Netzteilaufbau – Eine Analyse mit Hintergründen

soulpain

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Netzteilaufbau – Eine Analyse mit Hintergründen

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Es ist nicht einfach zu verstehen, wie ein Netzteil im Innern strukturiert ist und vielleicht sogar noch schwieriger diese wichtige Grundlage zu vermitteln. Da Bilder bekanntlich mehr als tausend Worte sagen, hier der Versuch, anhand eines älteren Musterstückes aufzuzeigen, wo sich welches Bauteil befindet, wie man qualitative Unterschiede bereits optisch aus machen kann zwischen teureren und günstigen Modellen und um ein Gefühl für die Materie zu erlangen. Zwecks dessen folgen recht detaillierte Aufnahmen eines ausrangierten PC-Netzteils in klassischer Bauweise inklusive einer Beschreibung der Komponentenwahl.


Begriffe:

Bei einem gängigen ATX PC-Netzteil handelt es sich immer um ein Schaltnetzteil. Dieses aufwändige elektronische Gerät wandelt die Netzspannung (AC) auf ein anderes Level um, die in Form von Gleichspannung (DC) den PC erreicht. Die Spannung wird hierbei mehrfach angepasst, zunächst gleichgerichtet, dann für den Transformator wieder in eine hochfrequente Rechteckspannung umgewandelt um final erneut gleichgerichtet zu werden.
Das muss durch die Schaltregler (Aufwärtswandler) bezweckt werden, da die einzelnen Bauteile mit unterschiedlichen Strömen arbeiten. Aufbereitet wird das ganze mit Filtermaßnahmen, da durch den Gleichrichter Oberwellen hervorgerufen werden. Oberwellen führen längerfristig zu Überhitzungen mit Geräuschentwicklung. Die Elektromagnetische Interferenz (EMI) muss kompensiert werden. Eine Filtereinheit verhindert das Zurücklaufen von derartigen Störungen in das Stromnetz.

Y-Kondensator: Ein kleiner meist blauer Kondensator, der Störungen über den Nulleiter ableitet.
X-Kondensator: Ein eckiger Kondensator, der Taktstörungen kurzschließt.
MOSFET: Ein Feldeffekttransistor mit einer isolierenden Schicht aus Metalloxid. Diese Halbleiter leiten/blockieren Ströme, stellt also eine Art Ventil dar.

Aufbau:

Schaltnetzteil.gif

Quelle: Wikipedia

Bevor es nun losgeht der Hinweis, dass man es grundsätzlich als Endkunde vermeiden sollte, ein Netzteil zu öffnen, da sich einerseits weiterhin Restspannungen in den Ladeelkos befinden können und andererseits die Garantie auf ein solches Produkt verloren geht, falls man bei Arbeiten im Innern etwas beschädigen sollte. Bei diesem Exemplar war die Ruhephase lang genug, um kein Risiko einzugehen und Garantie wird aktuell auch nicht mehr gewährt.

insidekomplettqa3.jpg


1) Eingangsfilterung
2) PFC Sektion
3) Zentraler Bereich mit Transformatoren
4) Ausgangsfilterung
5) PWM Sektion mit Einzelchip



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Zunächst einmal haben wir ein mausgraues Standardgehäuse ohne aufwändige Lackierungen und eher klapprig wirkend aufgrund der geringen Materialdicke mit einer begrenzten Steckeranzahl als Systemanschlüsse (1). Dort in der Tabelle (2) stehen neben der Wattangabe auch noch ein Firmenname, Warnhinweise in mehreren Sprachausgaben und weitere Produktdetails. Dabei handelt es sich um ein Unternehmen mit der Bezeichnung „CMP“. Von hinten betrachtet (3) sieht man die Steckervorrichtung des Eingangsbereiches, in die der Kaltgerätestecker zum Zweck der Stromzufuhr aus der Steckdose angefügt wird. Gekennzeichnet ist das ganze für das europäische Stromnetz mit 230VAC, einen Schalter zum Umlegen auf amerikanische Maße beispielsweise ist in dem Fall nicht möglich. Man kann dieses Modell also nicht mit in die USA nehmen, um es dort weiter zu verwenden. Aktive Mechanismen erlauben durch den Weitbereichseingang meist eine allumfassende Verwendungsmöglichkeit in mehreren Ländern. Hinzu kommen noch der Ein/Aus Schalter als auch Entlüftungslöcher in Gitterstruktur, die durch ihren Durchmesser bereits verraten können, dass es sich intern um ein 80mm Lüfter Fabrikat handeln muss, das für den vorgesehenen Luftstrom horizontal zur Platine ausgerichtet ist.

