Neue Schaltung als Netzausfallbrücke Kleinere Netzteile und mehr Kapazität bei Netzausfällen

Konstruktionsbedingt müssen bei höheren Spannungen oder Weitbereichsnetzteilen schon für relativ kurze Überbrückungszeiten recht große Kondensatoren zum Einsatz kommen, was die Miniaturisierung der Schaltnetzteile behindert.
Konstruktionsbedingt müssen bei höheren Spannungen oder Weitbereichsnetzteilen schon für relativ kurze Überbrückungszeiten recht große Kondensatoren zum Einsatz kommen, was die Miniaturisierung der Schaltnetzteile behindert.

Eine Neuentwicklung ermöglicht es, bei gleicher Spannung im Hauptpfad in einer Zusatzschaltung deutlich kleinere Kondensatoren als Netzausfallbrücke einzusetzen. Der Vorteil: Kleinere Schaltnetzteile oder mehr Kapazität bei Netzausfällen!

Weltweit schwankt die Qualität der Spannungsversorgung öffentlicher Netzte. Besonders Unternehmen, die ihre Geräte und Maschinen weltweit vertreiben, müssen das in ihren Produktentwicklungen berücksichtigen. Eine gängige Methode, um netzausfallbedingte Störungen vorzubeugen, sind Ausfallbrücken in Schaltnetzteilen. Je nach Anwendung und Anforderungen haben sich hier unterschiedliche Technologien am Markt etabliert.

Die Klassiker: Akku, Kondensator, Superkondensator

Wenn bei Netzausfällen aktive Teile von Maschinen aus Sicherheitsgründen in eine Nullstellung gefahren werden müssen oder in sicherheitskritischen Anwendungen längere Ausfallzeiten zu überbrücken sind, führte dazu lange Zeit kein Weg an klassischen Bleigelakkus vorbei. Mit Hilfe dieser bewährten Technik lassen sich relativ hohe Leistungen über längere Zeit bereitstellen.

Diesem Vorteil stehen aus Herstellersicht aber etliche Nachteile gegenüber. So sind Akkumulatoren im Vergleich zu anderen Netzausfallbrücken groß und schwer, und sie werfen aus Umwelt- und Sicherheitsgesichtspunkten Fragen auf. Zudem ist ihr Wartungsaufwand hoch. Um einer Zerstörung bzw. Funktionseinschränkungen durch Überladung oder Tiefentladung vorzubeugen, sind zudem oft weitere Schutzschaltungen und Steuerkomponenten erforderlich. Alle diese Faktoren beeinflussen das Geräte- und Netzteildesign und laufen den heutigen Anforderungen in Bezug auf Miniaturisierung, Wirkungsgrad und Umweltverträglichkeit entgegen.

Am anderen Ende der Einsatzskala finden sich die Kondensatoren. Meist sind es heute Elektrolytkondensatoren, die die in ihnen gespeicherte Energie beim Netzausfall abgeben. Dabei hängt die Kapazität dieser passiven Bauelemente von der in der Schaltung geforderten Spannungsfestigkeit ab. Damit verfügen Kondensatoren bei den in Schaltnetzteilen geforderten Spannungen meist nur über geringe Kapazitäten – können somit nur für sehr kurze Zeit Netzausfälle überbrücken.

Elektrolytkondensatoren kommen in Schaltnetzteilen dort zum Einsatz, wo lediglich ein geordnetes Herunterfahren der Geräte und Maschinen gefordert ist. Hier genügen meist wenige Millisekunden, um Komponenten und Systeme herunterzufahren und das Sichern von Daten aus flüchtigen Speichern zu erlauben. Kondensatoren bieten je nach Leistungsklasse Kapazitäten an, die ein Netzteil beim Netzausfall für einige hundert Millisekunden versorgen können.

Kleinleistungsnetzteile verzichten üblicherweise aus Kostengründen und auch aufgrund einer höheren Kompaktheit auf eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (PFC). Gängige Schaltungstopologien ermöglichen einen Weitbereichseingang auch ohne PFC. Eine PFC-Schaltung kann die Netzausfallüberbrückung deutlich erhöhen, unabhängig von der anliegenden Höhe der Versorgungsspannung. Ohne sie ist, insbesondere bei niedriger Versorgungsspannung, die Überbrückungszeit gering. Zwischenkreiskondensatoren für diese Weitbereichsnetzteile müssten für eine Überbrückungszeit von >20 ms bei 10 V Versorgungsspannung schon sehr groß ausgelegt sein. Zudem müsste der nachgeschlagene Wandler einen sehr großen Spannungsbereich abdecken, das geht zu Lasten der Effizienz.

Damit bleibt festzuhalten, dass bei höheren Spannungen oder bei Weitbereichseingängen schon für kurze Überbrückungszeiten relativ große Kondensatorbauformen erforderlich sind. Das hindert Entwickler an der weiteren Miniaturisierung von Schaltnetzteilen. Schließen lässt sich die Lücke zwischen den kurzen Überbrückungszeiten klassischer Kondensatoren und den vergleichsweise hohen Kapazitäten von Akkumulatoren teilweise durch Super- oder Ultrakondensatoren. Diese elektrochemischen Kondensatoren sind Weiterentwicklungen von Doppelschichtkondensatoren und können heute die mehrtausendfache Kapazität von Elektrolytkondensatoren erreichen. Gleichzeitig zeigen sich Superkondensatoren den klassischen Akkus bei Lade- und Entladegeschwindigkeiten überlegen und sind deutlich robuster gegenüber einer hohen Anzahl von Ladezyklen.

Technisch erscheinen Superkondensatoren damit auf den ersten Blick für viele Anwendungen als ideale Lösung für Netzausfallbrücken. Der Nachteil: Sie sind nach wie vor sehr teuer. Während Elektrolytkondensatoren für wenige Cents zu haben sind, kosten Supercaps noch einige Euros. Vielen Herstellern fehlt zudem die Erfahrung bei der Integration dieser Bauelemente. Der Haupteinsatzbereich von Superkondensatoren beschränkt sich daher bis heute meist auf Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen. In preissensitiven Geräten finden sich diese Netzausfallbrücken praktisch nicht.