Schaltnetzteile reparieren, ein Hexenwerk?

Abb. 1 SNT-Modul. 12 V, 4,2 A Maße 9 x 8 x 3 cm³

Netzteile machen aus der Netzspannung die Spannung, die ein Gerät zu seinem Betrieb benötigt. Weiter sorgen Sie für die galvanische Trennung vom Netz, die wir meistens wünschen. Fast immer erfolgt auch eine Gleichrich­tung und Stabilisierung der Ausgangsspannung. Netzteile waren lange stets mit einem klassischen Trafo ausge­stattet . Die Hauptperson, der Trafo, war groß, schwer und durch die Preisentwicklung zuletzt das teuerste Bau­teil. In den letzten 30 Jahren wurden solche Stromversorgungen durch Schaltnetzteile ersetzt. Die sind klein, kompakt und heute recht preiswert. Anfangs eingesetzt wurden, wurden sie fast als Hexenwerk betrachtet. Sie haben noch immer den Ruf, kompliziert und störanfällig und reparaturresistent zu sein. Die Instandsetzung gilt als gefährlich und kompliziert, Reparaturversuche führten zu viel Frust und weiteren Schäden. Nach einem Aus­tausch von Bauteilen arbeiteten die Netzteile weiter nur als Rauchgenerator Heute kommt man an Schalt­netz­teilen nicht mehr vorbei. Es gibt schon viele Erklärungen und Reparaturanleitungen im Internet. Man­che davon sind gruselig, andere wirklich gut [1]. Das war der Grund, die Funktionsweise noch einmal zu beschreiben und ein Schema zum Vorgehen bei der Reparatur vorzustellen.

Abb. 2 Frühes SNT 12V 5 A, 15 x 9 x 3 cm³

Wie funktionieren solche Netzteile?

Fließt durch eine Spule ein Strom, bildet sich in der Spule ein Magnetfeld. Seine Stärke wird anschaulich durch die Zahl der Feldlinien, die durch das Innere der Spule laufen, beschrieben. Physikalisch wird das durch den magnetischen Fluss Φ. , für den gilt:

Φ = B * A

Dabei ist A die Größe der Innenfläche der Spule und B ist die magnetische Flussdichte, bildlich die Anzahl der Feldlinien pro cm². Über B ist die Stärke eines Magnetfelds definiert.

Wenn sich in einer Spule der magnetische Fluss  verändert, wird in der Spule eine Spannung induziert. In unse­rem Fall geschieht das, wenn sich die Stromstärke durch die Spule verändert. Das erledigt vorzüglich ein Wech­selstrom aus der Steckdose. Weil sich beim Trafo in der Primärspule durch den Wechselstrom bedingt das Mag­netfeld ständig ändert, wird auch in der Sekundärspule eine Wechselspannung induziert.

Das Induktionsgesetz gibt Auskunft über die Höhe der induzierten Spannung:

Dabei ist f die Frequenz des Wechselstroms und n die Windungszahl der Spule. [2]

Und darin steckt dann die grundlegende Idee: Will man eine Spannung mit einer bestimmten Höhe haben, muss bei einer niedrigeren Frequenz f = 50 Hz der Teil  B * n * A des Produktes viel größer sein als bei  f = 50 kHz .

Man kann deshalb bei f = 50 kHz die Kernfläche A und die Windungszahl n sehr viel kleiner wählen als bei f =50 Hz. Ein Transformator mit Ferritkern für hohe Frequenzen ist kleiner, leichter und damit auch billiger. Das ist der Vorteil der Schaltnetzteile, auch wenn ein paar Bauelemente mehr benötigt werden.

Abb. 3 Vereinfachte Schaltung aus Abb. 1

Abb. 3.zeigt das stark vereinfachte Schaltbild des Netzteilmoduls aus Abb. 1. Die Funktionsweise soll daran er­läutert werden.

Wechselstromquellen mit Frequenzen von mehr als 20 kHz stehen nicht direkt zur Verfügung. Deshalb wird die Netzspannung mit D2 zunächst gleichgerichtet und durch den Ladekondensator C2 "geglättet". Diese Gleich­spannung legt man über einen MOSFET Q1 in Reihe an die Primärwicklung des Trafos T1. Das IC U2 kann denn Strom durch die Primärspule ein- und ausschalten, ein sich ändernder Strom führt zu einer induzierten Spannung.

