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Die Stromversorgung wird ­verteilt

Gehören Zentralnetzteile bald zur Vergangenheit?

28. September 2020, 15:33 Uhr   |  Autor: Wolf-Dieter Roth - Redaktion: Ute Häußler

Gehören Zentralnetzteile bald zur Vergangenheit?
© Shutterstock

Das klassische zentrale AC/DC-Netzteil ist in komplexeren Computer- oder Industriesystemen kaum noch zu finden. Dezentrale, verteilte Strukturen haben es längst abgelöst – auch im PC. Wie funktioniert dezentrale Stromversorgung und was ist ihr Vorteil?

Bei der Stromversorgung von Computerbaugruppen war eine Änderung der Versorgungstechnik von Beginn an besonders dringlich, weil mit der Digitaltechnik spezielle, hohe Ansprüche an die Versorgung einhergingen. Inzwischen sind fast alle modernen digitalen Geräte zu kleinen Computern mutiert und müssen dezentral am Point-of-Load versorgt werden.

Der Apple I nutzte 1976 TTL-Logikbausteine, die mit 5 V Gleichspannung zu versorgen waren. Eine niedrige Spannung bei selbst in solchen Kleincomputern bereits höheren Strömen. Ein Netztransformator, gefolgt von Gleichrichtern, Ladekondensatoren und einem großen Linearregler auf einem noch größeren Kühlkörper musste diese heranschaffen. Hinzu kam nur noch eine kleinere ±12-V-Versorgung für etwa Diskettenlaufwerke. Die Linearregler entwickelten viel Hitze und Netztransformator, Gleichrichter und Ladekondensatoren benötigten viel Platz. Das Netzteil wurde daher bei Heimcomputern wie dem C64 oft in einen »Netzklops« ausgelagert. Doch die elektrischen Probleme löste dies nicht, ob die hohen Regelverluste oder der deutliche Spannungsabfall auf der nun längeren Zuleitung.

Kam mit dem PC: Getaktete Stromversorgung statt Linearreglern

Der Netztransformator verschwand als erstes aus den Computer-Stromversorgungen, denn die 5-V-Gleichspannungsversorgung aus einem Linearregler war nicht nur sehr ineffektiv – mit 50 % Wirkungsgrad war man hier schon richtig gut – sondern auch sehr unzuverlässig.  Beim kleinsten Spannungseinbruch im Netz schlug dieser auch auf den 5-V-Ausgang durch und der Rechner stürzte ab – beim Anspringen des Kühlschranks war »Mario« tot.

Primär getaktete Schaltnetzteile haben dagegen Ladekondensatoren bereits auf der Netzseite statt nur auf der Sekundärseite des Transformators, die damit auch den Ausfall einer Halbwelle überbrücken können. Zudem können sie auch bei Netz-Unterspannung noch eine stabile Ausgangsspannung liefern, ohne inakzeptable Wirkungsgrade zu produzieren.

So wurden die Netzteile kleiner und der Wirkungsgrad stieg – bei einfachen Sperrwandlern jedoch nicht der Platzreduktion proportional, weshalb nun Lüfter erforderlich wurden, um die Verlustwärme abzuführen. Über die Jahre wurden die Netzteile besser, doch die PCs – ebenso wie Industrielösungen mit 24-V-Bus – auch immer leistungshungriger: Die Folge: Auch auf der Hutschiene haben sich Schaltnetzteile durchgesetzt. Den traditionellen drei PC-Spannungen +5 V, +12 V, -12 V folgten zudem immer weitere: Dem Netzteil entsprossen zusätzliche Stecker und Strippen beispielsweise für Hochleistungs-Grafikkarten. Dabei kamen noch niedrigere Spannungen für die Prozessoren hinzu: erst 3,3 V, dann 2,5 V, dann 1,8 V. Mittlerweile laufen manche dieser Bausteine mit weniger als 1 V.

Dezentrale Stromversorgung ist unproblematischer

Diese geringen Spannungen ließen sich allerdings nicht mehr vernünftig über Kabel zuführen, sie wurden stattdessen vor Ort über Point-of-Load-Regler (POL) erzeugt: Die Distributed Power Architecture (DPA, Verteilte Stromversorgung) hatte Einzug gehalten. Bei der DPA wird eine mehr oder weniger gut geregelte Zwischenkreisspannung weiter gewandelt und zur final gewünschten Arbeitsspannung geregelt.

In der Profi-Technik war DPA schon Ende der 80er-Jahre aufgetaucht: Neben den „dreibeinigen“ POL-Reglern, die inzwischen ebenfalls als Schaltregler verfügbar sind, verbreiteten sich auch die hochleistungsfähigen Bricks, isolierende ­DC­/­DC-Wandler, die mit bis zu 90 % Wirkungsgrad und bis über 700 W Leistung Eingangsspannungen von 9 bis 425 V DC zu Arbeitsspannungen von weniger als 1 V DC bis zu 60 V DC umsetzen. Ein Brick ist dabei die Baugröße 117 x 55,9 x 12,7 mm³, kleinere Bauformen nutzen dann 1/2, 1/4, 1/8 oder 1/16 Brick (Bild 1).

Hy-Line Power
© Hy-Line / Phi-Con

Bild 1. Günstiger 200-W-Half-Brick-DC/DC-Wandler mit Wide-Range-­Eingangsspannungsbereich von 4:1 von Phi-Con – bei Bedarf auch mit ­inte­griertem Kühlkörper.

Bricks haben eine Metallgrundplatte, mit der sie an Kühlkörper geschraubt werden, und eine sehr robuste Bauweise, was sie auch im Bahn-, Avionik- und Militärbereich sehr beliebt macht. Der zulässige Eingangsspannungsbereich liegt meist bei 2:1 bis 4:1, die Eingangsspannung muss also nicht stabilisiert sein. Sie produzieren aus einer Bus-Eingangsspannung eine geregelte Ausgangsspannung. So können auch weit verzweigte Anlagen verlustarm versorgt werden – ebenso ist aber bei Bedarf auch ein klassisches zentrales Netzteil mit solchen Bricks flexibel in Kleinstserien aufbaubar. Durch die galvanische Trennung verringern diese Bausteine die Gefahr durch Überspannungen und Brummschleifen in ausgedehnten Anlagen, während in lokalen, kostensensitiven Applikationen mit den galvanisch nicht trennenden POL-Reglern gearbeitet wird.

Wandler mit und ohne galvanische Trennung

Hy-Line Power
© Hy-Line

Bild 2. RailQor von SynQor: Eingangsspannungsbereich von 12 bis 155 V DC.

Für spezielle Anwendungen gibt es auch Brick-Bausteine mit Eingangsspannungsbereichen von 8:1 oder 12:1. Letztere haben dann beispielsweise einen Eingangsspannungsbereich von 12 bis 155 V DC (Bild 2). Dies ist nützlich bei sehr instabilen oder über lange Leitungen zugeführten Versorgungsspannungen oder in Applikationen, bei denen mit sehr unterschiedlichen Versorgungsspannungen gerechnet werden muss. So werden solche Extremweitbereichseingänge gerne in der Bahntechnik und Industrie verbaut, wo je nach Einsatzort ganz unterschiedliche Versorgungsspannungen zur Verfügung stehen. Selbst wenn der Einsatzort nicht mobil in einem Zug ist, erspart der Weitbereichswandler, verschiedene Varianten einer Stromversorgung bereit halten zu müssen. Gegenüber den Standardmodellen sind Leistung und Wirkungsgrad der Ultra-Weitbereichswandler zwar etwas reduziert, doch mit bis zu 90 %  und bis zu 144 W immer noch sehr gut.

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