Als Hobbyelektroniker und Bastler stellt man sich bei der Anschaffung eines Labornetzteils oft die Frage, welche Art von Netzgerät man sich am besten anschaffen sollte. In diesem Artikel geht es um die Unterschiede sowie um die Vor- und Nachteile von Linear- und Schaltnetzteilen. Zuerst soll es aber um den technischen Aufbau gehen.

Die zwei Blockschaltbilder stellen den wesentlichen Aufbau beider Netzteile dar. Es handelt sich dabei nur um eine Übersicht von den wichtigsten Komponenten, denn beide Netzteile besitzen neben den Kernkomponenten noch weitere Baugruppen wie Filter, Regelschleifen und diverse Schutzeinrichtungen gegen Überspannung, Überlastung oder Kurzschlüsse.

Das Linear-Netzteil

Beim linearen Netzteil wird in der Ersten Stufe die Netzspannung (230 Volt) auf eine niedrigere Spannung transformiert. Es handelt sich dabei um einen Transformator, dessen Ausgangsspannung auf der Sekundärseite etwas höher ist, als die maximale Ausgangsspannung vom Netzteil. Beispiel: Wenn das Labornetzteil auf eine Ausgangsspannung von bis zu 30 Volt eingestellt werden kann, so könnte die Ausgangsspannung vom internen Transformator bei etwa 35 bis 40 Volt liegen.

Nach dem Transformator befindet sich ein Gleichrichter (meist Brückengleichrichter), der die Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Die erzeugte Gleichspannung enthält große Spannungsschwankungen (Restwelligkeit), die kompensiert werden müssen. Diese Aufgabe übernimmt ein Kondensator, der sich bis zur Spitzenspannung auflädt und während des Spannungsabfalls entlädt und somit weiterhin Energie für die dritte Stufe dauerhaft bereitstellt. Am Ende der zweiten Stufe steht also eine geglättete Gleichspannung zur Verfügung, die immer noch etwas höher ist als die maximale Ausgangsspannung des Netzteils mit einem kleinen Anteil an Restwelligkeit.

Die dritte Stufe regelt die eigentliche Ausgangsspannung. Es handelt sich dabei um eine Schaltung (Linearregler), welche dafür sorgt, dass immer eine konstante Spannung am Ausgang abgegeben wird. Ändert sich die Eingangsspannung vom Netzteil oder wird die angeschlossene Last größer und die Spannung am Ausgang fällt dadurch ab, so regelt der Linearregler die Spannungsänderung sehr schnell aus. Beim Linearregler kann es sich um eine Parallelstabilisierung (Querregler) oder eine Serienstabilisierung (Längsregler) sowie die Kombination aus beiden handeln. Ein Teil der Energie (insbesondere beim Querregler) wird in der Schaltung in Wärme umgesetzt, was einem schlechteren Wirkungsgrad zur Folge hat. Je größer der Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Linearreglers ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad dieser Schaltung. Neben den Linearregler selbst befinden sich in dieser Stufe noch weitere Schaltungen, welche zur Strombegrenzung und als Kurzschluss- und Überlastungsschutz dienen.

Misst man mit einem Oszilloskop die Ausgangsspannung (Belastet mit 50 Ohm, bei 5 Volt) ist nur ein sehr geringer Ripple zu sehen:

Das Schalt-Netzteil

Bei einem getakteten Netzteil (Schaltnetzteil) besteht die erste Stufe aus einem Gleichrichter und einem Kondensator. Auch hier muss die Wechselspannung wieder mittels Brückengleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt werden und anschließend mit einem Kondensator gesiebt bzw. geglättet werden. Der Transformator fehlt in dieser Stufe, es liegt nach der Gleichrichtung einer 230 Volt Effektivspannung am Kondensator eine Gleichspannung von etwa 325 Volt an.

Die zweite Stufe besteht aus mindestens einem Transistor (meistens MOSFET), der mit einer hohen Frequenz ein- und ausgeschaltet (getaktet) wird. Kleine Netzteile sind als Sperrwandler ausgeführt, größere Netzteile als Gegentaktwandler (Halbbrücken und Vollbrücken) mit zwei oder vier Transistoren. Am Transistor (z. B. MOSFET) ist eine Spule angeschlossen, die als Übertrager bezeichnet wird. Je nachdem, wie viel Strom auf der Sekundärseite benötigt wird, wird der Transistor unterschiedlich schnell geschaltet (getaktet).

Der bereits erwähnte Übertrager bildet die dritte Stufe des Schaltnetzteils. Im Gegensatz zum herkömmlichen Transformator besitzt der Übertrager keinen Eisenkern und ist deshalb auch deutlich leichter und günstiger. Dank der hohen Schaltfrequenz ist es möglich, viel Energie von der Primärseite zur Sekundärseite des Übertragers zu transportieren. Ähnlich wie beim Transformator gibt es auch beim Übertrager unterschiedliche Wicklungszahlen zwischen Primär- und Sekundärseite, um die Spannung zu reduzieren.

Sekundärseitig liegt am Übertrager eine hochfrequente Wechselspannung (Rechteck) an. Die vierte Stufe wandelt die zuvor erzeugte Wechselspannung wieder in eine Gleichspannung um. Es handelt sich meist dabei nicht um einen herkömmlichen Brückengleichrichter, sondern um eine doppelte Schottky-Diode. Die Kondensatoren am Ausgang glätten die Spannung.

Zwischen Stufe zwei und vier befindet sich die Regelelektronik. Wird am Ausgang die Last verändert, kommt es zu einem Anstieg oder Abfall der Ausgangsspannung. Daraufhin wird die Schaltfrequenz angepasst und sichergestellt, dass die gewünschte Ausgangsspannung unabhängig von der Last konstant bleibt. Misst man mit einem Oszilloskop die Ausgangsspannung (Belastet mit 50 Ohm, bei 5 Volt) ist beim Schaltnetzteil ein deutlich größerer Ripple zu sehen:

Kurz zusammengefasst ergeben sich zwischen den beiden Netzteil-Arten folgende Vor- und Nachteile:

Für die meisten Hobby-Bastler sind Schaltnetzteile die bessere Wahl, da sie günstiger sind und mehr Leistung abgeben. Für die meisten Schaltungen und Mikrocontroller-Projekte ist das auch ausreichend. Arbeitet man sehr viel mit empfindlichen analogen Schaltungen oder in der Hochfrequenztechnik, gewinnt das Linearnetzteil an Bedeutung. Das lineare Netzteil verursacht kaum Störungen und regelt die gewünschte Ausgangsspannung deutlich schneller als ein Schaltnetzteil. Für Interessierte Leser gibt es noch einen Screenshot vom Spectrum Analyzer. Folgender Screenshot zeigt leichte Störpegel im Frequenzbereich 400 kHz bis 80 MHz:

Das obere Spektrum zeigt praktisch keine Störpegel über dem gesamten Frequenzband. Die Pegel, welche am Bild zu sehen sind, sind auch vorhanden, wenn kein Netzteil an den Kabeln angeschlossen ist. Ursache dafür sind die ungeschirmten Messkabel, welche als Antenne dienen und sämtliche Signale aus der Umgebung aufnehmen. Wechselt man mit den Messkabeln vom Linearnetzteil zum Schaltnetzteil, dann sieht das Spektrum deutlich anders aus:

Verursacht werden die vielen Störpegel durch die Taktung des Übertragers. Da es sich um eine Rechteck-Wechselspannung handelt, entstehen hierbei viele Oberwellen, welche bis weit in den Megahertz-Bereich messbar sind.