Nach dem Einschalten von Q1 beginnt ein Strom durch die Primärwicklung des Trafos zu fließen. Der ansteigen­de Strom induziert in der Primärwicklung eine Spannung, die laut der Lenzschen Regel dem Stromanstieg entge­genwirkt. So steigt der Stromfluss (theoretisch) linear mit der Zeit an. Auch in der Sekundärentwicklung des Tra­fos wird eine Spannung induziert. Ehe der Kern des Trafo in die magnetische Sättigung gerät, muss U2 den Transistor Q1 wieder sperren. Die Primärwicklung bildet mit parasitären Kapazitäten einen Schwingkreis mit recht hoher Resonanzfrequenz. Der Stromfluss durch die Wicklung sinkt deshalb nach dem Abschalten sehr schnell, in der Sekundärentwick­lung wird deshalb eine hohe Spannung entgegengesetzter Polarität induziert. Das kennt vom Ausschaltvorgang bei einer Relaisspule. Der Vorgang wiederholt sich vom IC gesteuert 20 000- bis 500 000-mal pro Sekunde, in der Sekundärspule entsteht eine Wechselspannung mit dieser Frequenz, die man mit D1 gleichrichtet und mit C1 glättet.

Abb.4 Sekundärspannung an D1

Es gibt zwei Arten dieser Netzteile. Bei einem Sperrwandler ist die Diode D1 leitend, wenn die Spannung beim Abschalten des Primärstroms induziert wird. Das ist bei Netzteilen mit kleinerer Leistung fast immer der Fall. Benötigt man höhere Leistungen ist es umgekehrt, die Sekundärwicklung ist so gepolt, dass die Diode bei fließendem Primär­strom leitet. Dann muss man allerdings wie beim Relais dafür sorgen, dass die Rück­schlag­spannung beim Ab­schalten des Primärstroms keinen Schaden anrichtet und der Transistor nicht beschädigt wird. Mit einer Hilfswicklung auf dem Trafo und einer Diode kann man die Im Magnetfeld gespeicherte Energie der speisend­en Quelle zurückführen, Da Durchflusswandler sonst fast ge­nauso gebaut sind wie Sperrwandler, lassen wir die Details aus. Netzteile sehr hoher Leistung arbeiten mit Ge­gentaktwandlern als Durchflusswandler.

Abb. 5 Leiterplatte von Abb. 1

Noch ein wenig Theorie:

Betrachten wir hier den Sperrwandler. Die gleichgerichtete Sekundärspannung wird dem Verbraucher zugeführt. Da fließt Energie. Wie viel Energie E im Magnetfeld einer Spule mit der Induktivität L beim Strom I gespeichert ist, sagt

Da der Strom nach dem Einschalten linear steigt, hängt die Energie des Felds von der Einschaltdauer des Tran­sistors ab. Variiert man die, kann man die übertragene Energiemenge und damit die Spannung an C1 verändern.

Abb. 6 Gatespannung bei 20 W Last (oben), 50W(unten) f=80kHz

Überschreitet diese Spannung den gewünschten Wert, wird die Zehnerdiode D4 leitend und die Leuchtdiode in Optokoppler U1A aktiviert. Der Transistor des Optokopplers sorgt dann dafür, dass das Steuer-IC die Einschalt­dauer reduziert. So wird die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert geregelt.

Auch das IC U2 benötigt eine Stromversorgung. Beim Einschalten wird C3 über R2 aufgeladen. Erreicht die Spannung an C3 einen Wert von etwa 14 V beginnt U2 zu arbeiten und taktet Q1. In der Hilfswicklung von T1 wird dann auch eine Spannung induziert, die von D3 gleichgerichtet wird und C3 nun weiter lädt und so U2 weiter versorgt.

Die Vereinfachung sollte helfen, die Funktionsweise zu verstehen. Abb. 7 zeigt das ganze Schaltbild.

Abb. 7 Gesamtschaltung des Netzteils

Zu den übrigen Bauteilen: Im Eingang sind die Sicherung F1 und der Thermistor TH1, der den Einschalt­stromstoß begrenzt. Das Filter L1 dämpft mit C5, C6 und C7die Ausleitung hochfrequenter Störungen in das Netz. D5 mit C4 und R3 begrenzen Spannungsspitzen beim Abschalten von Q1. Eine wichtige Funktion hat R13, der den Sourcestrom von Q1 überwacht. Die an R13 abfallende Spannung gelangt an Pin3 von U2. Das R-C-Glied R14 mit C14 filtert kurze Spitzen weg. Wenn die Spannung an Pin 3 einen Wert von etwa 1 V überschreitet, liefert U2 keine Impulse mehr und schützt so Q1 bei Überlast. R7 und C11 bestimmen die Frequenz des Ausgangssig­nals. R8 führt die Referenzspannung von 5V, die an Pin 8 ausgegeben wird, an Pin 1. Wenn der Transistor im Opto­koppler leitend wird, zieht der diese Spannung gegen 0. Die Höhe der Spannung an Pin 1 bestimmt die Pulsbreite am Ausgang Pin 6 bei stets gleicher Taktfrequenz. So erfolgt die Spannungsregelung über eine Puls­brei­ten­mo­du­lation des Signals an Pin 6.

