Erklärt - Wie funktioniert ein Netzteil

Saibot

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01. 12. 2016
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Einleitung


Das PC-Netzteil ist eins der wichtigsten Komponenten in einem PC. Vielen Menschen ist dieses nicht so bewusst, wie es vielleicht sein sollte. Wird zu einem falschen Netzteil gegriffen, das schlecht Verarbeitet ist und ohne Schutzmaßnahmen daher kommt, können Bauteile im PC beschädigt oder sogar zerstört werden.

Da die PC-Komponenten unterschiedliche Spannungen benötigen und nicht mit 230 Volt laufen, wandelt das PC-Netzteil diese in eine niedrigere Spannung um. Des Weiteren haben wir in unseren Steckdosen, neben den 230 Volt, nicht die benötigte Gleichspannung, sondern eine Wechselspannung. Bei der Wechselspannung schwankt die elektrische Spannung wellenförmig zwischen einem Spitzenwert von +325 Volt und -325 Volt mit einer Frequenz von 50 Hertz. Daraus ergibt sich ein Effektivwert von 230 Volt.

In unserem PC benötigen wir drei verschiedene Gleichspannungen, die da wären 3,3 Volt, 5 Volt und 12 Volt. Für PCI-Express Steckplätze benötigen wir zum Beispiel 3,3 Volt. SATA-Laufwerke benötigen 3,3 Volt, 5 Volt und 12 Volt. SSDs benötigen allerdings keine 12 Volt Spannung mehr, da sie keinen Motor wie eine Magnetfestplatte verbaut haben. Einige Laufwerke und der USB-Anschluss benötigen 5 Volt, sogar Prozessoren liefen früher mit einer Spannung von 5 Volt. Aktuell sieht das aber anders aus, um moderne Prozessoren betreiben zu können, benötigen wir eine 12 Volt Spannung. Diese wird aber nicht direkt in den Prozessor eingespeisst, sondern fließt vorher über das Mainboard zu den Spannungswandlern (MOSFET/VRM). Dort wird die 12 Volt Spannung, in die von dem Prozessor benötigte Spannung umgewandelt, die deutlich niedriger ist und sich aktuell in einem Rahmen von 0,7 – 1,4 Volt bewegt.


Damit unser PC-Netzteil diese 230 Volt Wechselspannung in die benötigten Gleichspannungen, die wir für unsere Komponenten benötigen umwandeln kann, muss der Netzteilhersteller auf bestimmte Bauteile zurückgreifen. In weiteren Verlauf, werden wir genauer auf diese Bauteile eingehen und erklären wie diese Funktionieren.


Wirkungsgrad

Bevor wir uns die Komponenten anschauen, werfen wir noch einen Blick auf den Wirkungsgrad des Schaltnetzteils. Schaltnetzteile werden durch ihren Wirkungsgrad von einander abgestuft. Der Wirkungsgrad, der auf vielen Netzteilen mittlerweile angegeben ist, wird in Prozent angegeben. Angegeben wird der Wirkungsgrad in verschiedenen Lastzuständen. Die Lastzustände können sich zwischen 0 und 100 Prozent bewegen. Die höchste Effiziens liegt bei 50 Prozent Auslastung. So ist ein Schaltnetzteil, das eine maximale Leistung von 850 Watt hat, bei 425 Watt am Effizientesten. Aktuell liegen die Effizientesten Netzteile, mit der 80 Plus Titanium Zertifizierung, bei 96 Prozent Effiziens bei einer Spannung von 230 Volt. Eine 100 Prozentige Effiziens kann es allerdings nicht geben, da das Netzteil immer etwas Energie für sich benötigt und als Wärme abgibt.

Zurzeit gibt es fünf verschiedene 80 Plus Zertifizierungen. Dabei handelt es sich um die 80 Plus Titanium, 80 Plus Platinium, 80 Plus Gold, 80 Plus Silber, 80 Plus Bronze und 80 Plus Zertifizierung. Die Zertifikate werden bei einer Spannung von 115 Volt zertifiziert. Die Effizienz bei 230 Volt ist etwas höher.


Der Aufbau

Als nächstes schauen wir uns den Aufbau eines Schaltnetzteils an. Auf der Abbildung ist ein offenes PC-Netzteil zu erkennen. Dabei handelt es sich um ein aktuelles Modell mit einer Gesamtleistung von 850 Watt von Thermaltake.