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Zum Öffnen des Netzteils mussten zunächst 4 Schrauben am Deckelstück (1) gelöst werden, um eine Innenansicht zu ermöglichen. Jedoch lies sich die Haube nicht weit vom eigentlichen Gerät entfernen, da die PFC-Drossel an selbiger (2) befestigt und somit mit der Leiterplatte verbunden war. Hierzu mussten weitere 4 Schrauben der Drosselhalterung (3) entfernt werden. Diese PFC Einheit ist eine passive Lösung, die im Gegensatz zur aktiven als Filtermaßnahme weniger effektiv ist bei der Entgegenwirkung störender Oberschwingungen bei nichtlinearer Stromaufnahme. Zudem bewirkt die aktive Lösung eine bessere Kompensation der Blindleistung. Dafür sind diese Baugruppen passiver Art einfacher herzustellen und weniger anfällig als eine komplexere Schalteinheit mit PFC IC als Steuerung und einer Spule als auch dem in beidem Fall vorhandenen Primärkondensator. In Europa ist eine passive Korrektur als Minimum vorgeschrieben, Netzteile gänzlich ohne diese sind nicht gestattet.
Was nach der aus Übersichtsgründen abgelöteten Drosselspule auffällt ist deren Gewischt, welche mit 350g gegenüber dem Rest mit 910g durchaus enorm ist und das Netzteil insgesamt deutlich schwerer macht. Die Gesamtmasse beträgt also in dem Fall 1260g.

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Doch eigentlich sind wir damit schon einen Schritt zu weit, denn die Verbindungskabel der PFC-Drossel sind sichtlich weiter hinten angebracht worden. Zuvor folgt die EMI-Filterung direkt hinter dem Eingangsbereich, vertreten durch eine kleine Schwesterplatine (1) mit einem eckigen X-Kondensator und der ersten Spule. Neben dem Schutzleiter (Kabel in grün mit gelbem Faden) führen uns zwei ergänzende Kabelstränge (Kabel in schwarz und weiß) weiter, in letzterem Fall auf die eigentliche Hauptleiterplatte mit den meisten der installierten Bauteile.

