Warum brauchen Schaltnetzteile überhaupt PFC?

Hallo,

bei http://de.wikipedia.org/wiki/Schaltnetzteil kann man lesen, dass die Netzwechselspannung erst einmal gleichgerichtet, dann zerhackt, transformiert usw. wird.
Der eigentlich interessante Vorgang ist jetzt die Gleichrichtung. Wieso tritt bei der Gleichrichtung eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auf (welche mit der PFC kompensiert werden soll)? Der Kondensator kann doch eigentlich keine Energie mehr ans Netz zurück geben.
Soweit ich weiß ist es auch noch so, dass je höher die Auslastung des Netzteils ist die Phasenverschiebung immer geringer wird. Beim normalen Trafo verstehe ich das vollkommen, denn die Spule kann die magnetische Energie nicht mehr ins Netz abgeben, da sie auf der Sekundärseite entzogen wurde.
Beim Schaltnetzteil jedoch dürfte mit zunehmender Auslastung einfach der Strom in den Dioden ansteigen und es mehr Leistung aus dem Netz entzogen.

Wäre nett wennn mir jemand verständlich erklären kann, warum es zu einer Phasenverschiebung kommt. Danke schonmal.

Soweit ich weiß, ist der Kondensator genau das Problem. Das ist eine kapazitive Last am Netz, die ebenso wie eine induktive Last (wie sie wegen Motoren usw. wesentlich öfter vorkommt) eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung erzeugt, nur eben in die "andere Richtung".
Die induktive Blindleistung eines Elektromotors kann man ja auch mit Kondensatoren kompensieren; genauso könnte man theoretisch auch die kapazitive Blindleistung eines Schaltnetzteils mit einer Induktivität kompensieren.

Degi

Ja schon der Kondensator verschiebt Strom und Spannung, da er sich wieder entläd und genau dabei die Energie ans Netz abgibt. Aber da der Strom ja gleichgerichtet wird kann der Kondensator keine Energie mehr ans Netz abgeben, sodass es doch gar nicht zu einer Verschiebung kommen sollte.

Wieso soll bei der Gleichrichtung eine Phasenverschiebung auftreten. Phasenverschiebungen gibt es bei Wechselstrom. Ein Elektrolytkondensator nach den Gleichrichterdioden hat die Aufgabe, den noch pulsierenden Gleichstrom zu glätten, so daß der Brummanteil geringer ist. Das nennt man dann Siebung!

@Multitaster69: Genau darum geht es mir, deswegen verstehe ich eben nicht, warum es überhaupt zu einer Phasenverschiebung bei Schaltnetzteilen kommt.
Von Wikipedia:

Schaltnetzteile verursachen im Allgemeinen, durch den Gleichrichter am Eingang, auch versorgungsseitig Oberwellen, die im Sinne der Leitungsbelastung und des Umweltschutzes vermieden werden sollten, da sie zu erhöhten Verlusten im Stromversorgungsnetz führen (Oberwellenblindleistung). Deshalb müssen Schaltnetzteile mit einer Eingangsleistung ab 50W seit dem 1. Januar 2001 (EN 61000-3-2) eine Leistungsfaktorkorrektur (engl. Power Factor Correction "PFC") besitzen.

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Und genau das verstehe ich auch nicht. Warum kommt es dabei zu Oberwellen und vorallem zu solchen, die eine Phasenverschiebung auslösen?

Ich hab das mal eben durch den Simulator laufen lassen. Man muss bedenken, dass die Dioden nicht im Nulldurchgang schalten, sondern erst dann wenn die Spannung über der Diode positiv wird. Das hängt natürlich vom Ladezustand des Kondensators aus. Je nach Belastung bricht die Kondensatorspannung zwischen zwei Halbwellen verschieden stark ein. Die Dioden schalten zu dem Zeitpunkt, an dem die Netzspannung die Kondensatorspannung überschreitet. Dort tritt dann in etwa das Strommaximum auf, weil der Kondensator sofort beginnt, sich aufzuladen. Je nach Auslegung der Schaltung ist der Kondensator in etwa in der Gegend des Spannungsmaximums voll geladen, und der Strom sinkt weit ab.
Dass dabei dann Oberwellen und Blindleistung auftreten, ist unter der Betrachtung natürlich nicht mehr verwunderlich.

Gruß,
Degi

Genau so ist es. Ich mußte mal die Stromaufnahme von Monitoren messen, dabei hat ein Proband nur ca. 2ms pro Halbwelle Strom gezogen. Dies hatte Oberwellen bei 150,250 und 350 Hz mit fast identischer Amplitude der Grundwelle, die Oberwelle bei 450 Hz war nur ca.10 dB niedriger.
gruß schraddeler

Ich verstehe leider immer noch nicht, wieso es genau zu diesen Oberwellen kommt. Könnt ihr mir das mal etwas verständlich erklären? Ein bisschen Ahnung von Elektronik bzw. Physik habe ich zum Glück, sodass ihr nicht ganz so weit ausholen müsst.
Könnte man nicht irgendwie mit Transistoren in einer ähnlichen Art wie bei der Gegentaktendstufe erstmal verhindern, dass bei Überschreiten der Netzwechselspannung der Kondensatorspannung das Strommaximum auftritt und das Absinken des Stromes somit verzögern?

PS: Ich habe für dieses Thema mal wieder keine Mailbenachrichtigung erhalten.

Der steile Stromanstieg sorgt für die Oberwellen. Steile Änderungen haben im Spektrum ja immer hochfrequente Anteile. Das kann man sich mit einer Fouriertransformation gut verdeutlichen.
Die Blindleistung kommt daher, dass der Strom nicht in Phase mit der Spannung ist.

