Wirkungsgrad von Netzteilen Effizienzangaben richtig verstehen

Ein höherer Wirkungsgrad bei Netzteilen ist immer erwünscht. Bei der Wahl des richtigen Netzteils sollte man sich aber genau überlegen, ob sich ein paar zusätzliche Prozentpunkte wirklich lohnen. Es kann sich auszahlen - vor allem, wenn man auf passive Kühlung wechseln kann. Klar sein sollte jedoch auch, wie der angegebene Wirkungsgrad ermittelt wurde.

Allgemein gilt: je höher der Wirkungsgrad, umso besser. So scheint die Entscheidung für das richtige Netzteil einfach zu sein: Man nehme das Netzteil mit dem gewünschten DC-Ausgang mit passendem Formfaktor, das die Mindestanforderungen des Designs (und der Regulierungsbehörden) erfüllt - und das alles zu einem Preis, den das Budget erlaubt. Doch halt! So einfach ist die Sache nicht. Bevor die Entscheidung getroffen wird, welches das für die eigene Applikation am besten passende Netzteil ist, sollte sich der Entwickler zwei wichtige Fragen stellen:

  • Wie wirken sich ein oder zwei Prozent mehr Wirkungsgrad auf das Design aus?
  • Was bedeuten eigentlich die Herstellerangaben zum Wirkungsgrad?

Klar ist, dass ein höherer Wirkungsgrad geringere Stromkosten für einen bestimmten Ausgangswert mit sich bringt. Bei den meisten Anwendungen mit Netzteilen im 200-W- bis 500-W-Bereich sind die Einsparungen jedoch meist sehr bescheiden, obgleich sie nicht ignoriert werden sollten. Bei größeren Systemen verbessert sich der Wirkungsgrad, wenn man die Verlustleistung näher betrachtet: Ein Netzteil mit 90% Wirkungsgrad weist 10% Verlustleistung auf, während eines mit 92% Wirkungsgrad nur 8% Verluste produziert. Soweit die reine Mathematik.

Eine Abweichung von nur 2% des Wirkungsgrads beziehungsweise des Verlustes bedeutet aber auch, dass ein Netzteil mit 92% Wirkungsgrad ein Fünftel weniger Verluste hat als ein Netzteil mit 90% - und das ist ein großer Unterschied. Dieser scheinbar kleine Unterschied wirkt sich auf Systemebene aus: Die Wärmebelastung des Netzteils und des Gesamtprodukts nimmt ab, was die mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit (MTBF, Mean Time Between Failure) der Elektronik verlängert. Eine geringere Wärmeentwicklung bietet auch mehr Flexibilität bei der Platzierung des Netzteils und Systems.

Beispiel PoE+

Ein Beispiel ist der Standard IEEE 802.3at-2009 (PoE+, Power over Ethernet). Hier wird die gesamte benötigte Leistung eines entfernten Geräts über ein Chassis und eine Steuereinheit bereitgestellt, die sich nicht am Gerät befinden, sondern in einem zentralen Hub, der sich meist in einem Schranksystem befindet. Die dabei zusätzlich erzeugte Wärme kann die Platzierung erschweren und bevorzugte Standorte ausschließen oder eine zusätzliche Kühlung des Schranksystems erfordern.

Die Kennzahlen für PoE+ machen dies deutlich: 12,95 W wurden für Original-PoE-Anwendungen wie Standard-VoIP-Telefone, Sicherheitskameras und Wireless-Access-Points als ausreichend spezifiziert. Der neue PoE+-Standard verlangt bereits bis zu 25,5 W pro Gerät. Da ein typisches PoE+-System manchmal Dutzende von entfernten Geräten versorgt, kann die Gesamtleistung, die zur Verfügung gestellt werden muss, unangenehm hoch sein.

Viel wichtiger dabei ist die daraus resultierende Verlustleistung. Ein weiterer Vorteil eines höheren Wirkungsgrads ist der Übergang von einem erzwungen (aktiv) gekühlten Netzteil mit Lüfter hin zu einer passiv gekühlten Einheit (Konvektionskühlung). Dies verringert die Kosten, erhöht die Systemzuverlässigkeit und reduziert die Geräuschentwicklung.