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Nun folgt der zweite Teil (1) der Filtereinheit, zuvor noch die allseits bekannte Schmelzsicherung als Sollbruchstelle gegen zu hohe Ströme. Hier finden wir erneut einen X-Kondensator, analisiert als MEX-X2, zwei blauen Y-Kondensatoren sowie einem Spulenturm (EE-25 TUV). Hier wird es nun interessant, da sich bereits einige Qualitätseinbußen mit dem Preis anbahnen. Drei Stellen wurden hier überbrückt. Statt der Gleichrichterbrücke findet man hier für die jeweiligen Spannungsbereiche nur einzelne Dioden, also auch dort eine Kosteneinsparung. Immerhin befindet sich in unmittelbarer Nähe dazu der beige MOV (Metal Oxide Varistor). Und noch ein interessantes Detail lässt sich erkennen, nämlich „WAN NIEN“; der eigentliche Hersteller mit dem vollständigen Namen Wan Nien Electric Appliance Co., Ltd. Über diesen scheint nicht alzu viel bekannt zu sein, nur dass diese zu dem Meer an Produzenten aus Taiwan angehörig sind und bereits einige Jahre auf dem Buckel haben. Also durchaus ein erfahrenes Team mit Ingenieuren, die wohl dort an beinahe jeder Ecke sparen mussten. Anschließend kann man zwei primäre Kondensatoren (2) antreffen mit 2x 200V (=400V), also ohne Pufferzone nach oben, da ähnliche Spannungen im Primärkreis erreicht werden und das schon mal böse Enden kann, wenn es zu einer Überbelastung kommt. Beschriftet sind diese mit der Bezeichnung HEC ZR85°CS (85 wohl für 85°C als Maximaltemperatur) und der Kapazität mit jeweils 470 microFarad. Von der anderen Seite (3) betrachtet man zwei weitere Bauteile, rechts erneut ein einsamer Y-Kondensator. Man kann sich sehr gut herleiten, wo welches Bauteil in dem Design zu stehen hat, da die Platine ausreichend beschriftet ist. THR1 für den Thermistor, CX1 (hintere Zahl variabel) für einen X-Kondensator und ein CY1 (hintere Zahl variabel) für einen Y-Kondensator.

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Darauf folgt der passend dem Lüfterkonzept angeschraubte erste T-förmige Kühlkörper, an denen die Halbleiter als Ventile der PFC Sektion bereitstehen. Auf dem Äußeren sieht man ein F wie Fairchild Semiconductor. Drei an der Zahl, denn jetzt kommen im zentralen Bereich (1) ebenso drei Transformatoren. Der für die Generierung der Hauptspannung zuständige und damit größte BCK-01C, direkt daneben der kleinste mit der Beschreibung Hi-Pot als 5VSB Standbytransformator und rechts außen ein mittelgroßer für den PWM Abschnitt.


Jetzt sind wir bereits bei der zweiten Kühlrippe mit weitern MOSFET Halbleitern (1), wovon wir einen als MOSPEC Produkt identifizieren können mit der Modellnummer F12C20C. Als Temperaturspezifikation haben wir hier -65°C bis 150°C bei 200V, 12A. Dazu kommt der große Mittlere und ein weiterer kleiner ganz außen. Diese sind nach der Ausgabe des Transformators das Folgebauteil für die einzelnen Spannungen +5V, 3,3V und +12V bzw. die abgeleiteten -12V oder auch -5V.


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Ein weiterer Sparmechanismus kann sich nun sekundär nicht verbergen. Es wurde klar, dass 3,3V nicht nur von 5V abgeleitet wurden, sondern noch nicht mal eine eigene Ausgangsfilterungseinheit haben. Man spricht von einer so genannten Gruppenfilterung (1). Hier sehen wir klar, dass nur eine große Spule statt zwei (eine für +12V, eine für die kleineren) oder noch hochwertiger drei (für jede Hauptschiene eine) vorgesehen und integriert waren. Leider ein oftmals auftretendes Erscheinungsbild bei einfachen Netzteile im Budgetsegment, dass jegliche Begeisterung vermissen lässt. In wie weit die praktisch falsch gefilterte 3,3V Schiene (orange Kabel) innerhalb der ATX Spezifikation liegen, lässt sich nun nicht mehr feststellen. Eigentlich will man es auch lieber nicht wissen. Die Wahl der Elektrolykondensatoren ist auch nicht sonderlich überzeugen wenn auch scheinbar ausreichend unter den Bedingungen, im Teilstück sehen wir nämlich 105°C Varianten von JEE als auch Unite. Die günstigsten ihrer Art nicht nur firmenintern und wohl kaum mit einer guten Performance bei hohen kapazitiven und temperaturbedingten Belastungen gesegnet. Fehlerraten fallen hier deutlich höher aus als bei geeigneter Komponentenwahl wie etwa höherwertige von United Chemicon, es zählt also auch die Marke im Einzelnen, nicht nur der Hersteller als solcher im Ganzen.
Zu guter letzt sehen wir den Chip für die PWM Sektion von Fairchild, den KA7500B SMPS Controller.
Ein Sicherungschip fehlt ganz.


