Netzausfall Platzsparende Brücke

Um Netzausfälle zu überbrücken, kommen in Schaltnetzteilen Akkus beziehungsweise Elektrolyt- oder Superkondensatoren zum Einsatz – mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen. Eine neu entwickelte Schaltung halbiert den Platzbedarf für die jeweiligen Kondensatoren bei gleicher Überbrückungszeit.

Was in deutschen Netzen eher zu den Ausnahmen gehört, ist in anderen Absatzregionen unserer Welt Alltag. Netzausfälle können Geräte, Maschinen und Anlagen beschädigen. Um dem vorzubeugen, setzen viele Hersteller auf Netzausfallbrücken in den von ihnen eingesetzten Schaltnetzteilen.

Für einige Euphorie haben sogenannte Super- oder Ultrakondensatoren gesorgt. Als Weiterentwicklung von Doppelschichtkondensatoren versprechen sie lange Überbrückungszeiten: Bei ähnlicher Baugröße übertreffen sie die Kapazität klassischer Elektrolytkondensatoren (Elkos) um mehrere tausend Mal.

Zusätzlich stellen sie wegen des geringen Innenwiderstands ihre Energiereserven deutlich schneller als Akkumulatoren zu Verfügung und zeigen sich unempfindlich gegenüber einer hohen Zahl von Lade- und Entladezyklen.

Aus technischer Sicht also eine fast ideale Lösung für Netzausfallbrücken. Die Kehrseite der Superkondensatoren sind aber ihre enorm hohen Preise. Obwohl verschiedene Hersteller eine Vielzahl von »SuperCaps« oder »UltraCaps« anbieten, ist pro Komponente noch mit Preisen von mehreren Euro zu rechnen. Zum Vergleich: Klassische Elektrolytkondensatoren sind für wenige Cent zu haben. Der Kostendruck bei Schaltnetzteilen drängt die Superkondensatoren damit trotz unbestreitbarer technischer Vorteile in sicherheitskritische Nischenanwendungen.

Demgegenüber gelten Bleigelakkus als groß, schwer und wartungsintensiv und werfen aus Umwelt- und Sicherheitsgesichtspunkten viele Fragen auf. Dennoch: In vielen Anwendungen haben sie als Komponenten von Netzausfallbrücken ihre Berechtigung. Das gilt überall dort, wo Netzausfälle vergleichsweise lange überbrückt werden müssen, beispielsweise weil Elektromotoren bestimmte Maschinenteile in Null- oder Sicherheitsstellungen fahren müssen. Allerdings sind hier oft weitere Schaltungen und Komponenten erforderlich, um Überladung oder Tiefentladung vorzubeugen oder um
die Energie schnell bereitstellen zu können. Diese zusätzlichen Schaltungen und Komponenten benötigen Platz – Platz, der in modernen Schaltnetzteilen und ihren hohen Ansprüchen an weiter miniaturisierten Formfaktoren immer weniger vorhanden ist. All dies macht den Einsatz von Akkus in Schaltnetzteilen technisch wenig attraktiv.

Elkos – der aktuelle Standard

So sind es in aktuellen Schaltnetzteilen meist Elkos, die als Netzausfallbrücke die in ihnen gespeicherte Energie abgeben. Diese einfach beherrschbaren und kostengünstigen passiven Bauelemente kommen überall dort zum Einsatz, wo eine kurzfristige Überbrückung von einigen wenigen bis zu einigen hundert Millisekunden ausreicht, um beispielsweise die Daten flüchtiger Speicher zu sichern und Anlagenteile geordnet herunterzufahren.

Ausschlaggebend für die engen Grenzen bei der Kapazität von Elektrolytkondensatoren sind die Anforderungen nach Spannungsfestigkeit der Netzteilkomponenten. Durch die hohen Spannungen in den Schaltnetzteilen muss das Dielektrikum entsprechend dick sein, was sich nachteilig auf die Größe des Kondensators auswirkt. So müssen in Schaltnetzteilen vergleichsweise große Elkos eingesetzt werden, die bei den hohen Spannungen nur eine geringe Kapazität bereitstellen können.

Dieser Zusammenhang zeigt sich bei Netzteilen mit recht kleiner Leistung, die aus Kosten- und Platzgründen oft ohne eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) auskommen müssen. Das ist isoliert betrachtet kein Problem, da gängige Schaltungstopologien auch ohne die PFC einen Weitbereichseingang erlauben. Eine PFC-Schaltung kann aber die Netzausfallüberbrückung deutlich erhöhen, unabhängig von der Höhe der anliegenden Versorgungsspannung. Ohne diese PFC ist, insbesondere bei niedriger Versorgungsspannung, die von Elektrolytkondensatoren realisierbare Überbrückungszeit gering. Die für diese Weitbereichsnetzteile auszulegenden Zwischenkreiskondensatoren müssten ohne PFC für eine Überbrückungszeit von über 20 ms bei 110 V Versorgungsspannung sehr groß ausgelegt werden. Ein weiterer Nachteil: Der nachgeschlagene Wandler müsste einen sehr großen Spannungsbereich abdecken, was zulasten des Wirkungsgrads geht.

Bereits für kurze Überbrückungszeiten sind bei höheren Spannungen beziehungsweise bei Weitbereichseingängen somit relativ große Kondensatorbauformen erforderlich und hindern Entwickler daran, ihre Schaltnetzteile weiter zu verkleinern.