Wirkungsgrad von Stromversorgungen Datenblatt richtig lesen

»Wirkungsgrad typisch xy Prozent« – dies ist in vielen Datenblättern von Stromversorgungen zu lesen. Doch für die reale Anwendung ist diese Angabe allein so gut wie sinnlos. Warum ist das so? Und was ist bei Datenblattangaben zum Wirkungsgrad wirklich zu beachten?

Kleinere Stromversorgungen lassen sich nur mit einem höheren Wirkungsgrad realisieren. So besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Größe der Stromversorgung und dem Raum, der für die Wärmeabgabe mittels Konvektion oder Kontaktierung zur Verfügung steht. Durch Berechnung und Tests ergab sich ein Richtwert, der die maximale Verlustleistung bei einer festgelegten Größe und Konvektionskühlung beschreibt (Bild 1).

Bei diesen Verlusten arbeiten alle eingesetzten Bauteile innerhalb ihrer zulässigen Temperaturgrenzen. Lüfterkühlung (magentafarbene Linie in Bild 1) hat einen großen Einfluss auf diese Werte. In vielen Fällen wird in den Datenblättern eine Verdopplung der Leistungsdaten bei forcierter Kühlung beschrieben. Allerdings ist in manchen Applikationen forcierte Kühlung nicht erwünscht, da der Einsatz eines Lüfters die Lebensdauer zwangsläufig reduziert, Kosten erhöht, Geräusche erzeugt und Wartung erforderlich macht.

Basierend auf Bild 1 ist es möglich, den mindestens erforderlichen Wirkungsgrad für ein Netzgerät mit bekannter Größe zu bestimmen. Wenn zum Beispiel ein Gerät mit 3 Zoll x 5 Zoll Größe 18 W Verlustleistung abführen kann, muss ein 100-W-Gerät mit diesen Abmessungen über einen Wirkungsgrad von mindestens 82 % verfügen, da 18% Verlustleistung in diesem Fall 18 W bedeuten.

Man könnte annehmen, dass jedes Gerät mit 82% Wirkungsgrad die Vorgaben erfüllen kann, dies wäre jedoch zu kurz gedacht. Der Wirkungsgrad lässt sich auf verschiedene Arten bestimmen, und in gleicher Weise ist die Darstellung in den Datenblättern unterschiedlich. Dabei gehen verschiedene technische Parameter mit ein. Es überrascht daher wenig, dass manche Stromversorgungshersteller zur Berechnung der Gerätedaten die dafür am besten geeigneten Bedingungen verwenden.

Tatsächlich hängt der Wirkungsgrad von den Umgebungsbedingungen und den Einsatzbedingungen ab. Die im Datenblatt aufgeführten Wirkungsgraddaten wurden unter Umständen bei anderen Bedingungen berechnet oder gemessen, als die, unter denen das Gerät in der Applikation des jeweiligen Anwenders läuft.

Keine einheitliche Definition

Aufsichtsbehörden und Handelsorganisationen haben in der Vergangenheit versucht, international gültige Vorgaben für die Berechnung und Darstellung des Wirkungsgrads zu schaffen, jedoch wurde bisher kein einheitlicher Standard definiert. Dadurch wird der Wirkungsgrad meist unter den Bedingungen angegeben, unter denen sich dafür die besten Werte ergeben, wobei dies oft bei maximaler Last ist.

Es ist in der Regel unwahrscheinlich, dass der Anwender eine Stromversorgung exakt mit der benötigten Leistung wählt. Meist wird die maximale Leistung nur für einen kurzen Zeitraum der Gesamtbetriebszeit benötigt, während die Stromversorgung die übrige Zeit mit geringerer Last läuft. In diesem Fall ist der Wirkungsgrad wahrscheinlich deutlich niedriger als beschrieben.

Um die Wirkung der in dieser Stromversorgung auftretenden Verlustleistung beurteilen zu können, muss sich der Anwender deutlich intensiver mit den Datenblättern beschäftigen, um darin die Daten zum Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Last zu finden – so sie überhaupt vorliegen.

Ein weiterer wichtiger Faktor stellt die Eingangsspannung des Gerätes dar. Bei der geringstmöglichen Eingangsspannung, oft als »Low Line« bezeichnet, ist der Wirkungsgrad merklich niedriger als beim Betrieb mit der maximal möglichen Spannung, also bei »High Line«. So ist es üblich, ein Gerät mit Eingangsspannungsbereich 90 V bis 230 V als »Weitbereichsnetzteil« zu bezeichnen.

In Bild 2 ist der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Last sowie der Eingangsspannung bei einem typischen 140-W-Gerät mit 24-V-Ausgang dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass ein Gerät, das mit einem Wirkungsgrad von 88% bei High-Line beschrieben ist, beim Betrieb mit Low-Line und 40 W nur noch einen Wirkungsgrad von 80% aufweist. Je geringer der Einfluss, den die Eingangsspannung auf den Wirkungsgrad hat, umso leichter fällt die Berechnung des wahrscheinlichen Wirkungsgrads und der Verlustleistung, die beim Einsatz unter verschiedenen Betriebsbedingungen beachtet werden müssen.

Als abschließender Punkt ist ebenfalls zu beachten, dass sich der Wirkungsgrad bei fester Eingangsspannung abhängig von der Ausgangsspannung verändert. So ist in der Regel bei Geräten mit geringerer Ausgangsspannung der Wirkungsgrad niedriger. Ein Kurzdatenblatt enthält oftmals die Daten für eine ganze Gerätefamilie mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen. Der in der Überschrift eines solchen Kurzdatenblatts angegebene Wirkungsgrad von beispielsweise »typisch 88%« kann sich auf ein Gerät mit 48 V Ausgangsspannung beziehen. Falls der Anwender die Daten eines 5-V-Gerätes in dieser Reihe betrachtet, ist der Wirkungsgrad oftmals geringer. Das detaillierte Studium der Daten ist daher extrem wichtig, um den tatsächlichen Wirkungsgrad und die daraus entstehende Verlustleistung des Gerätes in der Applikation zu erfassen.