Alle Netzteile müssen für den Anwender sicher sein, aber auch Eigenschaften wie Effizienz und EMV spielen bei der Anwendungsentwicklung eine Rolle. Alles zu kombinieren ist jedoch nicht immer einfach.

Ein Netzteil muss sicher in der Anwendung sein und den Benutzer vor gefährlicher Netzspannung schützen. Es gibt entsprechende internationale Standards, die für jeden Anwendungsbereich gelten. Adapter oder externe Netzteile dürfen die Umwelt nicht durch unnötigen Stromverbrauch im Betrieb und im Leerlauf belasten. Sie dürfen andere Geräte nicht durch leitungsgebundene oder abgestrahlte elektromagnetische Störungen (EMI) beschädigen oder stören. Auch für diese Aspekte gelten Standards, die teils verpflichtend und teils freiwillig sind. Auch die Anwendung und der Einsatzbereich sind zu beachten. In ähnlicher Weise müssen Netzteile gemäß internationalen Standards auf verschiedenen spezifizierten Niveaus, die unterschiedliche Anwendungsumgebungen abdecken, Immunität gegen leitungsgebundene und gestrahlte Interferenzen bieten. Entwickler müssen auch die Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) berücksichtigen. Auch hier gibt es regionale und anwendungsbedingte Abweichungen, insbesondere bei Produkten, die internationalen Standards genügen müssen und weltweit vertrieben werden.

Abb. 1: Gleichtakt- und Differenzfilter dämpfen das leitungsgebundene Rauschen des Netzteils. (Bild: CUI)

Tabelle 1: Energieeffizienz / Effizienz nach US DoE Level VI für ein externes AC / DC Netzteil mit einer Spannung. (Bild: CUI)

Tabelle 1a: Energieeffizienz / Effizienz nach US DoE Level VI für ... (Bild: CUI)

... ein externes AC/DC-Netzteil mit einer Spannung. (Bild: CUI)

Tabelle 2: Energieeffizienz / Effizienz nach europäischem CoC Tier 2 Standard. (Bild: CUI)

Tabelle 3: Grenzwerte für die Feldstärke nach CISPR 32 für leitungsgebundene und gestrahlte Störungen. (Bild: CUI)

In einer idealen Welt wären Netzteile zu 100 Prozent energieeffizient. Bei der Energieumwandlung – sei es von Wechselstrom in Gleichstrom (AC/DC) oder von Gleichstrom in Gleichstrom (DC/DC) – kommen viele diskrete Bauelemente zum Einsatz, die teilweise Energieverluste verursachen. Bei einem Schaltnetzteil ergeben sich die Gesamtverluste aus vielen kleinen Verlusten über mehrere unterschiedliche Komponenten. Induktivitäten und die zum Schalten verwendeten Halbleiter tragen zu den Verlusten bei, sind aber keineswegs die einzigen Bauteile.

Die Energieeffizienz eines AC/DC-Netzteils lässt sich berechnen, indem man die Ausgangsleistung durch die Eingangsleistung dividiert und das Ergebnis in Prozent angibt. Liefert ein Netzteil beispielsweise bei 4 A Volllast eine Ausgangsleistung von 12 VDC, entspricht dies einer Leistung von 48 W. Wird ein Leistungsfaktor von 1 am AC-Eingang angenommen, ergeben sich 220 VAC und 0,25 A zu einem Eingangsleistung von 55 W. Das Netzteil hat damit einen Wirkungsgrad von 87 Prozent. In diesem Beispiel führt die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung zu 7 W an abzuführender Verlustwärme.

Bei der Auswahl eines geeigneten AC/DC-Netzteils ist Sicherheit nicht das einzige Kriterium. Hersteller müssen außerdem sicherstellen, dass das Netzteil den Energieeffizienz-Anforderungen der Länder entspricht, in denen es verwendet wird. Die Einhaltung der einschlägigen EMV-Normen stellt außerdem sicher, dass ein Netzteil oder Netzteil nicht den Betrieb eines anderen Gerätes stört oder unterbricht.

