, bildgebende Systeme oder Mikroskopie“. Die Vorteile der neuen Schaltnetzteile liegen auf der Hand:

Gerade Letzteres ermöglicht in Verbindung mit dem ­geringeren Platzbedarf (Bild 3) neue Designkonzepte.

Schaltnetzteil ist nicht gleich Schaltnetzteil

Dazu D. Vogel von Systemtechnik ­Leber: „Bei der Entwicklung ihrer neuen Schaltnetzteile haben sich die meisten Hersteller vor allem auf ­einen möglichst hohen Wirkungsgrad ­konzentriert und möglichst kompakt gebaut. Daitron hat jedoch einen ­weiteren Schwerpunkt gesetzt und großen Wert auf eine möglichst ,saubere‘ Ausgangsspannung gelegt. Nur diese jedoch ermöglicht es, längsgeregelte Linearnetzteile durch ein Schaltnetzteil zu ersetzen.“

So arbeiten die Daitron-Ulta-Low-Noise-Primär-Schaltnetzteile nach dem Prinzip der Resonanz-Mode-Technik im sogenannten Soft-Switching-Verfahren. Dieses „softe“ Schalten verursacht wesentlich weniger Störungen als das häufiger übliche harte Schalten mit steilen Flanken. Der geringe Störpegel hat zur Folge, dass auf zusätzliche Filterstufen – häufig erforderlich bei der Verwendung von Standardschaltnetzteilen – verzichtet werden kann.

Bedingt durch die gewählte Schaltungstopologie bieten die neuen Schaltnetzteile noch weitere Vorteile: So liegen sowohl die leitungsgebundenen als auch die abgestrahlten Störungen weit unterhalb der zulässigen Grenzwerte. Gleiches gilt für den Ableitstrom der bei 0,15 mA liegt, was ­speziell für medizinische Applikationen wichtig ist. Zudem sind die Netzteile konvektionsgekühlt, haben einen Betriebs­temperaturbereich von –10 °C bis 60 °C und sind sowohl für den Einsatz in der Industrie nach EN 60950-1 als auch im medizinischen Bereich nach EN 60601-1 zugelassen.

Ausblick

Viele Gerätehersteller haben die Vorteile dieser Schaltnetzteile bereits erkannt und damit begonnen, diese zunehmend auch in sensible Mess-, Prüf- und Laborgeräte zu integrieren. Nicht zuletzt auch deshalb, weil ihre Kunden kompakte und energieeffiziente Systeme fordern. Zwar wird es auch künftig Applikationen geben, wo ein Linearnetzteil vorteilhafter ist, aber das wird seltener als heute der Fall sein. (mh)


Literatur:
[1] Daitron Co., Ltd., Tokyo/Japan: www.daitron.co.jp/en
[2] Systemtechnik Leber GmbH & Co. KG, Schwaig: leber-ingenieure.de


Stefan Angele ist Geschäftsführer der Systemtechnik Leber GmbH & Co. KG in Schwaig.

Autor:
Stefan Angele ist Geschäftsführer der Systemtechnik Leber GmbH & Co. KG in Schwaig.