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Wie funktioniert ein Netzteil? 06:07 min

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Transkript Wie funktioniert ein Netzteil?

Grundlegende Aufgabe eines PC-Netzteils ist es, die aus der Steckdose kommende Wechselspannung von 230 Volt in eine Gleichspannung von 3,3, 5 und 12 Volt umzuwandeln. Diese kleineren Spannungen werden schließlich für den Betrieb aller im Rechner befindlichen Komponenten benötigt. Diese Umwandlung darf das Netzteil jetzt aber nicht irgendwie vornehmen, es muss dabei klare Anforderungen erfüllen. Eine fest definierte schwankungs- und ausfallfreie Spannung ist dabei das oberste Ziel. Eine Nichterfüllung dieser Anforderung hätte schließlich Einfluss auf alle Komponenten und würde zu diversen Stabilitätsproblemen bis hin zum Ausfall oder Defekt vom ganzen Rechner führen. Die zweite Anforderung ist ein hoher Wirkungsgrad, der für eine hohe Effizienz steht. Dieser geringe Energieverlust bedeutet schließlich eine geringere Wärmeentwicklung, die wiederum zu einem niedrigeren Geräuschpegel führt, da die Lüfter weniger kühlen müssen. Um all das zu ermöglichen, werden eine Vielzahl an verschiedenen elektronischen Bauteilen und Schaltungen verwendet, die wir jetzt der Reihenfolge im Netzteil nach betrachten werden. Der Weg des Stroms für den Rechner beginnt bei der Steckdose. Dort liegt eine Wechselspannung von 230V mit einer Frequenz von 50Hz an. Das bedeutet also, dass die Richtung des Wechselstroms sich 100mal in der Sekunde ändert. Erstes Ziel im Netzteil ist nun ein Filter, der die elektromagnetische Interferenz, kurz EMI, verringern soll. Diese beschreibt die unerwünschte Eigenschaft, dass Geräte sich gegenseitig durch elektromagnetische Effekte stören.  Oft zu bemerken ist diese Interferenz zum Beispiel, wenn man sich mit einem Handy einem Lautsprecher nähert und dieser dann Störgeräusche von sich gibt.  Um nun sicherzugehen, dass das Netzteil nicht vom Hausstromnetz gestört wird, benutzt man einen sogenannten Entstörkondensator, der parallel zur Störquelle geschaltet wird. Dieser Kondensator, der eigentlich als kurzzeitiger Energiespeicher dient, verhält sich bei hochfrequenten Störschwingungen wie ein Kurzschluss und schwächt diese dann stark ab. Im nächsten Schritt wird der entstörte Wechselstrom per Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt. Zum Einsatz kommen Schottky-Dioden. Sie funktionieren im Grunde genommen wie normale Dioden und lassen Strom nur in eine Richtung durch.  Ergebnis dabei ist eine Gleichrichtung des Wechselstroms, der ab sofort Gleichstrom ist. Und nun kommt ein weiterer Filter, und zwar der Leistungsfaktorkorrekturfilter. Der sogenannte Leistungsfaktor beschreibt dabei das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung. Die Scheinleistung ist dabei die gesamte zugeführte Leistung, samt Blindleistung, und die Wirkleistung ist die tatsächlich verwendbare Leistung, ohne Blindleistung. Der Leistungsfaktor ist also eine Art Wirkungsgrad, der zwischen null und eins liegt, wobei die Eins ein hundert Prozent Effizienz bedeutet. Ziel dieses Filters ist es nun, die Blindleistung zu verringern und damit den Leistungsfaktor der Eins anzunähern. Und das wird mittels einer Schaltung, die aus Siebkondensatoren, sogenannten Elektrolytkondensatoren oder kurz Elkos, einigen Drosselspulen und einem Controller besteht, erreicht. Diese Schaltung hebt die Eingangsspannung auf eine saubere Spannung von 400V