Effizient und zuverlässig Anforderungen an Netzteile

Einer Umfrage des VDE zufolge ist für 85 Prozent der Unternehmen im Bereich Elektro- und Elektronikindustrie die Energieeffizienz ein Standortfaktor, mit dem sie im internationalen Wettbewerb punkten können. Vor der Effizienz rangiert nur noch die zuverlässige Bereitstellung elektrischer Energie. Diesen Anforderungen müssen Stromversorgungen genügen.

Elektrische Energie bereitzustellen ist nicht nur ein Anliegen der großen Versorger. Versorgungssicherheit und die verlässliche Verfügbarkeit dieser Energie, das ist auch der Daseinszweck der Hersteller und Anbieter von Stromversorgungen, wenngleich diese Aufgabe auf einer anderen technischen Ebene angesiedelt ist als die »Erzeugung« von Energie.

Damit Walzwerke und Rechenzentren, Druckereien ebenso wie Roboterstraßen oder Kliniken funktionieren können, genügt es nicht, Elektrizität »herzustellen« und über das Land zu verteilen - der Strom muss auch in genau die Form umgewandelt werden, die der jeweilige Verbraucher benötigt. Daher sind die Anforderungen an die Stromversorgungen so vielfältig wie deren Anwendungen.

Eine LED-Straßenbeleuchtung muss anders angesteuert werden als ein Laptop, und das Netzteil eines Ultraschallgeräts in der Arztpraxis unterscheidet sich erheblich beispielsweise von einem Energiewandler für die Klimaanlage einer Straßenbahn. Um all diesen unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht zu werden, müssen Anbieter von Stromversorgungen wie Emtron electronic ein breites Spektrum an Technologien beherrschen und ständig weiterentwickeln.

Bei aller Verschiedenheit haben die vielen unterschiedlichen Stromversorgungen einige Gemeinsamkeiten. An erster Stelle steht dabei die Energieeffizienz als ein zentraler Aspekt bei der Auswahl eines solchen Systems. Denn in die Stromrechnung geht die Effizienz gleich doppelt ein: Zum einen zieht ein Netzteil mit hohem Wirkungsgrad für eine vorgegebene Ausgangsleistung weniger Energie aus dem Netz als ein solches mit einem schlechteren Wirkungsgrad. Zum anderen erzeugt ein effizientes Gerät weniger unproduktive Abwärme und muss folglich nicht so stark gekühlt werden.

In manchen Anwendungsbereichen, etwa in Rechenzentren, verschlingt die Kühlung noch einmal bis zu 50 Prozent derjenigen Energiemenge, die für die produktive Computernutzung benötigt wird. Gute Stromversorgungen erreichen aufgrund der Verwendung hochwertiger Bauelemente, moderner Leistungshalbleiter und der neuesten Schaltungstechniken einen Wirkungsgrad von deutlich mehr als 90 Prozent. Mit wesentlich weniger sollte sich kein Anwender zufrieden geben. Wichtig ist auch, dass diese hohe Effizienz über einen möglichst großen Bereich des Lastspektrums erreicht wird.

Leerlauf und Standby

Nicht nur ein hoher Wirkungsgrad im Betrieb ist für die Gesamt-Energiebilanz eines Netzteils von Bedeutung. Auch die Energieaufnahme im Leerlauf und im Standby hat einen spürbaren Einfluss auf diese Bilanz. Das betrifft nicht nur Unterhaltungselektronik wie Fernseher oder Stereoanlagen, welche die meiste Zeit im Standby-Betrieb zubringen.

Auch in industriellen, medizintechnischen und kommerziellen Anwendungen wie etwa Waagen, Röntgenanlagen oder Beleuchtungen kommt es häufig vor, dass sie nur gelegentlich wirklich aktiv sind, obwohl sie über längere Zeit eingeschaltet bleiben. In diesen Leerlaufzeiten sollten sie dem Netz natürlich so wenig Energie wie möglich entnehmen.

Wie viel Strom ein Netzteil in einem solchen Fall verbrauchen darf, lässt sich nicht eindeutig festlegen. Für Netzteile mit maximaler Ausgangsleistung im Bereich von 100 W sollte die Leistungsaufnahme im Leerlauf jedoch unter 1 W liegen. Ein Beispiel dafür ist die Produktfamilie »EPS-45/65« von Mean Well (Bild 1), die am Ausgang bis zu 65 W abliefert und dabei im Leerlauf das Netz mit weniger als 0,3 W belastet. Diese Stromversorgungen sind bei Emtron electronic erhältlich.

Aktive Leistungsfaktorkorrektur

Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC). Für die meisten Schaltnetzteile ist sie ohnehin vorgeschrieben; deutlich bessere Ergebnisse als mit einer einfachen passiven Korrektur erreicht man mit einer aktiven PFC-Schaltung. Für Netzteile, die an sehr unterschiedlichen Eingangswechselspannungen arbeiten können, weil sie für den weltweiten Betrieb vorgesehen sind, ist die Verwendung einer aktiven PFC aus schaltungstechnischen Gründen ohnehin vorteilhaft; Anwender von Geräten für höhere Ansprüche sollten sich mit einer simplen passiven PFC grundsätzlich nicht zufrieden geben.

