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Grundsätzliche Funktion
Für die eingangs bereits erwähnte Wandlung der Netzspannung von 230 V auf die im Rechner genutzten Niederspannungen werden im Netzteil verschiedene Stufen benötigt. Im Eingangsbereich ist zuerst eine Filterstufe geschaltet, die dafür sorgen soll, dass netzseitige Störungen herausgefiltert werden und im Gegenzug auch das Netzteil selbst keine Störungen ins Stromnetz sendet, was andere empfindliche Geräte im Haushalt stören könnte. Neben Entstörkondensatoren finden hier je nach Variante auch Spulen oder Varistoren Verwendung.
Nach der Eingangsfilterung durchläuft der Netzstrom die PFC-Stufe des Netzteils, welche die Stromaufnahme des Netzteils "normalisiert", damit das Stromnetz nicht unnötig belastet wird. Normalisieren bedeutet hier, dass möglichst keine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom auftreten soll und sich das Netzteil am Wechselstromnetz ähnlich wie ein ohmscher Verbraucher verhält. Ohne die in üblichen und modernen PC-Netzteilen verwendete aktive PFC-Stufe wäre die Stromaufnahme sehr ungleichmäßig, was Stromnetz und andere Verbraucher beeinflussen würde. Bei einer aktiven PFC wird der eingangsgefilterte Wechselstrom gleichgerichtet und mittels einem auf eine "sinusförmige und phasengleiche" Stromaufnahme geregelten Aufwärtswandler auf meist ungefähr 380 V gebracht.
Diese am Primärkondensator anliegende Gleichspannung wird dann mittels der PWM-Steuerung und einer Kombination aus MOSFETs in eine hochfrequente (bis zu 125 kHz) Wechselspannung umgewandelt. Diese hohe und hochfrequente Wechselspannung wird dann ganz klassisch durch den eigentlichen "Transformator" in eine niedrige Ausgangsspannung transformiert. Die dann immer noch hochfrequente, aber nun niedrige Ausgangsspannung wird dann gleichgerichtet, was dann bei modernen Netzteilen üblicherweise die 12 V ergibt.
Diese Gleichrichtung erfolgt beim Verfahren "Synchronous Rectification" mittlerweile auch intelligent bzw. gesteuert über weitere MOSFETs. Bei einem Netzteil mit DC-DC-Wandlern werden dann die weiteren Spannungen wie 3,3 V und 5 V mithilfe von weiteren kleinen Spannungswandlern aus den 12 V generiert. Bei einfacheren "gruppenregulierten" Netzteilen werden die Nebenspannungen über zusätzliche Wicklungen direkt im Haupttransformator erzeugt, was den Nachteil hat, dass die einzelnen Spannungen anders als bei einem Modell mit DC-DC-Teil, nur gemeinsam und nicht einzeln geregelt werden können, was bei einer ungleichmäßigen Lastverteilung zu Problemen führen kann.
Eine besonders präzise Regulierung der Ausgangsspannungen war schon immer das Merkmal von High-End-Netzteilen. Die Spannungsregulierung ist aber über die Jahre bei allen Markennetzteilen deutlich besser geworden und wir hatten schon sehr lange kein Markennetzteil mehr im Test, welches Probleme mit der Spannungsregulierung hatte.
Unterschiedliche Arten der Spannungswandlung - Topologien
Bei Netzteilen ist manchmal der Begriff der Topologie zu lesen. Darunter verbirgt sich die Methode, nach der das Netzteil im Kern, also der Bereich der eigentlichen Spannungstransformation arbeitet. Andere Bereiche des Netzteils wie Eingangsfilterung, PFC oder auch die Gleichrichtung der Sekundärspannungen arbeiten meist immer mehr oder weniger gleich. Der Kern der Spannungswandlung besteht daraus, wie die Energie der ~380-V-Gleichspannung der Primärkondensatoren letztendlich in der Sekundärwicklung des Transformators landet. Wesentliche Bauteile in diesem Bereich sind der Controller und die in Halb- oder Vollbrückenschaltung verwendeten MOSFETs, plus je nach Topologie noch zusätzliche passive Elemente.
Die wohl bekannteste Topologie im "gehobenen" Netzteilbereich dürfte die sogenannte LLC-Resonanzwandler-Topologie sein. Hier kommen vereinfacht gesagt neben der Primärspule (L) des Transformators noch eine weitere Spule (L) und ein Kondensator (C) zum Einsatz, sodass sich "hinter den MOSFETs" ein Reihenschwingkreis aus zwei Spulen und einem Kondensator ergibt (LLC). Dieser LLC-Schaltkreis ist dafür zuständig, die Wechselspannung zu harmonisieren. Dieser Prozess sorgt dafür, dass der Strom fast eine perfekte Sinuskurve beschreibt. In dieser Form ist die Effizienz in der Haupttransformation am höchsten. Ebenfalls wichtig für die Effizienz ist Ansteuerung und Charakteristik der MOSFETs.
Die LLC-Resonanzwandler-Topologie tauchte zuerst im High-End-Bereich auf, ist mittlerweile aber auch in Midrange-Modellen und bei mittleren Leistungsklassen zu finden. Dennoch sind LLC-Resonanzwandler-Modelle aufgrund der erhöhten Komplexität und den damit verbundenen Kosten weiterhin dem etwas gehobeneren Segment vorbehalten.
Richtig auf dem PC-Markt angekommen, ist die LLC-Resonanzwandler-Topologie auf dem Markt für PC-Netzteile vor mehr als zwölf Jahren, aber die ersten Jahre waren derartige Modelle aufgrund der Kosten nur im hochpreisigem Segment zu finden. Mittlerweile verwenden auch die meisten Mittelklasse-Netzteile diese Topologie, aber in der Zwischenzeit waren auch andere Topologien in Verwendung.
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