Netzteile mit hoher Leistungsdichte

12.09.2018

Billige Kompaktnetzteile brüsten sich gerne mit hoher Leistungsdichte. Um die Qualität und Zuverlässigkeit zu beurteilen, kommt es jedoch auf andere Parameter an.

Wer sich bei der Entscheidung für ein kompaktes Industrienetzteil allein mit der Frage: “Wie viel W erhalte ich für meinen €?” beschäftigt, kann langfristig eine böse Überraschung erleben. Denn bei den Leistungsangaben, mit denen besonders gerne billige Fernostimporte werben, handelt es sich oft nur um Spitzenwerte, die das Netzteil lediglich kurzfristig, unter optimalen Bedingungen abgeben kann. Über die tatsächliche, zuverlässig auf Dauer abrufbare Leistung sagen diese Werte gar nichts aus. Für die Beurteilung von Qualität und Zuverlässigkeit einer kompakten Stromversorgung sind ganz andere Parameter zu berücksichtigen. Die wesentlichen sind der Wirkungsgrad, das Wärmemanagement, die zulässige Umgebungstemperatur, die Derating- Kurven für Eingangsspannung und Umgebungstemperatur sowie die Überbrückungszeiten bei Netzausfall.

Die bestimmende Kenngröße eines Netzteils ist immer noch dessen Wirkungsgrad. Typischerweise liegt er bei kompakten AC/DC-Netzteilen mit 230-V-Ein- sowie 24-V-Ausgangsspannung um die 93%. Bei einer Ausgangsleistung von 200 W bedeutet dies eine zusätzliche Verlustleistung von rund 15 W, die als Wärme abzuführen ist. Mit niedrigerer Wechseleingangsspannung sinkt in der Regel auch der Wirkungsgrad. In diesem Fall ist bei gleicher Last noch mehr Verlustwärme abzuführen. Wenn das Netzteil dabei nur die Größe einer Zigarettenschachtel hat, kann dies nur mittels Zwangslüftung, sprich einem zusätzlichen Lüfter, passieren. Bei einem soliden 60-W-Industrienetzteil liegt die Verlustleistung bei gleichem Wirkungsgrad dagegen deutlich unter 6 W. Das entspricht einer Wärmemenge, die noch zuverlässig per Konvektion abgeleitet werden kann. Nicht zu vernachlässigen ist in diesem Zusammenhang auch die vorgesehene Einbaulage. Ein durchdachtes Wärmemanagement gestattet die Montage des Netzteils in jeder Richtung. Wenn es die Installation verlangt, sogar über Kopf. Im industriellen Umfeld sollte ein offenes Netzteil mindestens bis zu einer Umgebungstemperatur von 70° C eine konstante Leistung liefern. Entscheidend ist dabei die Temperatur-Derating-Kurve. Sie beschreibt die maximal zulässige Abgabeleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Schaut man sich diese Kurve bei einschlägigen Schnäppchen-Netzteilen an, so steht in der Regel – selbst mit aktiver Kühlung – schon ab 50° C nicht mehr die volle Leistung zur Verfügung. Bei 70° C liefert das Netzteil nur noch ein Drittel der ursprünglich 200 W und ist somit auf „Augenhöhe“ zu einem industrietauglichen 60-W-Produkt. Oftmals ist dann der Wirkungsgrad geringer, als im Datenblatt für das Optimum angegeben. Auch eine Eingangsspannung unter 230 V, wie sie etwa in Amerika üblich ist, oder gar ein instabiles Versorgungsnetz kann bei einfachen Netzteilen zu deutlichen Leistungseinbußen führen. Vielfach fehlen bei billigen Netzteilen auch noch die notwendigen Schutzmechanismen, um in solchen Fällen die Leistungsabgabe automatisch zu reduzieren. Dann muss der Betreiber für zusätzliche Mess- und Regeltechnik sorgen, um die Spannungswandler in solch prekären Situationen nicht zu überlasten.

Kurzzeitige Schwankungen oder gar Ausfälle der Netzspannung sind auch in stabilen Stromnetzen nie ganz auszuschließen. Gute Netzteile sollten deshalb mindestens 20 ms bis 40 ms lang den Ausfall der Netzspannung überbrücken können. Entscheidend dafür ist die Topologie des Hauptwandlers und vor allem die Kapazität des Zwischenkreiskondensators. Ein Resonanzwandler mit kleinem Kondensator kann nur sehr kurze Ausfälle meistern ‑ ein zusätzlicher Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) ist hier von Nöten. Bedingt durch seine andere Topologie hält dagegen ein Fly-Back-Wandler mit großem Elko im Zwischenkreis deutlich länger durch. Bei zweitklassigem Design ist dies allerdings mit Einbußen bei der Effizienz sowie sehr hohen Einschaltströmen von bis zu 80 A verbunden. Gut durchdachte Netzteile verfügen hier über eine aktive Einschaltstrombegrenzung, welche diese Spitzenbelastungen auf ein Zehntel reduziert und nahezu verlustfrei arbeitet. In der Europäischen Union dürfen sich elektrische Geräte nicht gegenseitig stören. Der Hersteller hat dies durch die Verwendung EMV-gerechter Bauteile, Schaltungen und Abschirmungen sicherzustellen. Allerdings ist die in diesem Zusammenhang aufgeführte CE-Kennzeichnung kein geprüftes Qualitätssiegel sondern lediglich das Versprechen des Herstellers, einschlägige EU-Normen und Vorschriften einzuhalten. Schlussendlich ist auch eine anwenderfreundliche Kontaktierung ein nicht zu unterschätzendes Merkmal eines guten Kompaktnetzteils. Das gerne auch hohe Spitzenlasten abdeckt aber vor allem durch eine konstante Dauerleistung überzeugt.

- Nennleistung: Gibt an, welche Leistung im Dauerbetrieb abgegeben werden kann
- Spitzenleistung: Nennt nur die kurzzeitig tolerierte Belastung – für die Beurteilung zweitrangig
- Wirkungsgrad: Bestimmt die abzuführende Verlustwärme
- Eingangsspannungsderating: Zeigt welche Leistung bei welcher Eingangsspannung tatsächlich entnommen werden kann.
- Temperaturderating: Aus dieser Kurve ist ersichtlich, welche Leistungsabgabe bei welcher Umgebungstemperatur gerade noch zulässig ist, ohne das Netzteil zu überhitzen
- Einbaulage: Sie bestimmt welchen Ausrichtungen des Netzteils zulässig sind, um die Verlustwärme zuverlässig abzuführen
- Elektromagnetische Verträglichkeit: Gemäß EU-EMV-Richtlinie dürfen sich elektrische Geräte nicht gegenseitig stören