Zu der Sache mit den Transistoren: Im Prinzip macht eine aktive PFC nicht groß was anderes. Die arbeitet meines Wissens mit Pulsbreitenmodulation bei der Gleichrichtung (bzw. davor) und ein Regler sorgt dafür, dass der Strom proportional der Netzspannung ist. Das eliminiert bzw. verringert den Blindleistungsanteil.
Davor sind aber ziemlich sicher noch einige Filter von Nöten, um die hochfrequenten Anteile, die durch das schnelle Schalten der PFC-Transistoren reinkommen, rauszufiltern.

Gruß,
Degi

Ok das mit dem steilen Stromanstieg verstehe ich jetzt, dass es dabei zu Oberwellen kommt. Rechteckimpulse bestehen ja aus sehr vielen hochfrequenten Anteilen.
Warum ist dieser Strom jetzt nicht mit der Spannung in Phase? So ganz verstehe ich das leider immernoch nicht. Aber wenn man sich mal vorstellt, dass diese Verschiebung nur durch die Oberwellen verursacht wird, dann müssen die "recht stark" sein.

Die Pulsbreitenmodulation kommt aufjedenfall beim Transformieren zum Einsatz, denn so wird die Spannung geregelt.
Ich habe auch ein PC Netzteil mit aktiver PFC und einen Leistungsmesser für 10 €, der zeigt mir allerdings einen Powerfaktor von 0.9 an und außerdem braucht der PC bzw. das Netzteil viel zu viel Strom für die Komponenten, ich bin 100%ig sicher, dass dieser hohe Wert vom Netzteil kommt. Liegt da jetzt ein Messfehler vor, oder braucht aktive PFC wirklich mehr Strom?

Verschiebung, also Blindleistung, und Oberwellen haben nicht ganz so direkt was miteinander zu tun, soweit ich weiß.
Blindleistung entsteht, wenn Strom und Spannung außer Phase sind. Bei einem idealen Kondensator z.B. würde die Spannung dem Strom genau 90° hinterherhinken. D.h. genau beim Strommaximum wäre die Spannung null, und beim Nulldurchgang des Stromes wäre die Spannung maximal.
D.h. ein idealer Kondensator an einer Wechselspannungsquelle würde nur Blindleistung erzeugen. Bei einer idealen Induktivität ist es genau umgekehrt, dort würde der Strom der Spannung um 90° hinterherhinken.
Ich kann mich zwar täuschen, aber soweit ich weiß, dürften beide Bauteile in dieser Verwendung keine Oberwellen erzeugen.
D.h. meines Wissens nach entstehen die Oberwellen durch den schnellen Schaltvorgang, und die Blindleistung dadurch, dass der Kondensator den Strom so verschiebt, dass z.B. das Maximum des Stromes nicht mehr beim Maximum der Spannung auftritt (wie das bei einem ohmschen Verbraucher mit reiner Wirkleistung der Fall wäre; dort müsste der Stromverlauf eine skalierte Version des Spannungsverlaufes sein, also die gleiche Kurvenform besitzen). Man könnte sagen, der Kondensator zieht zu einem Zeitpunkt mehr Strom als er aufgrund der momentanen Spannung "sollte" (wenn er ein Widerstand wäre ), und zu einem anderen Zeitpunkt weniger als er "sollte".

Die aktive PFC wird vermutlich den Wirkungsgrad minimal verringern, jedoch braucht das Ding deswegen wohl nicht wirklich viel mehr Strom. Soweit ich weiß, sollte der Wirkungsgrad eines PC-Netzteils wohl irgendwo um die 70-80% liegen. Du kannst ja mal auf dem Typenschild die maximale Gesamt-Ausgangsleistung (Combined Power) mit der maximalen Leistungsaufnahme des Netzteils vergleichen.
Ich würde deinem Leistungsmessgerät nicht sonderlich vertrauen; kann mir schwerlich vorstellen, dass so ein billiges Gerät den Leistungsfaktor bestimmen kann. Das ist nämlich nicht ganz soooo einfach zu bewerkstelligen.

Gruß,
Degi

PS: Kriege auch keine Benachrichtigungen

Unter Wikipedia und auch in anderen Artikeln konnte ich nichts dazu finden, daß in Schaltnetzteilen eine Phasenverschiebung erzeugt wird.
Am Ausgang des Wandlers ist eine Rechteckspannung, diese Rechteckspannung kann man sich aus einer Vielzahl von Oberwellen zusammengesetzt vorstellen. Diese können, auch wenn sie schon sehr abgeschwächt sind, in anderen Geräten oder Empfängern, ich denke da an Kurzwellenempfänger, noch Störungen erzeugen!

Die hochfrequenten Schwingungen entstehen durch das schnelle Schalten des Wandlers, das ist korrekt. Der Leistungstransistor schaltet dabei mit einer hohen Frequenz und zusätzlich sehr steilen Flanken. Die hohe Frequenz ist nötig, um die Bauteile geometrisch klein gestalten zu können (und vermutlich ist es auch dem Wirkungsgrad zuträglich); die steilen Flanken sorgen dafür, dass im Schalttransistor wenig Leistung verheizt wird. Diese steilen Flanken (in Kombination mit den hohen geschalteten Strömen) wirken sich, wie du richtig festgestellt hast, schlecht auf die EMV-Eigenschaften aus.

Die Phasenverschiebung dagegen hat jetzt weniger mit dem Schaltvorgang zu tun, sondern mit der kapazitiven Last der Glättung nach dem Gleichrichter.

Gruß,
Degi