Abwärme ist ein wesentlicher Faktor bei der Entwicklung von Stromversorgungen. Beispielsweise kann sich die Umgebungstemperatur eines Netzteils negativ auf die Zuverlässigkeit der Komponenten auswirken. Je effizienter das Netzteil, desto weniger Abwärme wird abgeführt und desto zuverlässiger ist das Netzteil im Betrieb. Erhöhte Komponentenzuverlässigkeit verlängert die Lebensdauer des Netzteils. Wird der Wirkungsgrad des Netzteils hoch gehalten, ist keine lüfterunterstützte Kühlung erforderlich und nur die Konduktionskühlung führt die entstehende Abwärme ab. Bei der Auswahl eines AC/DC-Netzteils ist die Energieeffizienzklasse dem Datenblatt zu entnehmen.

Eine weitere Überlegung in Bezug auf die Effizienz der Stromversorgung ist, dass sie nicht festgelegt ist, da sich die Energieeffizienz eines Stromrichters mit der Belastung ändert, die der Benutzer darauf ausübt. Je geringer die Strombelastung am Ausgang des Netzteils ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad der Stromwandlung. Der Wirkungsgrad hängt auch von der Wechselspannung am Eingang ab. Daher müssen Entwickler auch den entsprechenden AC-Eingangsbereich im Datenblatt überprüfen. Aber auch die Betriebstemperatur beeinflusst die Effizienz, denn manche Adapter reduzieren mit steigender Temperatur ihre maximale Ausgangsleistung. Für den Produktdesigner ist es wichtig, die Worst-Case-Effizienz zu verstehen, falls er zusätzliche Kühlmethoden hinzufügen muss.

Tabelle 1: Energieeffizienz / Effizienz nach US DoE Level VI für ein externes AC / DC Netzteil mit einer Spannung. CUI

Angesichts des weltweit steigenden Energieverbrauchs achten die Menschen viel stärker darauf, wie effizient eine Stromversorgung ist. Die Energieeffizienzgesetzgebung begann im Jahr 2004, als die California Energy Commission (CEC) den ersten formellen Energieeffizienzstandard festlegte. In den meisten Regionen der Welt gibt es mittlerweile verbindliche Energieeffizienzstandards, die einen Mindestwirkungsgrad definieren, der für ein Netzteil oder eine Stromversorgung erforderlich ist. In einigen Fällen haben Länder US- oder EU-Standards übernommen oder angepasst, anstatt separate Gesetze zu erlassen. Seit der ursprünglichen CEC-Spezifikation gab es viele Überarbeitungen der zulässigen Effizienzgrenzwerte. Der aktuelle Standard in den USA ist „Department of Energy Level VI“ (DoE Level VI) und wird in Europa seit dem 1. April 2020 durch die Ökodesign-Richtlinie 2019/1782 abgedeckt. Diese Standards gelten nicht nur für das Netzteil, sondern zum Gesamtsystem bestehend aus Netzteil und Endprodukt.

Im Laufe der Jahre gab es zunehmend Bedenken hinsichtlich des Energieverbrauchs, wenn sich das zu versorgende Gerät oder System im Standby-Modus befindet. Benutzer gingen oft davon aus, dass der Stromverbrauch im Idle-Modus relativ gering ist, was jedoch häufig nicht der Fall ist. Die Standards DoE Level VI und Ecodesign 2019/1782 sind im Allgemeinen ähnlich, mit einer Ausnahme. Ökodesign erfordert das Testen der Energieeffizienz bei einer durchschnittlichen Last von 10 Prozent (Tabellen 1 und 2).

CoC Tier 1 führte 2014 einen Verbrauchsgrenzwert von 10 Prozent des Laststroms ein und die Anforderungen waren weniger anspruchsvoll als bei DoE Level VI. Der Ecodesign-Standard 2019/1782 trat im April 2020 in Kraft und erfüllt nun die Anforderungen des DoE Level VI für die durchschnittliche Effizienz im Aktivmodus, ist aber weniger streng als der noch geltende CoC-Tier-2-Standard. Ecodesign beinhaltet den Effizienztest bei 10 Prozent Last, stellt aber keine Anforderungen.