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Als entscheidendes Gebiet hätten wir noch den Lüfter (1, 2), zu Anschaungszwecken entfernt, der wie vermutet den Maßen 80mm entspricht. An der Stelle erstaunt es ein wenig, dass sich ein Label ermitteln lässt, welches nur ein Urteil zulässt, nämlich dass es sich nur um einen Powermax FM802512M handeln kann. Dieser läuft mit 12V bei 0.14A und war im Betrieb oftmals sehr leise. Angeschlossen wurde das ganze an einer weiteren zusätzlichen Platine zur Kontrolle der Drehzahlen. Kein Wunder also, dass hier recht lautlos operiert wird bei einer intensiven Steuerung. Befestigt war dieser ebenfalls mit 4 Schrauben, die in dem Zusammenhang gelöst wurden.

Letzten Endes lässt sich zusammentragen, dass man sehr schnell erkennen kann durch einen halbwegs geschulten Blick, wo ein Netzteilhersteller spart, um sich dem Kunden durch Preise attraktiv zu präsentieren. Wobei Herstellungen ohnehin selten über 10€ an Kostenaufwand im Einzelnen mit sich bringen. Weiterhin zeigt diese Analyse einmal grob, um was für ein Gerät es sich denn handelt, dass jeder in seinem PC am Laufen hat und an dem Spielerträume scheitern. Denn ein Netzteil liefert zwar keine zusätzlichen FPS, aber bei falschem Geiz zeigen sich bald überhaupt keine Bilder mehr auf dem TFT.

Im Originalzusammenhang auf Consult-Us.
 
Zuletzt bearbeitet:
Man jung du hasst echt Ahung! Respekt!

Sehr hilftreich auf jedenfall, schön aufgebaut und einfach erklärt mal wieder top!

peace
 
Man sieht das du dir Mühe gegeben hast ;) Dafür ein großes Lob ;)
Allerdings ist dieser Artikel alles andere als "leicht verständlich" für User die nicht vom Fach sind. Es tauchen viele Fremdwörter auf, die nicht erklärt werden wie z.B Drosselspule, EMI-Filterung, X-Kondensator, MOSFET, PWM... usw...
Dies sind Elemente die von erheblicher Bedeutung sind um ein Schaltnetzteil zu erklären. Außerdem fehlen wichtige Informationen. Warum heißt es eigentlich Schaltnetzteil? Ich denke da an hoche Frequenzen, EMV-Abschirmung, Störung (Oberwellen) und das wichtigste überhaupt, der Schalt-Regler (Boost-Konverter, Buck-Konverter und wie sie alle heißen..)
Mir passt die Überschrift auch nicht :P Es gibt auch lineare Netzteile und diese funktionieren nach einem ganz anderen Prinzip. Das Wort Netzteil sollte man nicht verallgemeinern.
 
Naja wer den Artikel liest und was nicht versteht muss eben mal kurz Googlen.....

Wenn ich mir en Artikel über Herzchirurgie durchlese versteh ich auch kein Wort, das is ja auch nich für absolute Neulinge Gedacht die können mit so einem Artikel natürlich nichts anfangen wieso sollten sie auch sowas lesen?

Wikipedia und Duden:

Ein Netzteil ist ein eigenständiges Gerät oder eine Baugruppe zur Versorgung mit elektrischer Energie für Geräte oder Baugruppen, die andere Spannungen und Ströme benötigen, als vom Stromnetz bereitgestellt wird. Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom können fest eingestellt oder variabel sein.

Klar is en Netzteil nich nur für PC´s alles hat heutzutage ja fast eins...

Peace
 
Es gibt aber 2 Typen.
1. Linearenetzteile
2. Schaltnetzteile

Aber du hast schon Recht ;)
War ja auch net böse gemeint.
 
