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