Von Hans-Jürgen Humbert
Heutige PCs konsumieren im Betrieb Leistun-gen von 300 bis 500 Watt. Während unser Stromnetz eine Spannung von 230 Volt bereit stellt, benötigen Computerchips Arbeitsspannungen von 12-, 5- und 3.3-Volt. Die Umwandlung der 230 Volt des Stromnetzes in die niedrigeren Spannungen für die Chips übernimmt das Netzteil im Computer.
Heute werden nur noch so genannte Schaltnetzteile in Computern eingesetzt. Wie arbeitet aber eigentlich ein Schaltnetzteil?
Um die hohe Spannung con 230 Volt des Stromnetzes auf die im Computer geforderten niedrigeren Werte von 12, 5 und 3,3 Volt herabzusetzen, werden die Spannungen herunter transformiert. Normalerweise geschieht das durch Netztransformatoren. Bei einer Wechselspannung von 50 Hertz allerdings müssen diese Trafos bei höheren Leistungen recht groß ausfallen. Bedenken Sie doch einmal, wie groß und schwer ein 200-Watt-Trafo für die Versorgung von Halogenlampen ist.
Heutige Computer dagegen benötigen dagegen mehr als 400 Watt. In dem ohnehin engen PC-Gehäuse ist dafür absolut klein Platz. Erschwerend kommt hinzu, dass die Computerchips in Hinsicht auf ihre Versorgungsspannung recht pingelig sind. Maximal darf die Betriebsspannung nur um fünf Prozent abweichen. Eine aufwändige Elektronik muss die Versorgungsspannung auf die geforderten Werte halten, was bei den geforderten hohen Strömen nicht gerade einfach ist.
Die Lösung: Ein Schaltnetzteil
Ein Schaltnetzteil besteht aus mehreren Funktionseinheiten. Zuerst wird die Netzspannung gleichgerichtet und gesiebt. Danach wird diese Gleichspannung wieder mit einer Transistorstufe zerhackt. Das geschieht mit einer sehr Frequenz von 35 bis 500 kHz. Dank dieser hohen Frequenz können nun über sehr kleine Transformatoren hohe Leistungen übertragen werden. Diese Transformatoren besitzen mehrere Wicklungen, so dass jeweils die gewünschten Sekundärspannungen erzeugt werden. Eine Elektronikschaltung sorgt in einem geschlossenen Regelkreis dafür, dass diese Spannungen auch konstant bleiben. Dazu ist aber immer eine gewisse Grundlast, also ein Stromverbraucher, notwendig. Ohne diese Last kann die Regelung nicht arbeiten. Die Spannungen auf der Primärseite laufen dann hoch und es kommt zu Spannungsüberschlägen - das Netzteil wird sofort zerstört. Deshalb darf man nie ein Schaltnetzteil ohne Verbraucher anschließen. In den so genannten Netzteiltestern sind Lastwiderstände eingebaut, die diese Grundlast bilden. Wegen der recht kleinen Widerstände dürfen diese Tester aber auch nur kurzzeitig verwendet werden, sonst brennen die Widerstände im Tester durch.
Aufgrund der verwendeten hohen Schaltfrequenzen können zudem die Siebkondensatoren auf der Sekundärseite auch recht klein ausfallen.
Ein Computer braucht nicht immer dieselbe Leistung. Bei aufwändig berechneten Grafiken und Spielen steigt die Stromaufnahme gewaltig an. Das Schaltnetzteil muss auch dann in der Lage sein, die geforderten Ströme zu liefern.
Power Factor Correction
Da sich im Eingang des Schaltnetzteils Halbleiter, nämlich Gleichrichterdioden, befinden, können so genannte Schaltspitzen ins Netz abgegeben werden. Das soll mit einer PFC (Power Factor Correction) gemildert werden. Im Prinzip reicht hierfür eine große Spule, die den Stromfluss aus dem Netz mehr oder weniger konstant hält. Große Spulen sind aber teuer, deswegen setzen die Hersteller verstärkt auf aktive PFCs. Im Prinzip handelt es sich dabei um ein weiteres Schaltnetzteil, dass die gleichgerichtete Netzspannung auf konstante 380 Volt hält. Erst diese Spannung wird dann dem eigentlichen Schaltnetzteil zugeführt.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von zugeführter zu abgegebener Leistung in Prozent an. Es dürfte jedem klar sein, dass ein Wirkungsgrad von 100 Prozent nicht zu erreichen ist. Denn jede Schaltung verbraucht auch für sich selbst ein wenig Energie. Zum Beispiel besitzt eine Induktivität, also eine Spule durch den Kupferdraht auch einen ohmschen Widerstand. In diesem Widerstand wird der Strom immer in Wärme umgewandelt und kann nichts mehr zur Energiebilanz beitragen. Auch Transistoren besitzen im durchgeschalteten Zustand einen geringen Restwiderstand. Auch hier wird der Strom in Wärme umgewandelt. Selbst Kondensatoren sind keine idealen Bauteile. Einmal sorgen kleine Leckströme dafür, dass immer ein Strom durch den Kondensator fließt und zum zweiten sind interne Widerstände für eine zusätzliche Aufheizung dieser Bauteile verantwortlich.
Je nach verwendeter Qualität der Bauteile lassen sich heute Schaltnetzteile mit Wirkungsgraden von 50 bis knapp 90 Prozent bauen. Aber ein hoher Wirkungsgrad hat seinen Preis. Zum Beispiel sind Transistoren mit geringen On-Widerständen recht teuer. Deshalb finden sie sich nur in hochwertigen teueren Schaltnetzteilen.