Ich bin eben auch kein gelernter Elektroniker, aber zu den Begriffen habe ich oben noch einen kurzen Text hinzugefügt, der hoffentlich in Ordnung ist.
Ein Teil steht ja auch in der FAQ, der ganze Theorieteil teilt sich über mehrere Berichte auf.
 
vllt könntest du ja noch erwähnen wie aus 230V 400V werden
ich gehe einfach ma davon aus das das mit dem * wurzel 2 hier nicht jeden klar ist
 
Respekt!
da hast du dir echt mühe gemacht! So detailiert wollt ich zwar nie über netzteile bescheid wissen, aber dennoch dank dafür!!! ;-)
 
Lob fuer die Muehe, aber ein paar Sachen sollte man etwas umschreiben. Hab bis jetzt nur den ersten Abschnitt gelesen:

Bei einem gängigen ATX PC-Netzteil handelt es sich in der Regel um ein Schaltnetzteil.

Dieses aufwändige elektronische Gerät wandelt die Netzspannung auf ein anderes Level um, die in Form von Gleichstrom den PC erreicht.

Ersetze "in der Regel" durch "immer".

Man wandelt keine Spannung in Strom um.
Vorschlag: Ein NT wandelt die Netzspannung in Gleichspannung(en) von niedrigerem Level um.


/edit:
mit einer begrenzten Steckeranzahl als Systemanschlüsse (1), die daran Zweifeln lässt, ob wirklich eine Leistung von 350W abgegeben werden kann.

SEHR gewagte These anhand der Anschluesse auf die Leistungsfaehigkeit zu schliessen. Am besten den Satz komplett streichen oder zumindest alles nach dem Komma.


Diese PFC Einheit ist eine passive Lösung, die im Gegensatz zur aktiven als Filtermaßnahme weniger effektiv ist bei der Entgegenwirkung störender Oberschwingungen bei nichtlinearer Stromaufnahme. Zudem bewirkt die aktive Lösung eine Kompensation der Blindleistung.


Das tut die passive auch, denn dazu ist eine PFC da. Sie ist nur weniger wirkungsvoll.
 
Zuletzt bearbeitet:
Danke, es ist ausgebessert.
 
Um ein Schaltnetzteil zu verstehen bedarf es weit aus mehr als der Wiki Artikel. Man muss jedes Bauteil kennen. Und davon gibt es viele in einem SN ;)
Das Blockschaltbild gibt aber aufschluss wie ein Schaktnetzteil funktioniert.

Nicht verzweifeln, wenn man es auf den ersten Blick nicht versteht. Wichtig ist für den normal User ja nur das spannung raus kommt :D

PS. Das Schaltnetzteil ist Thema im 2/3. Ausbildungsjahr. Man braucht also eine menge Vorwissen.
 
Bild 2 (das mit den beiden Elkos) ist nicht richtig verlinkt, das führt nur auf die imageshack Startseite

/edit:

Statt der Gleichrichterbrücke findet man hier für die jeweiligen Spannungsbereiche nur einzelne Dioden, also auch dort eine Kosteneinsparung.


Kosteneinsparung ist nicht immer gleichbedeutend mit schlechterer Qualität. Einen Brückengleichrichter kann man auch aus 4 einzelnen Dioden aufbauen.
Die Dioden der Primärgleichrichtung müssen auf mindestens 6 A ausgelegt sein (2A sind zu wenig), integrierte Brückengleichrichter muss man dabei meistens mit einem Kühlkörper kühlen, Einzeldioden nicht.