Das gelangt zum Gate von Q1. Die Kapazität vom Gate zu Source muss ständig auf- und entladen werden. R5 begrenzt den Ladestrom, D5 sogt für eine schnelle Entladung. D9 schützt den Q1 vor zu großer Steuerspannung.

Die Aufgaben der Bauteile links unten seien nur kurz erwähnt. So wird der Wandler bei einem Ausfall der Regel­schleife geschützt, indem Q3 dann den Überstromschutz auslöst. Q2 hat die Aufgabe Q3 dieses Abschalten beim Start für kurze Zeit zu blockieren. Sonst würde kein Anlauf erfolgen. D8 und das  RC-Glied aus R6 und C10 sor­gen für den Softstart.

Abb. 8 Leiterplatte eines Stecker-SNT, 12V, 2A

Vorgehen bei streikenden Geräten:

Dass Netzteile so oft ausfallen, liegt daran, dass die Bauteile stark elektrisch und thermisch belastet werden und auch häufig von suboptimaler Qualität sind. Es fallen besonders die aus, die die meiste Last haben. Schauen wir doch einmal in so ein Netzteil hinein... (Frei nach Otto Waalkes)

Aber Warnung: Am Ladekondensator liegen im Betrieb ca. 330 V an. Das ist lebensgefährlich! Diese Spannung bleibt auch nach dem Ziehen des Netzsteckers noch längere Zeit erhalten, da der Ladekondensator nur langsam entladen wird. Die dicken Ladekondensatoren, die wirklich nicht zu übersehen sind, bitte vor dem Anfassen über einen Widerstand 1k, 5 W mit angelöteten Kabeln entladen. Widerstände mit geringerer Belastbarkeit bren­nen sofort ab. Wenn immer möglich arbeitet man nicht unter Spannung! [3]

Eine Sichtkontrolle ist stets die erste Maßnahme. Besonders bei externen Kleinnetzteilen haben sich oft größerer Bauteile losgerappelt, die Beinchen haben keinen Kontakt mehr zur Platine. Gerne tritt das beim Übertrager und den großen Kondensatoren auf. Nachlöten löst das Problem, auch prophylaktisch ausgeführt kann das nicht schaden.

Wenn das Netzteil schon elektrisch riecht, kann man Leichen meist visuell bereits ausmachen, aber nicht die Todesursache. Auch Elektrolyt­kondensatoren kann man gelegentlich ansehen, dass sie (bald) defekt sind. Wenn sich die Kappe des Kondensa­tors, dort wo das X ein geprägt ist, nach oben wölbt, ist dort reichlich Druck auf dem Kessel. Selbst wenn der noch funktioniert, er wird das nicht mehr lange tun. Der muss ausgetauscht werden!

Abb. 9 Aufgeblähte Kondensatoren

Auch wenn schon viel darüber geschrieben wurde, hier noch mal etwas zu Problemkondensatoren: Bleibt die Sicht­prüfung ohne Ergebnis, sollte man die Elektrolytkondensatoren als Hauptverdächtige betrachten. Die hohen Im­pulsströme und die Betriebstemperaturen stressen sie enorm. Das Datenblatt nennt oft nur eine Lebensdauer von wenigen 1000 Stunden. Die könnte man besser machen, das würde aber mehr kosten.

Dass man auch eingebaute Elektrolytkondensatoren testen kann hat DK9ZY in [4] beschrieben. Das Verfahren ist bei den "dicken" Kondensatoren im Netzteil durchweg anwendbar. Auch zur Kapazitätsmessung muss man Kon­densatoren mit hoher Kapazität meiner Erfahrung nach nicht immer ausbauen, ihr Innenwiderstand ist aufgrund der Messfrequenz klein genug gegenüber den anderen Bauteilen. Dioden in der Schaltung können eventuell eine Messung eingebauter Kondensatoren verhindern.

Ehe man zum Lötkolben greift, kann man probeweise mal das Netzteil mit einem Föhn erwärmen. Wenn man so dem Netzteil wieder für eine Weile Leben einhauchen kann, sind  Kondensators mit Elektrolytverlust sehr wahr­schein­lich die Fehlerursache.

