Stromversorgungen
Was ist ein Stromversorgungsmodul?
Die typische Antwort auf diese Frage ist die Definition eines Stromversorgungsmoduls als ein an das Stromnetz angeschlossenes Gerät, das andere Geräte mit Strom versorgt. Im Wesentlichen besteht seine Hauptfunktion in dem komplizierten Prozess der Umwandlung von rohem Wechselstrom (d. h. 230 V Wechselstrom) aus dem Netz - der in der Regel mit den weltweiten Versorgungsspannungen kompatibel ist, wobei Toleranzen, Einbrüche und Spitzen berücksichtigt werden - in eine niedrigere Gleich- oder Wechselspannung.
Einfach ausgedrückt, sind Netzteile Geräte zur Umwandlung der Netzspannung (der Spannung aus dem Stromnetz (Gleich- oder Wechselspannung)) in Spannungen anderer Klassen zur Versorgung elektronischer Geräte. Stromversorgungen können extern sein (in Form von separaten Modulen) oder in elektronische Geräte integriert werden und deren integraler Bestandteil sein.
Zu den wichtigsten Merkmalen eines gut konzipierten Stromversorgungsmoduls gehört die Fähigkeit, eine konstante Ausgangsspannung trotz Schwankungen der Eingangsspannung und des Laststroms aufrechtzuerhalten. Schnelle Laständerungen werden innerhalb der vorgesehenen Reaktionszeit des Regelkreises schnell berücksichtigt, wodurch die daraus resultierenden Ausgangsspannungstransienten minimiert werden. Darüber hinaus gewährleistet das Modul eine Sicherheitstrennung auf dem höchsten gesetzlich vorgeschriebenen Niveau für Standard-Netzspannungen, so dass selbst bei einem Ausfall einer einzelnen Komponente ein sicherer Grenzwert eingehalten wird.
Ein hochwertiges Design berücksichtigt auch Faktoren wie kontrollierte abgestrahlte und leitungsgebundene Störaussendungen, die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte und die Immunität gegenüber externen Störquellen. Darüber hinaus verfügt das Modul über mehrere Schutzschichten gegen interne Fehler, die das Risiko einer Ausgangsüberspannung, eines Komponentenausfalls, überhöhter Temperaturen, eines elektrischen Schlags oder potenzieller Brandgefahren mindern. Sentera bietet Stromversorgungen als separate Module an, um Geräte zu versorgen, die eine niedrige Eingangsspannung benötigen, z. B. Sensoren, Transmitter und Regler von Sentera.
Trotz des profanen Designs eines Netzteils ist es von großem Nutzen, seine internen Komponenten und die entscheidende Rolle zu verstehen, die sie bei der Isolierung der potenziell tödlichen Netzspannung von den für den Benutzer zugänglichen Anschlüssen spielen. Die Kenntnis der Feinheiten eines Netzteils ist besonders wichtig, wenn man die potenziellen Folgen von Fehlfunktionen bedenkt, da sie über bloße Unannehmlichkeiten hinausgehen und potenzielle Risiken für die angeschlossenen Geräte, wie z. B. ein teures Gerät, und vor allem für den unersetzlichen menschlichen Bediener darstellen.
Das Innere eines Netzgeräts stellt eine kritische Barriere dar, die den Benutzer vor der direkten Einwirkung gefährlicher Netzspannung schützt. Die Wertschätzung für diese interne Isolierung unterstreicht die Bedeutung einer zuverlässigen Konstruktion und qualitativ hochwertiger Komponenten innerhalb des Netzteils. Im Falle einer Störung können die Auswirkungen über bloße Unannehmlichkeiten hinausgehen. Ein fehlerhaftes Netzteil kann die Integrität der angeschlossenen Geräte gefährden und zu erheblichen finanziellen Verlusten führen, insbesondere bei teuren Sende- und Empfangsgeräten. Darüber hinaus ist die Sicherheit des menschlichen Bedieners, ein unersetzliches Kapital, von höchster Bedeutung und kann bei einem Ausfall der Stromversorgung gefährdet sein.
Typen von Stromversorgungen
Sentera bietet zwei Arten von Stromversorgungsmodulen an: Schaltnetzteile (SMPS) und lineare Stromversorgungen (LPS) oder Sicherheitstransformatoren.
Sentera bietet zwei Arten von Stromversorgungsmodulen an: Schaltnetzteile (SMPS) und lineare Stromversorgungen (LPS) oder Sicherheitstransformatoren.
Lineare VS-Schaltnetzteile
Die seit vielen Jahrzehnten überall in technischen Geräten eingesetzten linearen Stromversorgungen sind recht einfache und sogar primitive Geräte. Im Gegensatz zu den LPS sind die SMPS viel komplexere Geräte, die mit hohen Frequenzen arbeiten und aus zahlreichen aktiven und passiven Elementen bestehen.
Die ersten Schaltnetzteile (SMPS) kamen Ende der 1960er Jahre auf den Markt, und seither wurden diese Geräte bis heute intensiv weiterentwickelt. Die SMPS haben die älteren linearen Stromversorgungen (LPS) in den meisten Bereichen der Technik fast vollständig ersetzt. Sowohl lineare als auch Schaltnetzteile sind Geräte, die elektrische Energie umwandeln, um einen stabilen Ausgang zu liefern.