Sorgfältig unter die Lupe nehmen sollten die Anwender auch das EMV-Verhalten ihrer Stromversorgungen. Schaltnetzteile haben unstrittig die schlechte Angewohnheit, ihre Umgebung mit elektrischen Störimpulsen zu belästigen. Diese Störungen teilen sich der Umgebung zum Teil auf dem Luftweg als elektromagnetische Störfelder mit, zum Teil breiten sie sich über die Anschlussleitungen des Netzteils aus. Faktoren, welche die Entstehung von EMV-Störungen begünstigen, sind die Schaltfrequenz des Netzteils und die Steilheit der Schaltflanken. Durch eine sorgfältige Auslegung der Schaltung und des Leiterplatten-Layouts lässt sich das EMV-Verhalten des Netzteils positiv beeinflussen.

Zuverlässigkeit und Kühlung

Beim Einsatz eines Netzteils stellt sich häufig die Frage der Kühlung. Hier muss der Anwender zwischen verschiedenen Aspekten abwägen. Für den Einsatz eines Netzteils mit Lüfter sprechen die höhere erreichbare Leistungsdichte und damit die höhere Leistung pro Volumen beziehungsweise die geringeren Abmessungen des Netzteils. Zudem machen einer zwangsgekühlten Stromversorgung schwankende Umgebungstemperatur weniger aus.

In der Regel lassen sich solche Geräte auch bei höheren Temperaturen noch einsetzen. Überall, wo es auf hohe Leistungsentfaltung auf kleinem Raum ankommt, sind daher Stromversorgungen mit Lüfter das Mittel der Wahl. Aber auch für den Einsatz eines lüfterlosen Netzteils gibt es gute Gründe. Geräte, die nur durch Konvektion - also durch den natürlichen Temperaturausgleich mit der Umgebungsluft - auf Arbeitstemperatur gehalten werden, sind einfacher und preiswerter.

Weil kein Ventilator eingebaut ist, der auch einmal ausfallen könnte, sind diese Systeme tendenziell wartungsärmer. Und zudem arbeiten sie völlig geräuschlos. Für viele Anwendungen ist das ein wichtiger Aspekt, etwa in Konferenzräumen, in der Unterhaltungselektronik oder in der Medizintechnik. Ein Marktsegment, das in jüngster Zeit einen deutlichen Aufschwung erlebt, sind Stromversorgungen für LED-Beleuchtungseinrichtungen.

Die Energieversorgung von Leuchtdioden ist nicht ganz trivial, denn während die meisten elektrischen Verbraucher eine konstante Spannung verlangen, benötigen LEDs einen konstanten Strom. Zudem ist ihr Leuchtverhalten nicht linear, was das Dimmen erschwert. Bei der für die Helligkeitssteuerung von Glühlampen verwendeten Phasenanschnittsteuerung handelt es sich um eine Wechselstromtechnik; als solche kommt sie für die mit Gleichstrom betriebenen LEDs ohnehin nicht in Betracht.

Auch die Pulsbreitenmodulation (PWM), die als Alternative bei der Ansteuerung von LEDs gelegentlich eingesetzt wird, ist nicht ganz unproblematisch - sie kann unangenehme Flimmereffekte hervorrufen, zudem kann es zu Stroboskop-Erscheinungen beim Betrachten bewegter Gegenstände kommen, was sicherheitstechnisch unter Umständen bedenklich ist.

Neue Halbleitermaterialien

Doch auf das Dimmen als einen Weg zum sparsamen Umgang mit Energie und zum Herstellen eines angenehmen Lichtklimas muss man nicht verzichten. Moderne LED-Stromversorgungen wie die »HLG-320« von Mean Well aus dem Vertrieb von Emtron electronic sind in der Lage, die Helligkeit der LED-Beleuchtung per Gleichstrom zu regeln (Bild 2).

Dazu werten sie eine externe Steuerspannung oder einen Stellwiderstand aus. Sie können sogar noch mehr: Sie wandeln ein PWM-Signal in einen analogen Gleichstrompegel um und umschiffen so die vorgenannten Tücken, wie zum Beispiel Flicker-Erscheinungen der herkömmlichen Technik. Die Technikentwicklung bleibt nicht stehen, auch nicht bei den oft als langweilig geltenden Stromversorgungen.

In den nächsten Jahren werden sich durch die Einführung neuartiger Materialien bei den Leistungstransistoren - Stichwort Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) - sowie durch die Einführung digitaler Regelungen weitere Verbesserungen beim Wirkungsgrad realisieren lassen. Auch wenn diese Technologien teilweise noch in der Zukunft liegen - die Weiterentwicklung der Schaltungstechnik und der Bauelemente beschert uns bereits jetzt eine immer bessere Zuverlässigkeit; zudem werden Netzteile noch kleiner und flexibler einsetzbar sein.

Über den Autor:

Jörg Traum ist Geschäftsführer von Emtron electronic.