an, was sogleich den Leistungsfaktor erhöht. Um nachfolgend einen möglichst kompakten Transformator zu ermöglichen, muss die Gleichspannung nun per Pulsweitenmodulation wieder in eine Wechselspannung, dieses Mal mit sehr hoher Frequenz, umgewandelt werden. Dazu verwendet werden Leistungstransistoren, die den Gleichstrom umgangssprachlich zerhacken und einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 15 bis drei 300kHz formen. Nachdem der Strom nun wunderbar vorbereitet wurde, kann das Netzteil endlich seiner eigentlichen Aufgabe nachgehen, nämlich die Spannung herunter transformieren mit einem Transformator. Dieser besteht aus zwei Spulen, einer Primärspule und einer Sekundärspule, die beide auf einem einzelnen Eisenkern gewickelt sind. Legt man an die Primärspule die sehr schnelle 400V-Wechselspannung an, dann entsteht ein magnetisches Feld, das wiederum Strom in die Sekundärspule induziert. Die Spannung an der Sekundärspule im Verhältnis zur Spannung der Primärspule ist gleich dem Verhältnis der Windungszahlen der entsprechenden Spulen zueinander. In unserem Fall wird das Spulenverhältnis so gewählt, dass eine 12V-Spannung auf der Sekundärseite zu entnehmen ist. Im nächsten Schritt findet eine erneute Gleichrichtung, wieder mit Schottky-Dioden, statt, und nun wird die entstandene Gleichspannung geglättet. Das ist nötig, da die Spannung zwar gleichgerichtet wurde, ihre Spannungsstärke aber immer noch stark schwankt. Deshalb kommen Glättungskondensatoren zum Einsatz, die als Art Spannungspuffer fungieren und die starken Schwankungen fast vollständig ausgleichen. Des Weiteren werden kleine Spulen, sogenannte Drosseln, verwendet, die aufgrund ihrer Induktivität hochfrequente Ströme reduziert und damit dem Gleichstrom weiter glättet. Es liegt uns jetzt also eine saubere 12V-Gleichspannung vor. Wie aber am Anfang schon gesehen, benötigen wir noch eine 5- und eine 3,3V-Gleichspannung. Die bekommen wir, wenn wir pro gewünschter Spannung ein Voltage Regulator Module, kurz VRM, verwenden. Die darauf befindliche Schaltung unterbricht den Gleichstrom periodisch mit einem Transistor. Diese Unterbrechungen senken schließlich effektiv die Spannung.  Eine Kondensator-Spulen-Kombination glättet anschließend nochmals die entstandene Spannung. Neben dieser eigentlichen Aufgabe eines Netzteils gibt es dann noch diverse Sicherheitsmechanismen, die das Netzteil selbst und alle anderen Komponenten in einem Rechner schützen. Da gibt es zum Beispiel den Überspannungsschutz, der mit sogenannten Metalloxid-Varisatoren funktioniert. Dieses Bauelement verringert ihren Widerstand mit zunehmender Spannung. Tritt also eine sehr hohe Spannung auf, dann wird sie über einen MOV gegen Masse abgeleitet und schützt damit die anderen Bauteile. Außerdem gibt es noch einen Kurzschluss und einen Überstromschutz, bei dem eine Schmelzsicherung den Stromkreis unterbrechen kann, falls zuviel Stromfluss herrscht. Der Übertemperaturschutz schaltet das Netzteil bei zu hohen Temperaturen per Elektronik aus und als letztes gibt es dann noch einen Überlastschutz, der das Netzteil ebenfalls ausschaltet, falls es nicht genug Leistung erzielen kann. Das dürfte aber nicht zu oft passieren, da Netzteile in der Regel sowieso deutlich mehr Leistung schaffen als angegeben, wenn auch nur für kurze Zeit. Diese riesige Anzahl an Bauteilen, und meist noch einige mehr, schaffen es schließlich, den Strom für den gesamten Rechner definiert und sicher bereitzustellen.