ASR - Wie arbeitet ein Netzteil?


Sie haben eine neue Komponente für Ihre Hifi Anlage gekauft, zum Beispiel einen Verstärker. Zu Hause schließen Sie
das Gerät ganz selbstverständlich zur Energieversorgung an die Steckdose an. Wie das überhaupt funktioniert, wie die Zusammenhänge sind, was dabei zu beachten ist, soll Gegenstand dieses kleinen einführenden Artikels sein. Damit wir
die Grundlagen erstmal ver-stehen lernen bleibt's am Anfang etwas technisch. Wie sich diese ganze Technik auf unser
Musikerlebniss auswirkt, wird später erörtert.

Hifi Geräte arbeiten mit Gleichspannung, unser Stromnetz liefert Wechselspannung!
Fast alle elektronischen Geräte arbeiten mit Gleichspannungen. Hifi Geräte mit Transistoren wer-den mit Gleichspannungen
von 12 - 100 Volt betrieben. Röhren benötigen höhere Gleichspan-nungen von bis zu 500 Volt. Unser Lichtnetz stellt uns aber eine Wechselspannung von 230 Volt mit einer Frequenz von 50 Hertz bereit. Diese muß erst mal umgewandelt werden.


Was ist der Unterschied zwischen Wechsel- und Gleichspannung?
Bei einer Gleichspannung ( zum Beispiel aus einer Batterie ) haben die beiden Anschlüsse der Spannungsquelle immer die gleiche Polarität, der eine ist Plus, der andere ist Minus. Bei einer Wechselspannung ändert
sich diese Polarität dauernd. Die Anzahl der vollständigen Wechsel in einer Sekunde wird in
der Einheit Hertz gemessen. Unser Stromnetz arbeitet mit 50 Hertz. Der Strom fließt 50 mal
in einer Sekunde in die eine Richtung (positive Halbwelle) und 50 mal in der Sekunde in die
andere Richtung (negative Halbwelle). Dabei hat die Schwingung die Form einer Sinuskurve.
Dabei sollten wir schon an dieser Stelle beachten, daß die Spannung dabei 100 mal in der Sekunde den Maximalwert
erreicht und 100mal in der Sekunde Null ist!


Warum arbeitet unser Stromnetz mit Wechselspannung?
Unser elektrische Energieversorgung ist zentral mit wenigen großen Kraftwerken aufgebaut. Deshalb muß die Energie über Hochspannungsleitungweite Strecken mit möglichst geringen Verlusten transportiert werden können. Dafür braucht man sehr hohe Spannungen von bis zu 400.000 Volt. Mit diesen sehr hohen und deshalb gefährlichen Spannungen können wir zu Hause natürlich nichts anfangen. Also müssen wir die Spannungen
in andere Höhen umsetzen. Und das geht besonders leicht mit Wechselspannungen mit einem sogenannten Transformator. Diese sehr hohen Spannungen von der Überlandleitung werden in
der Stadt erst mal auf 20.000 Volt umgesetzt. In der Nähe Ihrer Wohnung steht dann wieder ein kleines Transformatorenhäuschen, aus dem Ihr Haus mit den uns bekannten 230 Volt versorgt wird.


Was ist Drehstrom?
Heutzutage wird praktisch jedes Haus für besonders kräftige Stromverbraucher wie Herde und Durchlauferhitzer mit 400 Volt DrehstromDrehstrom versorgt. Was ist das? Ganz einfach drei Wechelspannungen, die jeweils um ein Drittel der gesamten Schwingungszeit versetzt sind. Die Generatoren im Kraftwerk erzeugen sowieso alle Drehstrom. Unser übliche Wechselspannung von 230 Volt ist also im Prinzip nichts anderes als ein Drittel des Drehstroms!

Für was wird brauchen wir diesen Drehstrom? Für sehr hohe Belastungen ab 3000 Watt (ein üblicher Durchlauferhitzer nimmt 18.000 Watt auf) liefert unsere normalen Wechselspannung nicht genug Strom. Mit Drehstrom laufen große Motoren besonders gleichmäßig. Aus Drehstrom, das sei hier schon mal vorausgeschickt, lassen sich auch besonders gut sehr gleichförmige und saubere Gleichspannungen erzeugen: Die brauchen wir in unseren Hifi Geräten.


