LLC-Resonanzwandler: Ein neues Schaltprinzip für PC-Netzteile

Seite 2: PC-Netzteile bis dato

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PC-Netzteile früher
Lange Jahre, um nicht zu sagen Jahrzehnte in der Geschichte des PCs, in der viele Komponenten um Grössenordnungen schneller und leistungsfähiger wurden, gingen an einer Komponente spurlos vorbei: dem Netzteil. In den ersten Homecomputern waren zwar noch linear geregelte Netzteile mit sehr schlechtem Wirkungsgrad (<50%) im Einsatz, was nur dadurch möglich war, dass die Leistungsaufnahme der Rechner noch relativ gering und die Erweiterungsmöglichkeiten begrenzt oder aber Technik-Freaks vorbehalten waren, die sich auch mal schnell eine zusätzliche Stromversorgung zusammenlöten konnten.

Seit den frühen Anfängen des eigentlichen, IBM-kompatiblen Personalcomputers wurden allerdings Schaltnetzteile verbaut, die sich bis ins 21. Jahrhundert hinein von der grundlegenden Technik her nicht grossartig änderten (wir sprechen hier von einem Wirkungsgrad um die 70%), denn auch die Anforderungen änderten sich in dieser Zeit nur minim: Beim Übergang vom AT zum ATX-Standard mussten die Netzteile neu einen 5V-Standby-Trafo mitbringen und der Mainboardstecker sowie der Einschaltknopf wurden ebenfalls geändert. Die Leistungsanforderungen blieben ansonsten aber in etwa gleich. Erst mit dem ATX-12V-Standard zu Beginn des neuen Jahrtausends begannen die Leistungsanforderungen zu wachsen und der Wirkungsgrad rückte auf einmal wieder in den Blickpunkt. Wer sich für die veränderten Ansprüche an PC-Netzteile interessiert, dem sei der Artikel Wie Leistungsstark muss ein PC-Netzteil heute sein? (2006) empfohlen.


Volles Rohr: Durchflusswandler
Eine Antwort auf den gestiegenen Leistungsbedarf war der Wechsel von Sperrwandlern zu Durchflusswandlern. Dazu sei erst einmal etwas weiter ausgeholt: Bei den meisten Schaltnetzteilen wird in Form eines (annähernden) Rechtecksignals auf der Primärseite (Eingangsseite) des Transformators kurzzeitig ein Spannungs- (und damit auch Strom-) Impuls angelegt und dann wieder weggeschaltet, und das einige zehntausend Mal in der Sekunde (ca. 50~150kHz). Dieses Prinzip wird "Eintakt-Wandler" genannt. Im Gegensatz zu der Situation, wenn man einen Transformator direkt an der Steckdose mit Wechselstrom betreibt (wie es beim linear geregelten Netzteil der Fall ist), ändert sich die Polarität der Spannung beim Eintakt-Wandler nicht. Folglich braucht es auf der Sekundärseite (Ausgangsseite) des Transformators nur eine einzige Diode (und kein Brückengleichrichter). Je nach dem mit welchem Ende der Ausgangswicklung die Diode verbunden ist, ist sie entweder zeitgleich mit dem primärseitigen Impuls in Flussrichtung, oder eben gerade nicht (sie sperrt sekundär, wenn primär ein Impuls kommt).
   
1.) Gleichrichtung beim linear geregelten Netzteil 2.) beim Sperrwandler-Schaltnetzteil 3.) beim Flusswandler (*klick* zum Vergrößern)


Auf den Bildern oben wird das deutlich: Bei einem einfachen linear geregelten Netzteil (wie es vielleicht noch in billigen Spielzeug-Batterieladegeräten vorkommt, aber nicht im PC) haben wir primärseitig des Transformators eine positive und eine negative Halbwelle, die sekundärseitig gleichgerichtet werden (diese roten Kamelhöcker). Bei Eintakt-Schaltnetzteilen gibt es keine negativen "Halbwellen", nur noch Rechteckimpuls-Pause-Rechteckimpuls-Pause usw. Je nach dem wie die Gleichrichterdiode verschaltet ist, kommt der Impuls dann, wenn er in den Transformator rein geht, sogleich auch auf der anderen Seite raus (Flusswandler), oder aber der Impuls kommt sekundärseitig raus, wenn primärseitig Pause ist, also um eine halbe Periode versetzt.