Tabelle 2: Energieeffizienz / Effizienz nach europäischem CoC Tier 2 Standard. CUI

Die jüngsten Fortschritte in der Halbleitertechnologie helfen Entwicklern von Netzteilen, noch effizientere Netzteile bereitzustellen. Insbesondere Schalttransistoren sind eine der Hauptursachen für Effizienzverluste innerhalb eines Netzteils. Diese Transistoren sind heute häufig auf Basis von Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erhältlich. WBG-basierte Transistoren haben viel geringere Schalt- und Leitungsverluste als ihre Silizium (Si)-Varianten und bieten auch deutlich höhere Durchbruchspannungen. Die Verwendung von GaN-basierten Halbleitern bietet auch andere Vorteile, da die Leistungsumwandlung bei höheren Schaltfrequenzen erfolgen kann, was die Größe einiger der sperrigeren Komponenten wie Induktivitäten erheblich reduziert. Ein Netzteil auf Basis von GaN-Schalttransistoren ist beispielsweise das externe Tischnetzteil SDI200G-U von CUI. Er kann kontinuierlich eine Ausgangsleistung von 200 W liefern und entspricht mit einer Energieeffizienz von 95 Prozent den Energieeffizienzvorgaben DoE Level VI und CoC Tier 2 reduziertes Gewicht um 32 Prozent.

Eine Reihe internationaler Normen legen die maximalen Werte für elektromagnetische Störungen (EMI) fest, die ein Netzteil erzeugen kann. In jedem Schaltnetzteil oder Adapter kommt der Großteil der EMI von der Schaltung. Diese Störungen fallen in zwei Kategorien: leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen.

Was sind leitungsgebundene Störungen? Sie treten auf, wenn elektromagnetisches Rauschen das Netzteil verlässt, indem es entlang der Verbindungsleitungen zum DC-Ausgang wandert. Unbeabsichtigte Störungen können dann die einwandfreie Funktion des zu versorgenden Gerätes beeinträchtigen. Solche Störungen sind meist niederfrequent im Bereich von 10 kHz bis 30 MHz. Oberhalb von 30 MHz verhalten sich die Innenleiter des Netzteils wie Antennen, was zur Aussendung unerwünschter Störsignale führt.

Netzteile müssen den einschlägigen EMV-Normen entsprechen. Da die Zahl der elektronischen Geräte und Einrichtungsgegenstände in unseren Wohnungen, Büros und Autos weiter wächst, besteht ein zunehmender Bedarf an EMV-Konformitätsprüfungen, damit ein Gerät den Betrieb eines anderen nicht stört oder unterbricht.

Tabelle 3: Grenzwerte für die Feldstärke nach CISPR 32 für leitungsgebundene und gestrahlte Störungen. CUI

In den Vereinigten Staaten legt der FCC Part 15-Standard der Federal Communications Commission die Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte EMI fest. Innerhalb Europas gilt der mit FCC Part 15 harmonisierte CISPR 32 Standard. Beide setzen Grenzwerte für Geräte der Klasse A und B. Klasse A umfasst eine Vielzahl von Geräten für den Einsatz im gewerblichen und industriellen Bereich, während Klasse B für den Heimgebrauch konzipiert ist. Tabelle 3 beschreibt die europäischen CISPR-32 Grenzwerte für die Feldstärke für leitungsgebundene und gestrahlte Störungen.

Entwickler von Netzteilen verwenden verschiedene Filtertechniken und Komponenten, um unerwünschte Störungen zu reduzieren. Kondensatoren in der Wechselstromleitung (Abbildung 1) erzeugen Gleichtakt- und Gegentaktfilter, um das von der Stromversorgung erzeugte leitungsgebundene Rauschen zu dämpfen.

Auf der DC-Ausgangsseite reduzieren Kondensatoren unerwünschte Störungen über die Plus- und Minusleitungen. Serieninduktivitäten am Ausgang werden zusammen mit Ferritperlen verwendet, um Störstrahlungen zu begrenzen.

Bei der Auswahl eines geeigneten AC/DC-Netzteils ist Sicherheit nicht das einzige Kriterium. Hersteller müssen außerdem sicherstellen, dass das Netzteil den Energieeffizienz-Anforderungen der Länder entspricht, in denen es verwendet wird. Die Einhaltung der einschlägigen EMV-Normen stellt außerdem sicher, dass ein Netzteil oder Netzteil nicht den Betrieb eines anderen Gerätes stört oder unterbricht.

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