Damit das Netzteil die Eingangsspannung von 230 Volt in eine Gleichspannung von 12 Volt umwandeln kann, benötigen wir einige Zwischenschritte. Der erste Schritt ist der Filter, der Störungen herausfiltert und somit die Komponenten vor Beschädigungen schützt. Danach wird mithilfe von Dioden die Spannung gleichgerichtet und anschließend von Kondensatoren gesiebt. Nach dem die Spannung gleichgerichtet und gesiebt wurde, durchläuft die den Transistor und den Transformator. Zum Schluss wird die Spannung nochmal von Dioden gleichgerichtet und erneut gesiebt.


Der EMI-Filter

Der EMI-Filter (Electromagnetic interference) oder auch Netzfilter genannt, siebt elektronische Interferenzen aus der Eingangsspannung herraus. Dabei handelt es sich um eine elektronische Schaltung, die dafür sorgt das die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert wird. Netzfilter sind in vielen Geräten verbaut, dabei Sprechen wir nicht nur von PC-Netzteilen, sondern auch von Fernseher, Monitoren oder auch Ladegeräten für das Smartphone.



Der EMI-Filter besteht hauptsächlich aus Drosseln, Spulen und Kondensatoren. Aktive Elemente wie Transistoren kommen dabei nicht zum Einsatz. Bei der Drossel sind mehrere Wicklungen auf schwer oder nicht leitfähigen Werkstoffen(Ferritring) untergebracht. Die Drosseln sorgen dafür, das asymmetrische oder Gleichtaktströme unterdrückt werden die auf den Leitungen in gleicher Richtung fließen. Anders sieht es beim Betriebsstrom aus, dieser läuft in entgegengesetzer Richtung und stellt nur eine geringe Induktivität dar. Drosseln ist es nicht möglich einen Gegentaktstörung zu unterbinden, da die Magnetfelder des Gegentaktstroms sich untereinander aufheben.

Der EMI-Filter kann hohe Frequenzen oder niedrige Frequenzen herausfiltern, die sogenannten Hochpass- und Tiefpassfilter.

Der Gleichrichter und Diode

Der Gleichrichter dient der Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung und ist damit ein entscheidender Bestandteil in einem Schaltnetzteil, da die PC-Komponenten nur mit Gleichstrom funktionieren.

Da bei der Wechselspannung die Spannungskurve sinusförmig verläuft und damit die Spannung sinkt und wieder ansteigt, ergeben sich dadurch Richtungswechsel der Elektronen. Der Gleichrichter sorgt dafür das der Strom nur in eine Richtung fließt und die Spannungen konstant sind.

Dafür bieten sich vor allem Dioden an, da sie mit einer Durchlasspolung oder einer Sperrpolung betrieben werden kann. Die Diode ist in der Lage, den Strom in eine Richtung fließen zu lassen. Dazu lässt sie den Strom in eine Richtung zu und sperrt die andere Richtung (p-n-Übergang).

Bindet man die Diode in eine elekrische Schaltung ein, fließt der Strom nur noch in eine Richtung. Daher wird diese Schaltungsart auch Einweg-Gleichrichterschaltung oder Einpuls-Mittelpunktschaltung genannt.

Mit der Diode gibt es dann auch keine Halbwelle in der Wechselspannung mehr. Bevor wir aber von einer Gleichspannung reden können, müssen noch weitere Abläufe stattfinden, da der Strom noch nicht konstant fließt und es sich somit noch um eine Mischspannung aus Gleich- und Wechselstrom handelt.


Leistungskorrekturfilter (PFC)

Hinter dem Gleichrichter befindet sich der Leistungskorrekturfilter oder in Englisch Power Factor Compensation kurz PFC genannt. Dieser wird benötigt, da nach dem Gleichrichter bei der sinusförmigen Wechselspannungsversorgung phasenverschobene Eingangsströme auftreten. Diese Oberschwingungen, die sich aus der Summe der höherfrequenten Anteile zusammensetz, können bei elektrischen Geräten zu Störungen führen.