Früher, als Netzteile unter 250W üblich waren, wurden meistens Sperrwandler verbaut. Diese haben die Vorteile, dass sie einfacher bzw. günstiger zu bauen sind, da es zum einen keine Speicherdrosseln braucht und die Spannung sehr einfach primärseitig an einer zusätzlichen Wicklung gemessen und damit geregelt werden kann, und dass sie nicht zwingend eine Schutzschaltung gegen Kurzschluss benötigen, da sie prinzipbedingt so gut wie kurzschlusssicher sind. Kurzschlusssicher deswegen, weil nicht mehr Leistung durch den Trafo fliessen kann, als dieser über eine halbe Periode hinweg speichern kann.
Mit den erhöhten Leistungsanforderungen stiegen die Hersteller allmählich auf Flusswandler über. Bei hohen Leistungen sind Flusswandler besser geeignet, da der Transformator die Energie nicht mehr zwischenspeichern muss; er wird stattdessen nur noch für die Herabsetzung auf 12/5/3.3V (die eigentliche Transformation) und die galvanische Trennung benötigt. Die Energie fliesst aus dem Flusswandler unmittelbar heraus, wenn sie primärseitig hineingegeben wird. Dadurch werden einerseits zusätzliche Schutzschaltungen gegen Kurzschluss und Überlastung notwendig, andererseits braucht es auch sekundärseitig Speicherdrosseln, welche die Energie zwischenspeichern und in der Schaltpause wieder abgegeben (aus dem Rechtecksignal entsteht ein kontinuierlicher Stromfluss).
Die Spannung muss zur Regulation bei Flusswandlern sekundärseitig gemessen und (über Optokoppler) dem primärseitigen Steuer-IC übermittelt werden. Sie kann nicht mehr ausreichend genau direkt aus einer Trafowicklung gemessen werden, da die effektive Spannung nun auch von den sekundären Speicherdrosseln mit abhängt und unter Last gemessen werden muss. Anfänglich wurde zur Regelung meistens die 5V-Spannung hergenommen, später ging man dazu über, die 12V-Schiene als Referenz zu nehmen, da diese heute am stärksten belastet wird. Mittlerweile werden die 5V und die 3.3V sogar bereits nicht mehr direkt aus dem Trafo gewonnen, sondern mittels DC-DC-Wandlern aus den 12V erzeugt.

Wer sich für die Funktionsweise verschiedener Schaltnetzteilvarianten interessiert (und auch das nötige Fachwissen mitbringt), dem sei folgende Seite eins Dr. Heinz Schmidt-Walter empfohlen. Sie richtet sich vor allem auch an Bastler oder gar Ingenieure, die selbst ein Schaltnetzteil bauen möchten und dazu eine Berechnungshilfe suchen, welche auf der Seite interaktiv und kostenlos angeboten wird: Dimensionierung von Schaltnetzteilen


Aktiv gegen die Verlustleistung: Aktiv-PFC
Bei Leistungen um die 500-1'000W fällt die Verlustleistung bei einem Wirkungsgrad von lediglich um die 70% erheblich ins Gewicht bzw. es ist kaum ein guter Kompromiss mit den Lärmemissionen des Lüfters mehr zu machen und sowas verkauft sich nicht wirklich gut. Die Kühlproblematik und weniger der Green-IT-Gedanke werden der Grund gewesen sein, dass die Hersteller dazu übergingen, einem Hauptverursacher der hohen Verlustleistung, der Phasenkorrektur und Oberwellenunterdrückung den Garaus zu machen: Passiv PFC wurde durch Aktiv-PFC abgelöst. Dieser Thematik haben wir auch einst einen eigenen Artikel gewidmet: Aktiv PFC und der Wirkungsgrad bei Netzteilen (2005). Die meisten Netzteile mit Aktiv-PFC erreichen einen Wirkungsgrad um die 80 Prozent, je nach Auslastung!
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Kategorie: Hardware
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