Lineare vs. Schaltnetzteile: Was ist der Unterschied?

Zur Stromversorgung elektronischer Geräte werden Linear- und Schaltnetzteile eingesetzt. Erfahren Sie in diesem Artikel, welche Unterschiede sie haben, wie sie funktionieren und wann Sie sie verwenden sollten!

Sie verwenden wahrscheinlich täglich ein Smartphone, einen Laptop oder einen PC. Diese elektronischen Geräte arbeiten mit Gleichstrom (DC). Da Haushalte jedoch normalerweise mit Hochspannungs-Wechselstrom (AC) betrieben werden, müssen Sie die Spannung senken und Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, indem Sie ein Netzteil wie Ihren Power Brick oder Ihr Ladegerät verwenden.

Die heute am häufigsten verwendeten Netzteile sind Linear- und Schaltnetzteile. Wenn Sie wissen, welches Gerät Sie für bestimmte Anwendungen verwenden sollten, bleibt Ihre Elektronik sicher und funktioniert optimal.

Lesen Sie weiter unten, um einen Vergleich zwischen linearen und Schaltnetzteilen zu erhalten.

Linear- und Schaltnetzteile sind elektrische Geräte, die zur Stromversorgung und zum Laden elektronischer Gleichstromgeräte verwendet werden. Diese Geräte haben die Aufgabe, zwei Dinge zu tun: die Spannung zu senken und Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Obwohl beide Geräte die Leistung senken und gleichrichten, sind sie aufgrund der unterschiedlichen Art und Weise, wie sie diese Aufgaben erfüllen, für bestimmte Anwendungen besser geeignet.

Ein lineares Netzteil ist ein Gerät, das für geräuscharme und präzise Operationen verwendet wird. Durch die Verwendung schwerer Transformatoren und analoger Filter kann dieses Netzteil saubere Spannungen ausgeben, allerdings auf Kosten eines geringeren Wirkungsgrads, eines höheren Gewichts und einer größeren Größe. Lineare Netzteile werden am besten in Aufnahmegeräten, elektrischen Musikinstrumenten, medizinischen Geräten und hochpräzisen Labormessgeräten eingesetzt.

Ein Schaltnetzteil oder Schaltnetzteil (SMPS) wird für den Betrieb mit hohem Wirkungsgrad und hohem Strom verwendet. Im Gegensatz zu linearen Netzteilen nutzen Schaltnetzteile Halbleiterkomponenten, um eingehende Spannungen zu modulieren und zu regeln. Diese Netzteile basieren auf Hochfrequenzschaltung mithilfe von Leistungstransistoren, was sie geräuschvoll, aber äußerst energieeffizient, leicht und kompakt macht. Schaltnetzteile werden häufig in Computern, Telefonladegeräten, Produktionsanlagen und vielen elektronischen Niederspannungsgeräten verwendet.

Mit rein analogen Komponenten, die in den 50er Jahren verfügbar waren, waren lineare Netzteile auf schwere Leistungstransformatoren und sperrige Elektrolytkondensatoren angewiesen, um die Spannungen zu senken und gleichzurichten. Obwohl Transistoren damals bereits in Massenproduktion hergestellt wurden, erzeugten hohe Wechselspannungen einfach zu viel Wärme, als dass Transistoren damit umgehen konnten.

Hier ist ein Schaltplan einer linearen Stromversorgung:

Ein lineares Netzteil funktioniert in drei Schritten:

Schritt 1:Senken Sie die eingehende hohe Wechselspannung durch den Einsatz eines Transformators.

Schritt 2:Die abgesenkte Spannung durchläuft dann einen Vollbrückengleichrichter, der die Wechselspannung in pulsierende Gleichspannungen umwandelt.

Schritt 3: Die pulsierenden Gleichspannungssignale durchlaufen einen Filter aus Induktivitäten und Kondensatoren. Dieser Glättungsfilter entfernt die Signalschwankungen einer pulsierenden Gleichspannung und macht sie so für empfindliche elektronische Geräte nutzbar.

Schaltnetzteile sind komplexe Geräte, die Festkörperkomponenten zum Hochfrequenz-Leistungsschalten und einen kleineren Ferritkerntransformator verwenden. Diese Arten von Netzteilen können Spannungen erhöhen und senken, indem sie eine DC-Rückkopplungsschleife zur Steuerung der Ausgangsspannungen verwenden.

So funktionieren sie:

Schritt 1 : Der Hochspannungs-Wechselstrom gelangt über ein Schaltkreisschutzmodul, das aus einer Sicherung und einem EMV-Filter besteht, in die Stromversorgung. Die Sicherung dient dem Überspannungsschutz und der EMV-Filter schützt den Stromkreis vor den Signalwelligkeiten, die vom ungefilterten Wechselstrom ausgehen.

Schritt 2: Nachdem sichergestellt wurde, dass der Stromkreis gut geschützt ist, wird der Hochspannungs-Wechselstrom durch das zweite Modul geleitet, das aus einem Vollbrückengleichrichter und einem Glättungskondensator besteht. Der Vollbrückengleichrichter wandelt Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom um, der dann durch einen Kondensator geglättet wird.

Schritt 3: Der Hochspannungs-Gleichstrom wird dann durch einen PWM-Treiber geleitet, der die Rückmeldung aufnimmt und einen Leistungs-MOSFET steuert, der die Spannung durch Hochfrequenzschalten reguliert. Durch die Umschaltung wird auch der gerade Gleichstrom in eine Rechteckwelle umgewandelt.

Schritt 4:Die Gleichstrom-Rechteckwelle gelangt nun in einen Ferritkerntransformator und wandelt die Signale wieder in Wechselstrom-Rechteckwellen um.

