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Kenngrößen am Schaltnetzteil

7. Oktober 2019, 14:23 Uhr | Von Heidrun Seelen (Vertriebsleitung) und Frank Cubasch (Geschäftsführer), beide bei Magic Power

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Hold-up-Zeit

Anders stellt sich die Situation bei der Messung der Leerlaufleistung dar. Bei Werten von <0,5 W ist eine kontinuierliche Entnahme nicht wahrscheinlich. Dies führt zu den Ergebnissen in Tabelle 3. Einfache Messgeräte liefern hier ein völlig falsches Ergebnis. Daraus folgt: Bei der Messung der Eingangsleistung muss die Kurvenform bzw. das Vorhandensein einer PFC-Stufe berücksichtigt werden!

Als Hold-up-Zeit wird die Zeitpanne definiert, in welcher ein Netzteil nach Unterbrechung der Versorgungsspannung die Ausgangsspannung unter Volllast bis zum Absinken auf 95 Prozent aufrechterhält. Die Werte schwanken je nach Netzteil und Eingangsspannung zwischen 10 und 20 ms. Bei der Messung ist darauf zu achten, dass die Spannung im Nulldurchgang abgeschaltet wird. Auch hier kann man übrigens einen Unterschied zwischen einem Netzteil mit und ohne PFC erkennen.

Beim Netzteil ohne PFC wird die Hold-up-Zeit auf die kleinste Eingangsspannung, also im Allgemeinen 115 V AC hin berechnet, da der Kondensator hier nur zu einem Bruchteil geladen ist. Im Betrieb mit 230 V AC und bei voller Kondensatorladung werden dagegen deutlich höhere Speicherzeiten erreicht.

Messmittel der Wahl ist hier eine AC-Quelle, mit welcher der exakte Abschaltpunkt im Nulldurchgang festgelegt werden kann. Als Alternative (jedoch nur für 50 Hz) kann man sich auch mit einer Triac-Schaltung behelfen, in welcher der Triac beim Messzeitpunkt im Nulldurchgang nicht mehr gezündet wird.

Der Unterschied zwischen 115 und 230 V AC beträgt hier den Faktor 6. Ganz anders ist es bei einem Netzteil mit aktiver PFC. In diesem Fall ist der Zwischenkreiskondensator unabhängig von der Eingangsspannung immer auf etwa 370 V DC geladen. Somit sind auch die Hold-up-Zeiten zwischen 115 und 230 V AC nahezu identisch.

Bei einem Netzteil ohne PFC sind also große Unterschiede in der Hold-up-Zeit zwischen hoher und geringer Eingangsspannung vorhanden!

Einschaltstrom

Diese Messung wird wie schon bei der Hold-up-Zeit mit einer AC-Quelle durchgeführt. Wichtig ist, dass die Quelle eine niedrige Impedanz aufweist. Im Gegensatz zur Hold-up-Messung wird hier die Spannung auf dem Scheitel eingeschaltet. Eine Alternative zu einem AC-Generator besteht darin, einen Gleichrichter mit entsprechend großen Sieb-Elkos an 230 V AC zu schalten. Die nun an den Elkos anliegende Spannung entspricht genau der Dachspannung bei 90° beziehungsweise 270°. Nun lässt sich der Einschaltstrom mit einer Stromzange recht einfach und ohne Zuhilfenahme eines AC Generators messen.

Insbesondere bei Netzteilen kleinerer Leistungsklassen ist zu beachten, dass das Netzteil vor dem Test abgekühlt ist. Der Grund dafür ist, dass die Strombegrenzung mit einem Heißleiter (NTC) realisiert wird, welcher in Reihe zum Eingang liegt. Bei Netzteilen höherer Leistungsklassen wird die Strombegrenzung etwa von einem Relais übernommen, welches einen Widerstand in Reihe kurz nach dem Hochlaufen überbrückt. Die Temperatur des Netzteils hat auf den Abschaltzeitpunkt damit kaum einen Einfluss. Bei der Lösung mittels NTC gibt es jedoch deutliche Unterschiede zwischen kaltem und betriebswarmem Zustand.

Temperaturmessungen,
Derating

Wie jedes elektronische Bauelement unterliegt auch ein Netzteil einem Derating. Dies erfordert, dass die entnommene Ausgangsleistung der Erwärmungssituation angepasst wird. Da das Netzteil die Ausgangsleistung nicht selbst herunterregelt, muss es auf Basis der maximalen Betriebsbedingungen und entsprechend der Derating-Kurve beziehungsweise -faktor (aus dem Datenblatt) ausgewählt werden. Maßgebliche Bedingungen sind:

Art der Kühlung (aktiv oder passiv)
Eingangsspannung
Ausgangsleistung
Umgebungstemperatur des Netzteils
Temperaturerhöhung durch Wärmeabgabe der angeschlossenen Elektronik
Art des Einbaus, beispielsweise Überkopf

Zur Auswahl des geeigneten Netzteils ist es von Vorteil, die endgültige Betriebstemperatur recht früh in der Entwicklungsphase zu bestimmen. Etwas schwieriger gestaltet sich meist die Aussage in Bezug auf die Art der Kühlung und insbesondere auf die Art des Einbaus. Als Entscheidungsgrundlage bieten sich Messungen bereits am Modell und in verschiedenen Varianten an.

Magic Power Technology führt derartige Temperaturmessungen für seine Kunden an Nachstellungen der Applikation durch. Durch diesen Service kann recht früh in einem Projekt ein geeignetes Netzteil festgelegt werden, welches zum einen die Leistung sicher unter allen Umgebungsbedingungen dauerhaft zur Verfügung stellt, zum anderen auch preislich das Optimum darstellt.

Deutlich wird dies an einem Beispiel: Das auszuwählende Netzteil muss 45 W im lüfterlosen Betrieb bei bis zu 50 °C Umgebungstemperatur der Gesamtapplikation liefern. Ein Delta von +20 K durch die Eigenerwärmung der Elektronik und des Netzteils ist durchaus realistisch, was letztendlich zu 70 °C Betriebstemperatur für das Netzteil führt. Im ersten Schritt erscheinen laut Datenblatt das MPE-S065 und das Vergleichsgerät identisch. Beide erlauben bis zu 60 W bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C. Über diesem Wert ist bei dem Vergleichsgerät ein Derating von –2,5 Prozent/K anzusetzen, was entsprechend zu 30 W bei 70 °C führt. Hier kann das Vergleichsgerät dauerhaft die Leistung von 45 W bei 70 °C nicht mehr sicher zur Verfügung stellen.

Kurzfristig wird dies funktionieren, mittelfristig ist aber mit deutlich reduzierter Lebensdauer zu rechnen. Um bei entsprechendem Derating eine langlebige Lösung zu finden, wäre ein Netzteil von mindestens 90 W basierend auf einem Derating ab 50 °C mit –2,5 Prozent/K auszuwählen. Noch drastischer stellt sich die Situation dar, wenn das Derating bereits bei 40 °C einsetzt. Dagegen weist das MPE-S065 nur ein Derating von –0,75 Prozent/K auf. Es erlaubt somit dauerhaft 51 W bei 70 °C auch bei längeren Betriebszeiten. Durch eine optimierte und vorzugsweise mit Temperaturmessungen abgesicherte Auswahl des Netzteils unter Berücksichtigung der Deratingfaktoren lassen also sich in vielen Fällen Platz und Kosten sparen.