Ein Verstärker erzeugt aus Gleichspannung Wechselspannung!
Um die heutzutage am üblichen dynamischen Lautsprecher anzutreiben, brauchen wir Wechselspannungen im Bereich von mindestens 20 bis 20.000 Hertz. Diese Spannung soll so gut wie möglich den Schwankungen des Luftdrucks entsprechen,
die wir als Töne und wenn's harmonisch ist, als Musik hören. Geliefert wird uns diese Spannung vom Tonabnehmer des
Plattenspielers, wo dies in den Auslenkungen der Rille gespeichert ist, oder im CD Spieler, wo ein digitales Abbild der Töne gespeichert wurde.
Ein Verstärker erzeugt diese Wechselspannungen, indem er mehr oder minder große Teile einer möglichst konstanten Gleichspannung auf den Lautsprecher gibt. Dies regelt er mit einem sehr schnell reagierenden Bauteil, so daß am Ausgang diese Wechselspannung anliegt. Damit diese Wechselspannung möglichst genau der Musik entspricht, sollte die Gleichspannung möglichst sauber, gleichmäßig und ungestört sein, so wie sie eine Batterie oder ein Akku liefert. Und
je hochwertiger die Quelle dieser Gleichspannung ist, desto besser wird das Ergebnis. Wenn wir aber ein Gerät an der Steckdose betreiben, so müssen wir erst mal aus der Wechselspannung des Stromnetzes eine Gleichspannung machen.


Wie wird die Gleichspannung im Netzteil erzeugt?
Schauen wir uns dafür als Beispiel mal einen ganz normalen Transistorverstärker mit 2x 150 Watt Sinusleistung an 8 Ohm Lautsprechern an :
Als erstes wird die Netzspannung von 230 Volt mit einem Transformator in zwei Wechselspannungen von 40 Volt umgesetzt. Ein Transformator ist im Prinzip eine ganz einfache Sache : Ein Kern aus magnetisierbaren Material ( meistens Eisenblech )
ist mit mehren Wicklungen Kupferdraht versehen. Die Wicklung für die Eingangsspannung hat zum Beispiel 230 Windungen, die beiden für die Ausgangsspannungen haben jeweils 40 Windungen. Jetzt legen wir 230 Volt Wechselspannung an die Eingangswicklung, wodurch in dem Eisenkern ein magnetisches Wechselfeld entsteht, was im Takt mit der Eingangsspannung mit 50 Hertz schwingt. Dadurch wird in den beiden Ausgangswicklungen eine Ausgangsspannung erzeugt (induziert), die analog der Zahl der Windungen jeweils 40 Volt beträgt. Diese beiden Wechselspannungen können jetzt gleichgerichtet werden. Dafür verwendet man Dioden, die Strom nur einer Richtung fließen lassen, und in der anderen Richtung sperren. Mehrere solcher Dioden werden zu einem Brückengleichrichter zusammen geschaltet, der die Wechselspannung in eine Gleichspannung verwandelt. Diese Gleichspannung ist aber noch lange nicht so "gleich" wie gewünscht, sondern ist 100 mal in der Sekunde maximal und 100 mal Null. Jetzt kommt ein weiteres Element ins Spiel, das diese "gepulste" Gleichspannung in eine glatte, für den Verstärker brauchbare verwandelt. Denn es darf ja wohl nicht sein, daß 100 mal in der Sekunde keine Energie für die Lautsprecher zur Verfügung steht.


Kondensatoren glätten die pulsierende Gleichspannung
Dafür braucht man einen Energiespeicher, der dann wenn die Spannung hoch ist, Energie aufnehmen kann, und wenn keine da ist, diese auch wieder abgeben kann. Im Prinzip macht das jeder Akku, aber die chemischen Reaktionen sind für unsere Zwecke zu langsam. Zur Glättung von Wechselspannungen verwendet man Kondensatoren.
Im Prinzip ein ganz einfaches Bauteil: zwischen zwei Folien aus Metall ( den Elektroden ) befindet sich eine isolierende Schicht, das sogenannte Dielektrikum. Legt man eine Spannung an, so entsteht eine elektrische Feld zwischen den beiden Folien. Nimmt man dann die Spannung wieder weg, so bleibt dieses Feld solange bestehen, bis man die elektrische Ladung wieder entnommen hat.