Meist wählen Entwickler ein Netzteil mit aktiver Kühlung und einer höheren Nennleistung als eigentlich erforderlich. Anschließend wird das Netzteil weniger belastet und nur die Konvektionskühlung verwendet. Falls dies eine interessante Option ist, muss sichergestellt sein, dass der Anbieter Netzteilversionen sowohl mit Zwangs- als auch passiver Kühlung anbietet. Das »XL375« von N2Power (großes Bild) beispielsweise bietet 375 W Nennleistung mit aktiver Kühlung, es steht aber auch als Modell »XL375CC« mit Konvektionskühlung zur Verfügung, das 260 W Nennleistung liefert.

Spezifikationen überprüfen

Wie bei den meisten Produktspezifikationen gibt es verschiedene Betriebsbedingungen und Ansichten, die bei der Auswahl eines Netzteils von Bedeutung sind. Dies geht über den üblichen Rat hinaus, Netzteile unter gleichen oder ähnlichen Betriebsbedingungen zu vergleichen. Neue Standards und Zertifizierungen wie »80 Plus« und der »EnergyStar Gold«-Standard machen solche Vergleiche einfacher. Sie bieten einen Standard-Spezifikationsrahmen und einen Ausgangspunkt.

Zuerst wird ein »Wirkungsgrad bis x%« betrachtet und überprüft, ob dieser für eine einzelne Last (Sweet Spot) und eine einzelne Netzspannung gilt. Ein Netzteil mit 80% bis 90% Wirkungsgrad bei höherer Netzspannung (240 V) kann bei 120 V plötzlich nur noch 70% Wirkungsgrad aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass selbst verschiedene Netzspannungen wie 100 V, 120 V und 230 V sowie deren zulässige Randwerte mit abgedeckt werden müssen.

Der Betriebsbereich erstreckt sich also in der Realität von 85 V bis 264 V. Auch die Temperatur und der Luftstrom, bei denen der Wirkungsgrad gemessen wurde, müssen überprüft werden. Diese Angaben unterscheiden sich von Anbieter zu Anbieter. Die sogenannten universellen Netzteile, die sowohl 120 V als auch 240 V Nennspannung verarbeiten können, haben wahrscheinlich andere Bewertungen als Stromversorgungen, die nur für eine einzige Netzwechselspannung ausgelegt sind.

Der Wirkungsgrad über den gesamten Last-bereich ist genauso wichtig. Die meisten Netzteile sind wesentlich weniger effizient, wenn sie unterhalb ihrer maximalen Nennausgangsleistung arbeiten. Der höchste Wirkungsgrad wird nahe der maximalen Ausgangsleistung erzielt. Weist eine Anwendung eine relativ konstante Last auf, ist der Vergleich des Wirkungsgrads von Netzteilen einfacher, als wenn die Last erheblich schwankt.

Neuere Netzteile bieten heute eine flache Wirkungsgradkurve über einen weiten Lastbereich (Bild 1). Die Leistungsfaktorkorrektur (PFC; Power Factor Correction) wirkt sich ebenfalls auf den Wirkungsgrad aus. Eine bessere PFC wird durch Regularien vorgegeben; der minimal erforderliche Leistungsfaktor nimmt mit der Nennleistung des Netzteils zu.

Für die meisten Netzteile wird eine hohe PFC nahe Eins angestrebt, was den Wirkungsgrad verbessert. Neben dem Wirkungsgrad muss also auch der Leistungsfaktor berücksichtigt werden. Dabei kann sich herausstellen, dass ein Netzteil mit einem hoch ausgewiesenen Wirkungsgrad diesen bei einem niedrigeren Leistungsfaktor erzielt als ein Netzteil mit einem niedrigeren Wirkungsgrad.

Zur Erinnerung: Ein hoher Wirkungsgrad lässt sich bei höherer Netzspannung einfacher erzielen als bei niedrigerer. Frühere PFC-Designs verhielten sich bei niedrigeren Netzspannungen vorteilhafter. Es muss also eine Abwägung zwischen Wirkungsgrad und Leistungsfaktorkorrektur erfolgen. Auch wie sich der Netzeingang bei diesem Wirkungsgrad und PFC zum Netzteil verhält, muss untersucht werden.

Nimmt man an, dass eine reine Sinuswelle vorliegt, kann dies die tatsächliche Situation verfälschen: Die Netzspannung ist nie völlig sinusförmig und enthält Oberwellen. Verbesserungen in der Netzteil-Topologie und bei ICs sorgen zusammen mit digitaler Signalverarbeitung (DSP) und einem geschlossenen Regelkreis innerhalb des Netzteils für eine verbesserte Gesamtperformance.

Über den Autor:

Don Knowles ist Vice President Engineering bei N2Power.