Im Zusammenhang mit netzbetriebenen Stromversorgungen verwendet ein "linearer" Typ einen 50-60 Hz Transformator, um die Netzwechselspannung zu isolieren und auf ein niedrigeres Niveau umzuwandeln. Ein Transformator ist ein Bauteil, das aus zwei Spulen besteht, deren Draht um einen Magnetkern gewickelt ist. Wenn ein Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, erzeugt er ein wechselndes Magnetfeld, das in der Sekundärwicklung einen Strom induziert. Die Anzahl der Drahtwindungen in jeder Wicklung bestimmt den Abschwächungs- oder Verstärkungsfaktor. Durch die Wahl des richtigen Transformators können Sie beispielsweise 230 VAC in 12 VAC umwandeln. Ein Transformator ist ein recht schweres Bauteil, was je nach Verwendungszweck berücksichtigt werden muss.
Ein Schaltnetzteil (SMPS) gleichrichtet das Netz normalerweise direkt, um eine hohe Gleichspannung zu erzeugen. Diese wird dann "zerhackt" und durch einen Hochfrequenztransformator geleitet, der für Isolierung und Umwandlung auf ein niedrigeres Spannungsniveau sorgt, wo sie gleichgerichtet und gefiltert wird. Die Regulierung wird in der Regel durch die Veränderung des Tastverhältnisses des Zerhackungsvorgangs erreicht.
Sind Schaltnetzteile ihren linearen Pendants überlegen?
Dank optimierter Technik sind Schaltnetzteile für die meisten Anwendungen geeignet. Ein lineares Netzteil kann nur eine Spannung erzeugen, die niedriger als die Eingangsspannung ist. Bei allen linearen Reglern muss die Eingangsspannung mindestens einen bestimmten Betrag über der Ausgangsspannung liegen. Diese wird als Drop-Out-Spannung bezeichnet. Die Drop-Out-Spannung ist der Parameter, der die Berechnungen für den Wirkungsgrad und die Verlustleistung im ungünstigsten Fall bestimmt.
SMPS
Schaltnetzteile sind jedoch nicht immer die beste Lösung. Ein Schaltnetzteil kann zwar sehr viel effizienter sein als ein lineares Netzteil, doch sein Nachteil ist das Rauschen, das es erzeugt. Hochfrequenzrauschen ist ein fester Bestandteil des Ausgangs eines Schaltnetzteils. Lineare Netzteile können um ein Vielfaches leiser sein als SMPS. Eine lineare Stromversorgung ist in der Regel eine Voraussetzung für sehr rauschempfindliche Analogschaltungen. Wenn ein maximaler Wirkungsgrad erforderlich ist, wird bei modernen Systemen häufig eine Spannung mit einem Schaltnetzteil auf einen Wert knapp über der Drop-Out-Spannung vorgeregelt und ein lineares Netzteil für die rauscharme Versorgung der analogen Schaltungen verwendet. Ein weiterer Nachteil von Schaltnetzteilen besteht darin, dass sie im Vergleich zu linearen Netzteilen in der Regel eine längere Erholungszeit nach einer großen sprunghaften Änderung des Laststroms oder einer sprunghaften Änderung der Eingangsspannung benötigen. Lineare Netzteile sind in der Regel die bessere Lösung für Anwendungen mit sehr geringem Stromverbrauch.
Das Schaltnetzteil schaltet den Schalter wiederholt mit hoher Geschwindigkeit ein und aus. Das verursacht durch das Schalten Rauschen. Lineare Stromversorgungen erzeugen dank der verwendeten Transformatortechnik weniger Rauschen als Schaltnetzteile.
Bei einem linearen Netzteil wird die Eingangsfrequenz aus einer Steckdose oder einer anderen Quelle direkt in den Transformator eingespeist, während bei einem Schaltnetzteil der Strom nach der Gleichrichtung als Hochfrequenzimpuls an den Transformator geschickt wird. Was die Energieeffizienz anbelangt, so bieten Schaltnetzteile eine hohe Energieeffizienz. Ein Schaltnetzteil ist effizienter, weil bei einem linearen Netzteil mehr Energie in Form von Wärme verloren geht. Andererseits reagieren lineare Netzteile schneller auf Lastschwankungen, da sie im Gegensatz zu Schaltnetzteilen durch die Reaktion der Reglerschaltung gesteuert werden. Daher werden die Gesamtkosten eines Schaltnetzteils bei steigendem Stromverbrauch geringer als die eines linearen Netzteils.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl zwischen linearen und getakteten Netzteilen von den spezifischen Anforderungen der Anwendung abhängt. Lineare Netzteile werden wegen ihrer Präzision und ihres geringen Rauschens bevorzugt, während sich Schaltnetzteile durch Effizienz, Kompaktheit und Gewichtseinsparung auszeichnen. Bei der Entscheidung geht es oft darum, diese Faktoren je nach den Prioritäten des Verwendungszwecks abzuwägen.