Wirkungsgradbestimmung bei Stromversorgungen Genaue Wirkungsgradmessung liegt im Interesse des Anwenders

Stromversorgungen haben zunehmend höhere Wirkungsgrade. Doch können wir uns auf Wirkungsgradangaben in den Datenblättern der Hersteller verlassen? Wie kann man selber messen?

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Immer mehr Anwender verstehen, dass der Wirkungsgrad einer Stromversorgung entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit hat. Er ist der Schlüssel (insbesondere bei konvektionsgekühlten Geräten) zu einer einerseits kleinen und andererseits zuverlässigen Stromversorgung. Ohne Zwangsbelüftung ist die Wärmeabfuhr beschränkt.

Auch die anderen Komponenten im System profitieren von geringen Verlusten und damit einer geringen Erwärmung. Deshalb bemühen sich auch immer mehr Hersteller von Stromversorgungen um einen hohen Wirkungsgrad. Mit diesem Artikel sollen Anwender in die Lage versetzt werden, selbst den genauen Wirkungsgrad und damit die Verluste einer Stromversorgung zu bestimmen, um sich nicht nur auf die oft optimistischen und knappen Datenblattangaben verlassen zu müssen.

Bernhard Erdl (Gründer, Geschäftsführer und Chef-Entwickler der PULS GmbH) ist die genaue Wirkungsgradmessung ein besonderes Anliegen, weshalb er zu diesem Thema folgende fünf Empfehlungen gibt:

• Präzise Messgeräte verwenden: möglichst Leistungsanalysatoren oder hochgenaue Wattmeter nutzen,

• auf die richtige Verkabelung beim Messaufbau und spannungsrichtiges Messen achten,

• bei AC-Messungen möglichst eine elektronische AC-Quelle verwenden,

• EMV-Störungen vom Prüfling ausgehend vermeiden und schließlich

• Temperatur- und Zeiteinflüsse auf die Messung beachten.

Der Wirkungsgrad ist eine Kennzahl, anhand der man verschiedene Netzgeräte gut vergleichen kann. Was aber den Systementwickler oder Anwender von Stromversorgungen noch mehr interessiert, ist die Verlustwärme des Netzgerätes. Da diese Verluste elektrisch nicht direkt gemessen werden können, bleibt nur die Differenzbildung aus Eingangs- und Ausgangsleistung.

Kleine Wirkungsgradänderung hat großen Einfluss

Bei den heute möglichen hohen Wirkungsgradwerten von 95% (das entspricht einem Verlust von 5%) führen allerdings kleine Messfehler bei der Eingangs- und Ausgangsleistung zu großen Fehlern bei der Verlustberechnung: Wenn ein Messfehler von jeweils nur 0,5% vorliegt, in Summe also 1%, dann ist die Verlustberechnung um 20% falsch (Bild 2).

Wichtig ist auch, dass scheinbar geringe Unterschiede im Wirkungsgrad einen großen Unterschied bei den Verlusten bedeuten. Bei modernen Stromversorgungen liegen die Werte zwischen 92% und 95%. Hierbei kann beim Anwender die Annahme entstehen, dass ein oder zwei Prozent hin oder her keinen großen Unterschied machen. Das ist jedoch ein Irrtum. Denn nicht der absolute Wert des Wirkungsgrades sondern die Differenz zum Idealwert von 100% ist entscheidend.

Ein Beispiel bei gut vergleichbaren Netzgeräten mit 24 V/10 A am Ausgang: Das 2005 eingeführte PULS QS10 hat einen Wirkungsgrad von 93,5%. 10 Jahre später ist das PULS CP10 mit einem Wirkungsgrad von 95,2% verfügbar. Auf den ersten Blick scheinen „nur“ 1,7 % Unterschied keine große Weiterentwicklung zu sein. Dennoch konnten die Verluste beim CP10 (im Vergleich zum QS10) um 27% gesenkt werden.

Das bedeutet, dass bei hohen Wirkungsgraden selbst kleine Anstiege in einer maßgeblichen Reduzierung der Verlustleistung resultieren. Mit steigenden Wirkungsgraden wird die Messgenauigkeit demnach immer wichtiger, da sich sonst die Verlustleistung nicht richtig ermitteln lässt.

Wirkungsgrad bestimmen und dabei Fehler vermeiden

Wir sind beim Wirkungsgrad immer noch nicht bei 100%. Manchmal sind wir über 100%, aber dann glauben wir’s nicht und messen lieber nochmal nach. Aber gerade weil wir so nah an der 100%-Marke dran sind, wird es immer schwieriger genau zu messen.

Absolute Präzision bei der Wirkungsgradmessung ist somit unabdingbar, um eine genaue Aussage über die Verlustleistung einer Stromversorgung zu treffen. Viele Fehler lassen sich durch eine gute Vorbereitung und eine professionelle Messung jedoch vermeiden. Die häufigsten Fehlerquellen sind:

• falsches Messprinzip durch ungeeignete Messgeräte,

• ungenaue Messgeräte,

• fehlerhafter Messaufbau,

• Vernachlässigung der Umgebungsbedingungen.