Was passiert also wenn man einen genügend großen Kondensator an den Brückengleichrichter anschließt: Steigt die Gleichspannung an, so fließt ein elektrischer Strom in diesen Kondensator und lädt ihn auf. Dies geschieht bis zum maximalen Wert der Spannung. Wenn dann die Ladespannung wieder sinkt, bleibt die Spannung am Kondensator erst mal auf der vollen maximalen Höhe. Jetzt fließt ein Strom aus dem Kondensator zum Verbraucher, in unserem Falle dem Verstärker. Dadurch sinkt die Spannung am Kondensator wieder. In der Zwischenzeit geht die pulsierende Ladespannung aus dem Netzteil auf Null und steigt dann wieder an.

Wenn die Ladespannung wieder mindestens so hoch gestiegen ist, das Sie höher als die Spannung am Kondensator ist, wird dieser wieder bis zur maximalen Spannung geladen. Dann wird der Kondensator wieder entladen, geladen, entladen und so fort. Dabei entsteht aber keine richtig gut gleichmäßige und saubere Gleichspannung wie aus einer Batterie! Diese mit einem solchen konventionellen Netzteile erzeugte Spannung schwankt im Takt der 100 Hertz der Ladespannung. Weil man einen Ton von 100 Hertz als tiefes Brummen wahrnimmt, wird dieser Schwankungsanteil als Brummspannung bezeichnet.


Der Transformator arbeitet nur einen kleinen Teil der Zeit!
Strom aus dem Transformator über den Gleichrichter in den Kondensator und den Verstärker fließt praktisch nur kurze Zeit, wenn die Wechselspannung Ihren Spitzenwert hat. Im Prinzip wird nur in diesen kurzen Momenten Energie aus dem Stromnetz entnommen ! Und in dieser kurzen Zeit wird die ganze Energie für den kompletten Betrieb des Verstärkers umgesetzt!
Das hat aber noch einen ganz wesentlichen Nachteil: Da nur ganz kurze Zeit Energie aus dem Netz entnommen wird, wird das Netz im Prinzip auch nur in dieser ganz kurzen Zeit belastet. Dadurch verformt sich dann der Spannungsverlauf weg von der idealen Sinuskurve zu einem eckigen "Irgendwas". Schauen sie sich mal an, wie so ein Netzsinus in Realität aussieht!


Die Gleichspannung aus dem Netzteil ist ungleichmäßig!
Den größten Teil der Zeit versorgt sich unser Verstärker aus dem Kondensator, dessen Spannung ja zwischen den Lade-
zeiten kontinuierlich sinkt! Die Spannung ist also weit davon entfernt, so glatt und gleichmäßig zu sein wie aus einer Batterie. Und man kann sich ja leicht denken, was für Auswirkungen diese ungleichmäßigen Versorgungsspannung auf den Klang
haben wird! Jeder Verstärker kann, abhängig von seiner Konstruktion, Störungen seiner Versorgungsspannung bis zu einem gewissen Maß "wegregeln". Dies stört den Verstärker aber bei der wichtigsten und eigentlichen Aufgabe, ein genaues Abbild der Musik zu liefern.
Ein gleichmäßige und ungestörte Versorgungsspannung ist für einen guten Klang unverzichtbar.


Wie macht man die Gleichspannung sauberer?
Also werden wir versuchen, diese Spannung ein wenig gleichmäßiger zu machen. Eine Möglichkeit ist, ganz einfach den Kondensator größer zu machen. Der doppelte Wert bedeutet ungefähr halb so hohe Brummspannung. Einfach, aber teuer.
Eine weitere Möglichkeit ist es, die Gleichspannung zu regeln. Dazu geben wir über ein Art einstellbaren Schalter, den sogenannten Spannungsregler, die unsaubere Spannung auf einen weiteren Kondensator, aber immer nur soviel, daß ein etwas geringerer Spannungswert dort ankommt. Jetzt überwachen wir diese Spannung und vergleichen sie mit einem Sollwert. Ist sie kleiner als der Sollwert, öffnen wir diesen Schalter und laden den Kondensator, ist sie zu hoch, schließen wir den Schalter. Damit können wir schon ohne großen Aufwand eine gleichmäßigere Spannung erhalten. Leider ist auch die nicht perfekt, sondern schwankt immer ein wenig um den Sollwert. Und zwar meistens, je nach Auslegung dieses Spannungsreglers mit einer viel höheren Frequenz als die 100 Hertz Brummspannung. Und das kann man hören! Außerdem ist ein guter Spannungsregler praktisch fast so aufwendig wie der ganze Rest vom Verstärker. Deshalb werden praktisch nur Vorstufen mit geringem Stromverbrauch geregelt, bei den Leistungsverstärkern ist dies eine ganz seltene Ausnahme. Und ein Regler muß im Klang auch nicht besser sein als eine große Menge Kondensatoren. Da hat man es wenigstens nur mit Störungen im Bereich von 100 Hertz zu tun, ein Regler kann neue Störungen bis zum Mega- Hertz Bereich produzieren