Schritt 5 : Die Wechselstrom-Rechteckwellen durchlaufen einen Brückengleichrichter, wandeln das Signal in pulsierenden Gleichstrom um und leiten es dann durch einen Glättungsfilter. Der endgültige Ausgang wird dann verwendet, um Signale an den PWM-Treiber zu senden, der eine Rückkopplungsschleife bildet, die die Ausgangsspannungen reguliert.

Es gibt verschiedene Gründe, warum ein Netzteil für bestimmte Anwendungen ausgewählt wird. Dazu gehören häufig Effizienz, Lärm, Zuverlässigkeit und Reparierbarkeit, Größe und Gewicht sowie Kosten. Nachdem Sie nun eine allgemeine Vorstellung davon haben, wie sie funktionieren, erfahren Sie hier, wie sich ihre Art der Energieverarbeitung auf ihre Leistung und Benutzerfreundlichkeit in bestimmten Anwendungen auswirkt.

Da Elektrizität durch eine Reihe elektrischer und elektronischer Komponenten geleitet werden muss, ist der Prozess der Gleichrichtung und Regelung von Spannungen immer ineffizient. Aber wieviel?

Je nach Auslegung können Schaltnetzteile einen Wirkungsgrad von 80 – 92 % haben. Das bedeutet, dass Ihr Gerät 80 – 92 % der Energie, die Sie hineinstecken, abgeben kann. Seine Effizienz beruht auf der Verwendung kleinerer, aber effizienter Komponenten, die Spannungen durch hochfrequentes Niederspannungsschalten regeln.

Im Gegensatz dazu kann ein lineares Netzteil aufgrund der Verwendung größerer und weniger effizienter Komponenten nur eine Energieeffizienz von 50–60 % erreichen.

Obwohl sie ineffizient sind, kompensieren lineare Netzteile ihre Ineffizienzen durch ihre stabilen, sauberen und rauscharmen Signalausgänge. Durch die Verwendung analoger Komponenten können lineare Netzteile den Strom gleichmäßig und ohne Schaltvorgänge verarbeiten, wodurch ihr Ausgang eine geringe Welligkeit oder ein geringes Rauschen aufweist.

Andererseits basieren Schaltnetzteile auf dem Hochfrequenzschalten niedriger Spannungen, um die Wärme zu reduzieren, einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen – und viel Lärm zu erzeugen! Das Ausmaß des Signalrauschens hängt vom Design und der Qualität des jeweiligen Schaltnetzteils ab.

Die Größe und das Gewicht eines Netzteils können seinen Einsatz in kleineren elektronischen Geräten stark beeinflussen. Da lineare Netzteile schwere und sperrige Komponenten verwenden, ist ihre Verwendung in diskreten elektronischen Geräten unmöglich, es sei denn, Sie verwenden das Netzteil als Ladegerät.

Da Schaltnetzteile kleine und leichte Komponenten verwenden, können sie klein genug gestaltet werden, um in bereits kleinere Geräte integriert zu werden. Das geringe Gewicht und die geringe Größe eines Schaltnetzteils in Kombination mit seiner Energieeffizienz machen es für den Großteil der tragbaren elektronischen Geräte einsetzbar.

Mit weniger Teilen, die während des Betriebs kaputt gehen könnten, bieten lineare Netzteile konsistente und zuverlässige Ausgänge. Das einfache Design und die Verwendung gängigerer elektronischer Komponenten erleichtern den Menschen die Beschaffung von Teilen und die Reparatur von linearen Versorgungen.

Da Schaltnetzteile wesentlich empfindlichere Komponenten haben, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie kaputt gehen, als bei linearen Netzteilen. Durch gutes Design und die Verwendung hochwertiger Komponenten können Schaltnetzteile jedoch sehr zuverlässig sein, möglicherweise sogar so zuverlässig wie lineare Netzteile. Das eigentliche Problem bei Schaltnetzteilen besteht darin, dass sie umso schwieriger zu reparieren sind, je komplexer ihr Design ist.

In der Vergangenheit waren lineare Netzteile aufgrund ihres einfachen Designs und der Verwendung weniger Komponenten die kostengünstigeren Geräte. Es half auch nicht, dass die Herstellung von Halbleiterkomponenten teuer war. Da jedoch die Nachfrage nach Halbleitern zunahm, konnten die Hersteller die Festkörperkomponenten skalieren und exponentiell billiger herstellen als zuvor. Dies wiederum macht viele Schaltnetzteildesigns kostengünstiger als lineare Netzteile.

Das ist also alles, was Sie über lineare und Schaltnetzteile wissen müssen. Um die Sicherheit Ihrer elektronischen Geräte zu gewährleisten, verwenden Sie immer die Original-Ladegeräte, die mit dem Gerät geliefert wurden. Wenn diese nicht verfügbar sind, können Sie jederzeit ein Netzteil kaufen.

Denken Sie vor dem Kauf daran, dass lineare Netzteile ideal für Elektronik sind, die für Präzisionsanwendungen wie elektrische Musikinstrumente, Radios und medizinische Geräte verwendet wird, während Schaltnetzteile für hocheffiziente Situationen wie Computer-Netzteile, Ladegeräte und Beleuchtung verwendet werden.

Jayric Maning wollte unbedingt lernen, wie die Dinge funktionieren, und begann schon als Teenager damit, an allen möglichen elektronischen und analogen Geräten herumzubasteln. Er studierte Forensik an der Universität Baguio und lernte dort Computerforensik und Cybersicherheit kennen. Derzeit betreibt er viel Selbststudium und bastelt an Technik herum, um herauszufinden, wie sie funktioniert und wie wir sie nutzen können, um das Leben einfacher (oder zumindest cooler!) zu machen.