Zu diesem Thema gibt es von PULS ein White Paper mit dem Titel „Accurate Efficiency Measurements“. Dieses wurde vom Technischen Komitee der European Power Supply Manufacturers Association (EPSMA), und hier vor allem von den Mitgliedern PULS, Artesyn Embedded Power und Efore, ausgearbeitet.

Es gibt eine Vielzahl von Messinstrumenten, die für die Ermittlung des Wirkungsgrads genutzt werden. Dennoch sind die Messtoleranzen und die Fähigkeiten der Messinstrumente, verschiedene Signale (AC oder DC) zu messen, sehr unterschiedlich.

Multimeter: Für reine DC-Ein- und Ausgänge sind genaue Multimeter zur Spannungs- und Strommessung durchaus geeignet. Die Spannung kann mit hoher Präzision direkt am Ein- und Ausgang der Stromversorgung bestimmt werden. Viele Multimeter haben auch eine eingebaute Strommessung, allerdings ist diese meist zu ungenau (Ungenauigkeit 1% oder mehr) oder sie hat keinen ausreichenden Messbereich (meist auf 10 A limitiert). Stattdessen sollen die Ströme über hochpräzise Shunt-Widerstände mit 0,01% Toleranz erfasst werden. Problematisch ist die nicht synchrone Erfassung der Werte, die bei schwankenden Verhältnissen zu Fehlern führt.

Datenlogger sind für DC-Messungen noch besser. Sie bestehen aus einer einzigen, meist hochgenauen Messeinheit, die durch Multiplexen mehrfach verwendet wird. Im gleichen Messbereich kürzen sich die Fehler sogar heraus und alle Werte können zeitnah erfasst und mit einer Tabellenkalkulation schnell ausgewertet werden.

AC-Eingangsleistungen können mit Multimetern oder Datenloggern jedoch nicht gemessen werden. Ein häufiger Fehler ist die Annahme, dass es ausreichend ist, die Echteffektivwerte (RMS) von Strom und Spannung zu bestimmen und diese beiden Werte miteinander zu multiplizieren, um die Eingangsleistung zu ermitteln. Durch diese Berechnung ermittelt man jedoch die Scheinleistung und nicht die Wirkleistung, die für die Verluste entscheidend ist. Das Messen von AC-Eingangsleistungen, selbst mit True-RMS-Multimetern, resultiert daher in falschen Messungen und ist inakzeptabel.

Wattmeter: Wattmeter werden für die Messung von AC-Signalen genutzt und folgen dem richtigen Prinzip. Die Momentanwerte von Strom und Spannung werden multipliziert und aus diesen Produkten wird der Mittelwert gebildet – das entspricht der physikalischen Definition von Leistung. Allerdings haben die meisten einfachen Wattmeter eine hohe Messungenauigkeit (um 1%). Zudem können nicht konstante Ein- oder Ausgangsströme (AC-Eingang, variierende Ausgangslast) zu zusätzlichen Messfehlern führen. Schwankende Werte sind somit schwer zu interpretieren. Generell sollen für Wirkungsgradmessungen nur hochpräzise Wattmeter verwendet werden.

Leistungsanalysator: PULS nutzt für die Wirkungsgradbestimmung seiner Stromversorgungen Leistungsanalysatoren. (Bild 1) Die Vorteile liegen in der hohen Grundgenauigkeit von 0,02%, dem korrekten Messen von Wirkleistung, der gleichzeitigen und damit synchronen Messung von Eingang und Ausgang und der direkten Anzeige von Verlusten und Wirkungsgrad. Der Nachteil dieser Messmethode sind die hohen Anschaffungskosten. Dennoch ist der Leistungsanalysator das Mittel der Wahl für die genaue Bestimmung des Wirkungsgrads.

Fehler im Messaufbau unbedingt vermeiden

Ein präziser und teurer Leistungsanalysator kann keine genauen Ergebnisse liefern, wenn beim Messaufbau Fehler gemacht wurden. Worauf ist beim Arbeiten mit dem Leistungsanalysator zu achten?

Richtige Verkabelung: Alle Verluste, die nicht vom Prüfling kommen, dürfen nicht mitgemessen werden. Das ist der wichtigste Grundsatz, wenn es um die richtige Verkabelung beim Messaufbau geht. Denn jede Leitung und jeder Kontaktwiderstand verursacht zusätzliche Verluste, die die Messergebnisse verfälschen können. Eine korrekte Vierpolmessung (Kelvin-Messung) mit getrennten Leitungen für die Strom- und Spannungsmessung muss sein. (Bild 3)

Spannungsquelle: Für Schaltnetzteile mit DC-Eingang sind einfache DC-Spannungsversorgungen ausreichend. Bei AC-Messungen ist es wichtig zu wissen, dass der Innenwiderstand der Spannungsquelle die Messung über die Kurvenform des Netzsinus‘ beeinflusst. Bei einem 240-W-Netzteil ohne PFC wurde ein Unterschied von 0,4% zwischen einem weichen Netz aus einem Trenn-Stelltrafo und einem harten Netz aus einer elektronischen AC-Quelle gemessen. Diese gibt die reproduzierbarsten Werte und ist deshalb zu bevorzugen.