Warum große Transformatoren?
Je größer wir aber den Kondensator machen, desto mehr Energie müssen wir in kurzer Zeit aus dem Transformator
herausholen! Das heißt, die sogenannten Ladestrompulse werden auch wesentlich größer. Ein kleiner Trafo ist dadurch leicht zu überfordern!
Der Ausweg ist ein großer Transformator mit einem dicken Eisenkern ( Der die Energie auch etwas speichert ), und dadurch nicht so schnell zusammenbricht. Leider ist so ein großer Transformator schwer, unhandlich, sehr teuer und hat ein starkes magnetische Feld um sich herum. Dieses magnetische Feld kann dann in die empfindlichen Bauteile des Verstärkers hineinstreuen und dadurch den Klang verschlechtern. Außerdem vibriert jeder Trafo auch mechanisch, das man Ihn allein schon deshalb möglichst weit entfernt von den empfindlichen Bauteilen des Verstärker einbauen sollte! Also, nehmen wir doch lieber gleich ein separates Netzteil! Das nimmt zwar Platz weg, ist aber die einzig konsequente Lösung!


Ein Verstärker braucht meistens nur wenig Strom
Wie laut hören sie? Zimmerlautstärke im normalen Wohnraum? Wieviel Watt braucht man dafür? 50, 10 oder 5 Watt?
Nein noch viel weniger, meistens gerade mal 1/10 Watt! Deshalb braucht unser Verstärker normalerweise auch nur ganz
wenig Strom, je nach Konstruktion vielleicht gerade mal 50 Watt. Besonders der Transformator und die Endstufen haben kräftige Verluste auch schon im Leerlauf.
Von der herein gesteckten Energie kommt also meistens nur ein kleiner Teil beim Lautsprecher an. Anders sieht es aus, wenn's mal laut zugeht. Für einen kräftigen Baßschlag können schon mal 2x 200 Watt nötig sein! Die meisten Verstärker haben nur 60 % Wirkungsgrad, brauchen also mal auf die schnelle gut 680 Watt. Und wenn der Lautsprecher einen niedrigen Innenwiderstand hat, können auch ganz schnell mal 2000 Watt in der Spitze daraus werden.
Und das ist doch schon ein riesiger Unterschied. Im Durchschnitt sind es doch höchstens mal 100 Watt, auch wenn Sie
nahe an der Schmerzgrenze hören. Aber diese Spitzenleistung muß das Netzteil schon mal verkraften können. Es muß besonders von seinem Trafo her kurze Zeit enorme Leistung liefern können. Was passiert, wenn wir versuchen mehr Leistung herauszuholen als er verkraften kann : Der Eisenkern kann diese hohen magnetischen Felder nicht mehr aufbauen und wird "übersättigt". Dabei begrenzt er seine Ausgangsleistung, und die Wechselspannung die er abgibt wird unsauber. Damit wird natürlich auch die daraus abgeleitete Gleichspannung gestört. Dadurch arbeitet auch der Verstärker nicht mehr so sauber, seine Ausgangsspannung wird verformt und durch die hohen Frequenzen die dabei entstehen gestört. Der Verstärker klingt dann hart und scharf.
Also brauchen wir Transformatoren, die schon im Leerlauf effizient arbeiten, dabei aber auch mal für kurze Zeit sehr hohe Leistung liefern können. Das ist im Prinzip fast ein Widerspruch in sich, denn kleine Trafos können keine hohen Spitzen-
leistungen liefern, große Trafos brauchen mehr Ruhestrom. Ein Trafo für einen Verstärker mit seinem stark wechselnden Leistungsbedarf ist also ein Spezialfall.


