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Leistungselektronik: Anwendungen und Grundlagen

Elektrotechnik

Servicearbeiten an einer Computerplatine
© pixabay.com, Jarmoluk

Die Elektronikbranche hat sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert und unterliegt nach wie vor einem ständigen Wandel. Ein Trend ist die Miniaturisierung, also das Verkleinern von Strukturen, Systemen und Formen. Ein anderer ist jener der Künstlichen Intelligenz. Roboter, autonome Fahrzeuge, Drohnen, aber auch Computer, Smart Devices, medizinische Implantate und unzählige andere Elektronikprodukte unserer und der kommenden Zeit brauchen aber vor allem eines: Energie. Nur eine zuverlässige, effiziente, kostengünstige und kompakte Leistungselektronik kann den modernen Anforderungen gerecht werden. Im Folgenden werden ihre Grundlagen erklärt und Anwendungsbeispiele vorgestellt.

Grundlagen der Leistungselektronik

Elektrische Energie ist der Treiber unserer modernen Welt. Sie wird durch Kraftwerke unterschiedlicher Art gewonnen und auf dem Weg zu Smartphone und Co. unzählige Male umgespannt, transformiert, gleich- und wechselgerichtet, gespeichert und schließlich in die jeweils vorgesehene Form von Energie umgewandelt: Das kann zum Beispiel das Licht des Bildschirms sein oder elektromagnetische Wellen für die Kommunikation und Datenverbindung.

Die Leistungselektronik eines jeden elektronischen Geräts dient zur Umformung und Verteilung elektrischer Energie. Damit kann zum Beispiel die Energie aus der Steckdose für einen Computer nutzbar gemacht werden oder es können die entsprechenden Spannungslevel bei spezifischen Stromstärken zur Verfügung gestellt werden. Die Leistungselektronik eines Computers sitzt damit im Netzteil, aber auch direkt in anderen Komponenten wie der Grafikkarte oder der Hauptplatine als Bauelement. Sie reguliert den Energiefluss im System in Abhängigkeit einiger Steuergrößen und stellt so sicher, dass über alle Leistungsniveaus hinweg und auch bei sehr schnellen Lastwechseln jederzeit eine zuverlässige Stromversorgung gewährleistet werden kann. Die Steuerung selbst übernehmen in einem leistungselektronischen Gerät oder Bauteil aktive und passive Bauelemente. Dazu zählen Triacs, Thyristoren, MOSFETs und Transistoren und weitere.

Anwendungsbeispiele von leistungselektronischen Geräten und Bauteilen

Größere Beispiele für leistungselektronische Bauteile sind etwa das Computernetzteil sowie auch die Zündspule eines Kraftfahrzeugs. Solche Elemente finden sich heutzutage aber auch auf Leiterplatten, die nah am zu versorgenden Bauteil und direkt im System integriert sind: Im Smartphone, auf Steuerplatinen von 3D-Druckern und anderen Maschinen, in Robotern, in Computermäusen, in medizinischen Implantaten wie Herzschrittmachern und in unzähligen anderen Anwendungen.

Dabei treten je nach Anwendung neben einer zuverlässigen Energieversorgung – dem Hauptkriterium jeder Leistungselektronik – noch einige weitere Anforderungen auf. In der Regel wird eine hohe Effizienz priorisiert, um Energieverluste zu minimieren. Das ist gerade bei miniaturisierter Leistungselektronik wie in SMD-Schaltreglern oder bei tragbaren bzw. Akku-gespeisten Geräten der Fall. Allerdings können auch viele andere Kriterien wichtig sein, zum Beispiel eine hohe Stabilität gegen thermische und mechanische Belastungen sowie ionisierende Strahlung. Dies ist etwa bei der Elektronik des Militärs oder in der Luft- und Raumfahrt von Belang. Darüber hinaus variieren die Anforderungen an die Spannung und Stromstärke. Sie reichen von wenigen Millivolt (Speicherzellen) bis hin zu mehreren 1000 Volt (Bahnverkehr) bzw. von wenigen Milliampere (E-Reader) bis hin zu mehreren 100 Ampere (Schweißgerät) oder weit mehr.

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Moderne Applikationen finden sich im Bereich der Netzinfrastruktur (5G), Internet of Things (IoT) und Industrial Internet of Things (IIoT), in Elektrofahrzeugen und autonomen Fahrzeugen bzw. in der Elektromobilität sowie in der Medizintechnik (Implantate, aktive Prothesen) und der Unterhaltungsbranche (VR-Brillen, Kopfhörer).

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