Erheblichen Kapazitätsverlust kann man sicher dagegen nur nach dem Auslöten diagnostizieren. Der tritt auf, wenn das Elektrolyt eingetrocknet ist. Hat der Ladekondensator der Stromversorgung des Steuer-IC einen Kapa­zitäts­verlust, scheitert der Anlauf des Netzteils. Man findet den leicht auf der Netzseite des Netzteils, dort sind nicht so viele Elektrolytkondensatoren. Netzseite und Niederspannungsseite kann man meistens deutlich unter­scheiden, da sie einen sichtbaren „Sicherheitsabstand haben auf der Leiterplatte haben.

Abb. 10 Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Elkos

Aber auch mit Nennkapazität können Kondensatoren fehlerhaft sein, wenn sie einen zu großen ESR (Equivalent Series Resistance) haben. Anschaulich ist das der Widerstand, der durch das Elektrolyt und die Leitfähigkeit der Aluminiumfolie und Anschlüsse gebildet wird. Lade- und Entladestrom sorgen für einen Spannungsabfall an diesem Widerstand und erwärmen den Kondensator. Dadurch trocknet er weiter ein und das erhöht den ESR, usw. Man kann den ESR messen, mir ist kein gutes Gerät zu amateurfreundlichem Preis bekannt. Vertrauens­erweckend sind erst Geräte mit einem „Innenwiderstand“ jenseits von 250 €, die ich aber nicht besitze. Mit 3 günstigen Geräten habe ich Messwerte erhalten, die sich um mehr als eine Zehner­potenz unter­schieden. Man kann keine feste Grenze angeben, ab Kondensatoren „ok“ oder „nicht ok“ unter­scheiden kann. Falls man ein ESR-Messgerät nutzen kann, kann es zum Vergleich der Werte eines Prüflings mit einem anderen Bauteil nutzen. Von dem sollte man wissen, dass es in Ordnung ist. Die Ladekon­densatoren auf  der Sekundärsete soll­ten ein ESR von ganz deutlich kleiner 1 Ohm haben, primärseitig kann der Wert 1 Ohm auch überschreiten.

Als nächster Schritt sollte man ein Ohmmeter auf den offenen Netzeingang legen. Wenn man einen Widerstand von vielen Kiloohm oder mehr misst, ist das in Ordnung. Bei offenem Eingang lohnt ein Blick auf den Thermistor und die Sicherung, falls vorhanden. Habe schon mal einen Thermistor ohne Durchgang gefunden. Der Gleichrich­ter oder das Diodenquartett sind auch typische Fehlerquellen. Meistens sind dann Diodenstrecken durchlegiert und niederohmig, so dass dann auch die Sicherung auslöst. Hat man bis dahin keine Fehlerquelle gefunden, kann man das Ohmmeter polrichtig auf den Ladekondensator legen. Nach kurzer Aufladung muss man hier einen hohen Widerstand messen. Ist das nicht der Fall, ist der MOSFET Hauptverdächtiger. Der sollte, polrichtig ge­messen, zwischen Source und  Drain nichtleitend sein. Man kann zusätzlich alle "dicken" Dioden auf der Netzsei­te in der Schaltung auf Kurzschluss prüfen, das geht meistens auch eingebaut. Fehler auf der Sekundärseite treten nach meiner Erfahrung nicht so oft auf. Defekte haben dann wiederum der / die Ladekondensator(en) oder der Gleichrichter. Der ist oft eine Doppel-Schottky-Diode, um den Laststrom aufzuteilen. Hat das Netzteil mehrere Ausgangsspannungen, sind mehrere Sekundärwicklungen, Dioden und Ladekondensatoren verbaut., die man ebenso testet.

Das Netzteil streikt immer noch:

Dann kommt man nicht umhin, unter Spannung zu testen.

Die obige Warnung sei verschärft wiederholt. Ein Trenntrafo ist Pflicht, da sonst an jedem Punkt der Schal­tung Netz­spannung anliegt und zwar unabhängig von der Drehung des Netzsteckers! Mit einem Trenntrafo geht des­sen Schutz aber durch den Anschluss eines geerdeten Messgerätes verloren!