Es gibt aktive und passive PFC. Die aktiven PFC benötigen aufwändigere Schaltungen wie die passive PFC, da ein Art zusätzliches Schaltnetzteil benötigt wird. Dieses Schaltnetzteil sorgt dafür das der aufgenommene Strom der sinusförmigen Netzspannung entspricht. Da die Spannung nicht häufig sinusförmig in den Stromnetzen vorkommt wird der Verlauf der Netzspannung nachgefahren. Die aktive PFC hat neben dem zusätzlichen Schaltnetzteil auch einen Gleichrichter mit einem Aufwärtswandler, der die Kondensatoren auf eine Spannung die über der Scheitelspannung liegt auflädt. Die Scheitelspannunng der Netzwechselspannung liegt bei 350-400 Volt. Mit dem aufgeladenen Kondensator kann die aktive PFC die Netzspannungsschwankungen ausgleichen. Die aktive PFC kann eine Wirkleistung von bis zu 99 Prozent haben und einen Wirkungsgrad von mindestens 80 Prozent. Dabei verbraucht sie auch weniger Strom und verursacht auch weniger Abwärme. Der Nachteil liegt in den höheren Kosten und der Anfälligkeit für Störungen.

Die passive PFC ist ist nicht so komplex, daher auch einfacher herzustellen und kostengünstiger. Bei der passiven PFC handelt es sich um Drosseln mit einer großen Induktivität. Im Vergleich zu der aktiven PFC, liefert die passive PFC nicht so gute Ergebnisse beim Glätten der Spannungen. Eingesetzt werden diese auch nur dort wo geringe Leistungen benötigt werden, da die Drosseln schwer und groß sind. Die Alternative dazu sind spezielle Schaltungsvarianten. Durch spezielle Verschaltung der Glättungskondensatoren kann der Filter aber auch ohne große Drosseln realisiert werden. Der Wirkungsleistung der passiven PFC liegt bei 70 – 80 Prozent und ist damit niedriger wie bei der aktiven PFC. Auch der Wirkungsgrad ist niedriger wie bei der aktiven PFC und liegt bei 30 – 40 Prozent. Dafür ist sie allerdings günstiger in der Herstellung und nicht so anfällig für Störungen. Allerdings benötigt sie eine bessere Kühlung und verbraucht auch mehr Strom.

In hochwertigen PC-Netzteilen werden meistens aktive PFCs eingesetzt, da von den meisten Käufern eine geringere Laustärke bevorzugt wird und dies mit einer aktiven PFC leichter umzusetzen ist.

Der Kondensator



Geglättet wird die Spannung von einem Kondensator. Der Kondensator besteht aus zwei leitfähigen Materialien, die durch ein nicht leitfähiges Material (Dielektrium) getrennt werden. Kondensatoren können die elektrische Ladung speichern, in dem sie sich aufladen. Der Kondensator lädt sich solange auf, bis die Spannung im Kondensator mit der sich anliegenden Spannung gleich ist. Wenn keine Spannung mehr anliegt, gibt der Kondensator seine gespeicherte Energie an den Verbraucher ab. Somit gleicht der Kondensator die Zeit zwischen den Schwingungen der anliegenden Spannung aus und glättet diese.

Des Weiteren gibt unterschiedliche große Kondensatoren, die eine gewisse elektrische Spannung speichern können. Angegeben wird die maximale Speicherkapazität in Farad. Auf dem Bild, was sich über diesem Text befindet, erkennen wir, dass der abgebildete Kondensator 680 Mikrofarad speichern kann. 680 Mikrofarad entsprechen 6,8×10-4 Farad. Dementsprechend muss der Netzteilhersteller die Größe des Kondensators an die benötigte Leistung anpassen.


Der Transistor



Beim Transistor handelt es sich um ein elektronisches Halbleiterbauelement. Dieses steuert niedrige Spannungen und Ströme. Er ist im Netzteil einer der wichtigsten Bestandteile und dient als Ein- und Ausschalter.

Allerdings gibt es einige unterschiedliche Transistoren die je nach Einsatzzweck verwendet werden. Im Schaltnetzteil im Computer werden Bipolare- und Feldeffekttransistoren (FET) verwendet.