Lasten: Nicht nur die Spannungsquelle, sondern auch die benutzte Last muss stabil und reproduzierbar sein. Lasten aus Leistungswiderständen sind problematisch, denn sie ziehen keinen konstanten Strom. Elektronische Lasten stellen hingegen eine definierte und reproduzierbare Belastung des Prüflings dar und schwankende Übergangswiderstände ändern den Strom nicht.

EMV-Störungen: Nicht entstörte Stromversorgungen im Prototyp-Stadium können die Messgeräte beeinflussen und/oder die Lasten schwanken lassen. Man sollte den Messgeräten auch keine Signale zumuten, die mit HF überlagert sind. Zusatzfilter, meistens Induktivitäten in den Eingangsleitungen, vermeiden dieses Problem. Man darf ihre Verluste nur nicht in die Messung einfließen lassen. Bei sauber funkentstörten Stromversorgungen sollte es keine Schwierigkeiten geben.

Ergänzendes zum Thema

Über Bernhard Erdl - Referent des Power Kongresses 2015

Bernhard Erdl gilt seit den frühen Siebzigern als führender Experte in der Entwicklung getakteter Stromversorgungen. Im Jahr 1980 gründete er die PULS GmbH, die sich seit 1997 als weltweit einziges Unternehmen auf Stromversorgungen für die DIN-Schienen-Montage fokussiert hat. Als Geschäftsführer, Chefentwickler und Inhaber ist Herr Erdl auch heute noch an der Entwicklung eines jeden Produktes der Firma beteiligt. PULS legt sehr viel Wert auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit in der technischen Dokumentation seiner Geräte und setzt sich für genaue und reproduzierbare Methoden zur Wirkungsgradermittlung ein.

Umgebungsbedingungen berücksichtigen

Von den Umgebungsbedingungen ist die Temperatur der entscheidende Faktor, denn die Verluste sind temperaturabhängig. Dabei ist die Temperatur der Bauteile einer Stromversorgung maßgeblich. Die Bauteiletemperatur ist die Summe von Umgebungstemperatur und Eigenerwärmung.

Temperatur: Die verschiedenen Bauelemente im Netzteil reagieren unterschiedlich auf Temperaturen. In manchen Bauteilen verringern sich die Verluste mit steigenden Temperaturen, in anderen Komponenten erhöhen sich diese wiederum. Einen starken Einfluss haben die zur Begrenzung des Einschaltstromes verwendeten NTCs. Netzgeräte mit solchen Bauteilen haben mit dem Einlaufen sowie bei höherer Umgebungstemperatur geringere Verluste (negativer Temperaturkoeffizient), wobei bei hohen Temperaturen die Verlustanstiege durch andere Komponenten wieder überwiegen (Bild 4; die Bilder 4 bis 6 finden Sie im Online-Artikel 43691959). Geräte mit aktiver Einschaltstrombegrenzung zeigen ein stabileres Temperaturverhalten. Hier gibt es nur einen geringen Verlustanstieg mit der Temperatur (Bild 5). Bei allen Wirkungsgradmessungen sollten die Einlaufzeit und Umgebungstemperatur dokumentiert werden, damit alle Ergebnisse nachvollziehbar bleiben.

Höhenlage & Luftdruck: Da über die Luft gekühlt wird, hat der Luftdruck einen Einfluss auf die Eigenerwärmung. PULS hat ausgerechnet, um wie viel sich die Bauteile bei einer höheren Lage zusätzlich erwärmen: um ca. +10 °C bei 2000 m Höhe ü. NN und um ca. +20 °C bei 4000 m. Die Luftfeuchte spielt nur eine ganz geringe Rolle und kann vernachlässigt werden.

Exemplarstreuungen: Jedes Bauteil hat Toleranzen und deshalb ist auch nicht jedes Gerät gleich. Um aber echte Fehler zu finden, misst PULS die Verluste auch in der Produktion sehr genau – wenn auch nicht ganz so genau wie im Labor. Bei einem Fertigungslos von 200 Geräten des Typs CP10 wurde ein Mittelwert von 95,27% mit einer Abweichung von ±0,15% gemessen (Bild 6).

Wirkungsgradangaben einfordern: Einfacher als den entsprechenden Wirkungsgrad selber zu bestimmen ist es, die Spezifikationen eines Stromversorgungsherstellers zu akzeptieren, falls er genau gemessen hat. Leider sind in den Datenblättern oft nur pauschale Angaben vermerkt wie „Up to x% Efficiency“. Das ist eine Bestcase-Aussage und bedeutet eigentlich nur, dass dieser Wert nicht überschritten wird. Die Verluste bei verschiedenen Netzspannungen oder Belastungen werden z.B. nicht erwähnt. Deshalb wird jeder, der es genau wissen will, eine eigene Messung nicht vermeiden können. Alternativ ist ein Hersteller zu bevorzugen, der exakte Angaben liefert. Aber auch dann kann eine eigene Nachmessung beruhigend sein. //KU

* Maximilian Hülsebusch ....arbeitet als Marketing Communication Specialist bei PULS, München.

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