/edit2:

Darauf folgt der passend dem Lüfterkonzept angeschraubte erste T-förmige Kühlkörper, an denen die Halbleiter als Ventile der PFC Sektion bereitstehen

Fett markierter Teil ergibt keinen Sinn. Die passive PFC hat nichts mit irgendwelchen Halbleitern zu tun.
Vom Netzanschluss aus gesehen ist die Reihenfolge der Bauteile immer folgende:

Netzfilter-> PFC-Drossel -> primärer Geichrichter -> Glättungselkos -> Schalttransistoren -> Trafo

Die Bilder sind leider nicht besonders gut, so dass es mir schwer fehlt, immer den Zusammenhang zwischen Bild und Text zu erkennen.
 
Zuletzt bearbeitet:
Das Bild ist im Original auch nicht größer, deshalb hat sich da diese verkleinerte Verlinkung erübrigt.

Eine Skizze ist keine schlechte Idee. Kann man ja grob gestalten ohne zu sehr ins Detail zu gehen.
Input Stromnetz mit 230V Wechselspannung- EMI-Filterung - Gleichrichterbrücke - PFC Sektion mit Gleichspannung bei bis zu 400V - MOSFET - Transformator bei Rechteckspannung - MOSFET - Gleichrichterdioden - Ausgangsfilterung (12V, -12V, 5V, (-5V), 3,3V) Gleichspannung - Output.

Nur sieht das bei mir immer ... aus, nun ja, kann jemand eine Skizze machen, so das es schön aussieht?
 
Um ein Schaltnetzteil zu verstehen bedarf es weit aus mehr als der Wiki Artikel

danke
mußt du mir nicht erklären, ich hab die Ausbildung hinter mir

@Soulpain

die Skizze war nur ein winziger Ansatz
der Text der dann Bilder und Skizen erklärt, muß auch stimmen und da haperts gewaltig

recherchier doch erst mal gründlich und mach dich mit der Materie wirklich vertraut, da könnten auch einige Fachbücher helfen

einen Elko mit Namen zu kennen, hat nichts mit Netzteil Wissen zu tun ;)
 
Zonk4 schrieb:
danke
mußt du mir nicht erklären, ich hab die Ausbildung hinter mir


Nur weil der Post von mir genau unter deinem ist, war dieser nicht an dich gerichtet. Es ist mir klar das Leute die was in Richtung Elektronik gelernt haben das auch verstehen. Ich meine damit auch nur das es schwer ist für unerfahrene Leute den Aufbau zu verstehen. Vor 2 Jahren hätte ich das auch nicht kapiert :P

Wichtig ist aber noch der Schaltregler. Denn ein elektronischer Schalter zerhackt die Spannung in eine Rechteckspannung mit einer sehr hohen Frequent (>100kHz). Die Ausgangsspannung wird auch ständig durch einen Controller überprüft.
PAtex28.gif

Bild-Quelle: www.et.uni-magdeburg.de
Dieser Buck Konverter z.B zerhackt (Schaltet) die Spannung. Der FET ist in diesem Fall ein elektronischer Schalter.

Auch wird der Trafo in einem Schaltnetzteil Übertrager genannt, den unter einem Trafo verstehe ich 2 große schwere Spulen auf einem Weicheisenkern. Und dann wäre unser PC-NT 2kg schwer :P

Aber wie gesagt, der Artikel oben ist super. Aber für Leute die mehr wissen wollen nur eine kleine Übersicht.
Vielleicht kannst du das Blockschaltbild von Wikipedia in deinen Artikel aufnehmen.
Hier ist das Bild:
Schaltnetzteil.gif

Bild Quelle: Wikipedia
Hier kann man sehr schön die Regelung (4. Schalten) sehen. Auch das die Ausgangsspannung immer wieder durch OP Schaltungen reguliert wird. Wichtig ist auch die galvanische Trennung der Ausgangsspannung zum Schaltregler.
 
Zuletzt bearbeitet:
Nur aus Interesse das wäre welche Ausbildung? Also als IT-Systemelektroniker nie gelernt^^

Peace
 
Also ich lerne Elektroniker für Geräte und Systeme.
War damals der Kommunikationselektroniker.
 
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