Beide Transistorarten haben insgesamt drei Anschlüsse (siehe Bild). Bei den Anschlüssen handelt es sich um den Gate-Anschluss, der als Steueranschluss dient, Drain und Source. Die Drain, was soviel wie Senke oder Abfluss heißt, wird durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Wird eine Spannung von 0,7 Volt auf den Gate-Anschluss gelegt, so wird der Schalter aktiviert und die Elektroden können durch den Transistor fließen.

Der Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten, die auch mit NPN (Negativ-Positiv-Negativ) bezeichnet werden. Das P steht dabei für die mittlere Schicht die sehr dünn ist. Durch diese wird nur ein kleiner Teil der Elektroden angezogen und der großteil wandert in die obere Schicht. Nach der Glättung durch den Kondensator sorgt der Transistor dafür, dass die Gleichspannung in eine rechteckförmige Wechselspannung umgewandelt wird. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt 50 – 100 kHz. Durch die hohe Frequenz kann der Transformator, den wir im nächsten Schritt benötigen, kleiner sein wie mit einer niedrigen Frequenz.

Der Transformator



Der Transformator, das gelbe Bauteil auf der Abbildung, verringert die vorhandene Spannung. In dem Transformator sind zwei oder mehr Spulen und ein Kern der aus Eisen oder Ferrit besteht. Dank der Anzahl der Wicklungen und dem magnetischen Kern ist es erst möglich die Spannung zu verringern.

Wir unterscheiden zwischen der Primärspule und der Sekundärspule. An der Primärspule liegt die Wechselspannung, die vom Transistor kommt, an. Durch die anliegende Wechselspannung entsteht ein magnetisches Feld, welches der magnetische Kern einfängt und damit die Verlustleistung zwischen den Spulen reduziert. Dadurch wird ein magnetischer Fluss im Kern erzeugt, der in der Sekundärspule eine Spannung erzeugt. Mit einer unterschiedlichen Wicklung der Spulen lässt sich die benötigte Spannung erzeugen. So ist die Größe der Primärwicklung, in einem PC-Netzteil, zwanzigmal größer wie die der Sekundärwicklung. Dadurch ist das Verhältnis bei 20:1 und eine Spannung von 240 Volt wird auf die benötigte 12 Volt Spannung transformiert. Allerdings benötigen unsere Komponenten nicht nur 12 Volt, sondern auch 5 Volt und 3,3 Volt. Daher müssen entweder mehrere Transformatoren verbaut werden oder nur ein Transformator der drei Sekundärwicklungen besitzt im passenden Verhältnis. Das Prinzip funktioniert auch umgekehrt, so kann die Spannung auch erhöht werden, dafür muss die Sekundärwicklung allerdings größer sein wie die Primärwicklung.


Zusammenfassung



Das PC-Netzteil sorgt nicht nur für die benötigten 3.3, 5 und 12 Volt Gleichspannung, sondern schützt die Komponenten auch vor elektrischen Störungen durch den EMI-Filter (Netzfilter). Nachdem EMI-Filter wird die Eingangsspannung mithilfe der Dioden und Kondensatoren in eine Gleichspannung umgewandelt. Nach den Dioden und Kondensatoren wird die Spannung durch den Transistor zerhackt und wieder in eine Wechselspannung umgewandelt. Der Transformator verringert anschließend die Wechselspannung von 240 Volt auf 3.3, 5 und 12 Volt. Da es sich danach aber noch um eine Wechselspannung handelt, wird diese wieder durch einen Gleichrichter und Dioden in eine Gleichspannung umgewandelt. Nach diesem letzten Schritt, fließt der nun gefilterte und auf 12 Volt reduzierte Gleichstrom in die PC-Komponenten.
 
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chris3210

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29. 03. 2017
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Rheinland-Pfalz / Hessen
Sprachlich und inhaltlich ein sehr gut geschriebener Artikel :nice:
Dabei ist er auch für User, die nur wenig fachliche Vorkenntnisse haben, leicht verständlich.

Kleine Anmerkung meinerseits: Im Kapitel "Wirkungsgrad" hat sich im vorletzten Satz beim Wort "Effizienz" ein kleiner Rechtschreibfehler eingeschlichen ;)
Anhand des Bildes erkennen wir, das es auch Unterschiede der Effeziens bei einer Spannung von 115 und 230 Volt gibt.
 
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