Der Anschluss eines Oszilloskops ohne Trenntrafo führt dazu, dass dessen geht geerdeter Masseanschluss ei­nen Kurzschluss verursacht. Das ist für den OM und das Oszilloskop lebensgefährlich! Der Trenntrafo verhindert nur den Kurzschluss, die Masse des Scope verbindet aber die Schaltung wieder mit dem Schutzleiter. Das ist dann genauso wie ohne Trenntrafo. Das verhindern kann man nur durch einen weiteren Trenntransformator für jedes (!) weitere Messgerät mit einem Netzanschluss über einen Schukostecker. [5] Einen Schutzleiter zu unterbrechen ist lebensgefährlich und unzulässig.

Die meisten Netzteile sind heute Weitbereichsnetzteile d.h. sie funktionieren etwa im Bereich zwischen 90 und 260 V. Wenn man einen Stell-Trenntrafo verwendet, sollte man die Eingangsspannung auf knapp 100 V be­schränken. Dann liegen am Ladekondensator immer noch etwa 130 V, das klingt aber besser als 330 V.

Am Ladekondensator wird zuerst gemessen, ist das Netzteil ganz ohne Funktion, folgt der Drainanschluss (meist die Kühlfahne des Schalttransistors). Ein Oszilloskop sollte nur dort verwendet werden, wenn es man einen Teiler­tastkopf mit einer Spannungsfestigkeit von 800 V verwendet.

Schaltbilder der Netzteile sind fast nie verfügbar. Bei einfacher China-Ware haben die Bauteile oft Fantasiebe­zeich­nungen. Dennoch lohnt sich beim Steuer IC mal die Suche nach einem Datenblatt. Damit lässt sich der An­schluss für die Versorgungsspannung finden. [6] Dort sollte man etwas zwischen 12 und 30 V vorfinden. Die ICs liefern fast alle eine  Referenzspannung, die die Peripherie versorgt. Mehr erfährt man im Datenblatt. Dann kann man versuchen, festzustellen, ob wenigstens kurz nach dem Einschalten Pulse auf dem Gate-Anschluss des Schalttransistors zu finden sind. Danach können Schutzschaltungen das IC wieder blockieren. Wenn die Taktim­pulse nach einigen Impulsen wieder ausbleiben, sollte man auch die Versorgung des  IC über Hilfswicklung und Diode prüfen [7]. Notfalls kann man ohne Netzspannung (!) auch einmal eine externe Versorgungsspannung an das IC anlegen. Dazu muss man aber ein Datenblatt haben, um die Höhe der Spannung zu kennen. Wenn das Steuer-IC-Taktimpulse liefert, sollte der MOSFET schalten, falls der nicht schon im Siliziumhimmel ist.

Es gibt auch einige Widerstände, die stark belastet sind. Da ist der Sourcewiderstand des MOSFET, der ab­brennt, wenn der MOSFET zu viel Strom zieht. Sein Wert liegt meistens deutlich unter 1Ohm. Weiterer Kandidat ist der Vorwiderstand, der beim Start den Strom für das Steuer-IC liefert (In Abb. 7 R2) Oft ist der als Reihen­schaltung von mehreren Widerständen realisiert, um den Spannungsabfall am einzelnen Widerstand zu ver­ringern.

Es ist sehr unwahrscheinlich, dass andere Kleinbauteile aus der Regelung Fehlerursache sind. Sie sind elektrisch nur gering belastet, thermischen Stress bekommen sie nur von anderen Bauteilen. Ein defektes Steuer-IC habe ich nur selten gefunden, eher in der Beschaltung darum. Für kleine Leistungen gibt es Chips im TO220-Gehäuse, die das Steuer-IC bereits beinhalten und nur ganz wenig externe Bauelemente benötigen. Da kann nur aus­tauschen, wenn man denn Ersatz bekommt.

Zusammengefasst: Wenn man versteht, wie eine solche Schaltung arbeitet und weiß, was statistisch gesehen oft ablebt, kann man Fehler in Schaltnetzteilen finden. Und das sogar oft, ohne unter Spannung arbeiten zu müs­sen. Damit kann man manches Gerät noch eine ganze Zeit lang vor dem Wertstoffhof retten.

[1] https://www.youtube.com/watch?v=R4p9ChtH-Gc

[2] Bosse, Grundlagen der Elektrotechnik, Mannheim 1976

[3] https://www.elektrofachkraft.de/sicheres-arbeiten/10-grundsaetze-arbeiten-unter-spannung-aus

[4] CQ-DL 2/2023, S. 20

[5] https://www.youtube.com/watch?v=Q8QSarnGstw

[6] https://www.alldatasheetde.com/datasheet-pdf/pdf/29375/TI/UC3842.html

[7] https://www.youtube.com/watch?v=VLj9rVH9oCE bei 4:30

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