Ein wenig Trafo- Technik
Jetzt steigen wir mal ganz tief in die Materie ein und besprechen den Aufbau verschiedener Typen von Netztransformatoren.
Der auch heute noch am meisten eingesetzte Typ hat einen Wickelkörper, auf den die Wicklungen einfach von außen aufgebracht werden. Dann werden die M förmigen Bleche mit Ihrer inneren Lasche in diesen Wickelkörper von beiden Seiten eingesteckt. Das magnetische Feld fließt also nicht nur in der Spule, sondern auch außen herum. Man hat einen sehr großen Blechkörper, in dem sich die magnetische Energie gut verteilt.
TrafoTrafo Heute modern sind die sogenannten Ringkern- Transformatoren. Um einen runden, geschlossenen Kern werden die Spulen gewickelt. Das ist von der Theorie her ideal,
da der Kern sich nur innerhalb der Spule befindet. Dadurch dringt weniger Feldenergie nach außen, das sogenannte Streufeld wird geringer, und der Trafo arbeitet effizienter. Warum hat man denn diese Sorte von Trafo nicht schon früher genommen, und warum werden auch heute noch die meisten Trafos
mit den sogenannten Mantel Kernen aufgebaut?


Das hat zwei Gründe:

Zuerst mal ist so ein Ringkerntrafo schwierig zu fertigen. Der Kupferdraht für die Spulen muß nämlich immer wieder durch das Loch im Ringkerns gesteckt werden und die Spule ist deshalb nur schwer gleichmäßig und sauber zu wickeln. Beim normalen Trafo werden einfach die Kupferdrähte auf den offenen Spulenkörper sauber nebeneinander gewickelt, und die Bleche später eingesteckt.
Der zweite Grund ist die Qualität des Kernmaterials. Das für Trafokerne verwendete Eisenblech kann nur ein magnetische
Feld bis zu einer gewissen Stärke verkraften, dann ist es "gesättigt". Der Kern eines Ringkerntrafos ist viel kleiner als ein vergleichbarer M Kern und muss deshalb auch viel mehr magnetische Energie verkraften können. Und so hochwertiges Trafoblech ist nun mal sehr teuer und war früher kaum verfügbar. So ein kleiner Kern hat noch einen andern Vorteil : Das Trafoblech braucht auch einen gewissen Anteil der Leistung für sich selbst für die sogenannten Ummagnetisierungsverluste,
die es in Wärme umsetzt. Und ein kleiner Kern hat logischerweise weniger Verluste. Dafür aber einen anderen Nachteil: Er kann auch nur weniger magnetische Energie übertragen. So gibt es hier, wie überall im Leben keine absolut optimale Lösung die nicht noch andere Nachteile hätte : ein Ringkerntrafo erwärmt sich weniger, kann deshalb auf lange Zeit gleichmäßig viel Energie übertragen. Dafür kann er nur wenig und für kurze Zeit überbelastet werden. Ein herkömmlich aufgebauter Trafo braucht wegen seinem dicken Kern schon im Leerlauf mehr Energie, erwärmt sich deshalb mehr und kann daher weniger Dauerleistung verkraften. Aber er kann sehr gut mal für kurze Zeit stark überbelastet werden !

Und genau das brauchen wir für unseren Audio Verstärker.

Wenn wir die Baugröße der beiden Trafotypen mal vergleichen, so ist ein für 500 Watt Dauerleistung ausgelegter Ringkerntrafo 5 kg schwer, ein M Kern 10 Kilo. Der Ringkern überträgt aber in der Spitze vielleicht mal nur 800 Watt, der M Kern aber bis zu 2000 Watt! Wenn wir es also auf die Spitzenleistung beziehen, werden beide Typen doch wieder gleich groß und schwer.

Und man kann ja beim konventionellen Aufbau vom Standard M Kern auch auf die wesentlich höherwertige PM
(Philbert - Mantelschnitt) Bauweise übergehen. Und für den Trafokern genauso hochwertiges Kernmaterial verwenden wie
bei den Ringkerntrafos. Damit erhält man einen sehr effizienten Trafo mit geringer Eigenerwärmung und fast unglaublicher Spitzenbelastbarkeit. Nur wird sowas sehr teuer und kann aufgrund des großen Streufeldes kaum mehr sinnvoll in ein Gehäuse zusammen mit der empfindlichen Verstärkerelektronik gepackt werden. Ein separates Netzteil wird notwendig und ist auch allein schon wegen der Vibrationen der Trafos sinnvoll.



Nachdruck aus der Zeitung des Hifi Zirkels No. 2/98
Autor: Friedrich Schäfer


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