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Messungen auf der Primärseite des Schaltnetzteils

Eingangsleistung: Messungen auf der Primärseite sind in aller Regel komplizierter durchzuführen. Neben der höheren Netzspannung per se, entstehen durch die Beschaltung mit einem Gleichrichter und nachfolgendem Siebkondensator nichtlineare Eingangsströme mit ungewöhnlichem Scheitelfaktor bezogen auf den Spannungsverlauf der Quelle (Bild 5). Dieser auch als Crest-Faktor bezeichnete Quotient aus Spitzenwert zu Effektivwert liegt bei Sinusspannungen und ohmscher Last bei 1,41.

Der eingesetzte Sieb-Elko übernimmt maßgeblich zwei Funktionen. Zum einen ist er für die Glättung der Eingangsspannung für die nachgeschaltete PWM zuständig, zum anderen ist er der Puffer bei Netzunterbrechungen. Die Ladespannung orientiert sich am Scheitelwert. Dadurch erreicht der Stromflusswinkel nur kleine Werte (Bild 5).

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Seitens des Gesetzgebers ist hier eine Limitierung u.a. in der IEC61000-3-2 definiert. Vereinfachend wird in diesem Zusammenhang oft von Phasenverschiebung gesprochen, wobei dies nicht die komplette Beschreibung darstellt. Gemäß der Norm erfolgt die Bestimmung der Eingangsleistung durch die Messungen von bis zu 40 Oberwellen.

Je nach Art des Endprodukts sind unterschiedliche Limits definiert (Klasse A bis D), die entweder einen Absolutwert des Stroms für jede Oberwelle vorgeben oder prozentual auf die Eingangsleistung abstellen. Entsprechend der jeweiligen Eingruppierung in eine Klasse (A bis D) werden entweder alle Oberwellen berücksichtigt (in A und B) oder nur ungeradzahlige Oberwellen (C und D plus zweite Oberwelle). Geprüft werden müssen Produkte mit einer Betriebsspannung von 230 VAC, einem maximalen Strom von 16 A, mit Anschluss an das öffentliche Versorgungsnetz, sofern sie eine Eingangsleistung von 75 bis 1000 W (Klasse D 600 W) aufnehmen.

Es ist anzuraten genau zu prüfen, ob die Vorschrift im jeweiligen Fall zum Tragen kommt und falls ja, welche der Klassen (A bis D) anzuziehen ist. Seitens der Stromversorgung sind hier deutliche Unterschiede im Design, Größe und letztendlich auch Kosten festzustellen. Für kleinere Leistungen kann man die Limits der Klasse A ohne aktive Korrektur erreichen.

Im Falle von Klasse D ist in aller Regel eine Korrekturstufe vor dem Sieb-Elko notwendig. Diese auch aktive Power-Factor-Correction (PFC-Stufe) genannte Schaltung setzt die Eingangsspannung auf etwa 380 VDC um und entnimmt dem Netz einem sinusähnlichen Strom, welcher phasengleich zur Versorgungsspannung fließt. In der Medizintechnik sind in der Regel Klasse A bzw. D anzutreffen, vereinzelt auch Klasse C.

Bei identischer Leistung ist zu erkennen, dass ein Netzteil mit einer PFC der Klasse A einen geringeren Stromflusswinkel mit höherem Spitzenstrom aufweist. Die Betrachtung der entsprechenden harmonischen Oberwellen der Messungen aus den Bildern 5 und 6 stellen sich entsprechend den Darstellungen in Bild 7 und 8 dar. Wie wirkt sich dies nun auf Messungen der Eingangsleistung aus?

Je kleiner der Stromflusswinkel wird, desto kritischer wird die Messung mit einem Amperemeter. Selbst im RMS-Modus ist es schwierig, die Eingangsleistung mit Volt- und Amperemeter genau zu bestimmen. Hier ist mit Fehlern im zweistelligen Prozentbereich zu rechnen. Somit ist die Messung nach dieser Methode nicht zu gebrauchen.

Ein Leistungsmessgerät mit entsprechender Messgeschwindigkeit kann die Leistung unter der Spannungs- und Stromkurve deutlich genauer auflösen. Die Messung wird bei 110 VAC nicht einfacher, da hier naturgemäß höhere Ströme zum Tragen kommen. Damit verschlechtert sich der Wirkungsgrad i.d.R. um etwa 1% bis 2%.

Die Auswirkungen sind mittels Thermografie bei 230 und 110 VAC sichtbar, wie das Bild 9 zeigt. Die Differenz ist hierbei in den Baugruppen Eingangsfilter, PWM-Stufe und Primärseite Transformator (oberer Bildteil) zu sehen, während die Ausgangsseite (unterer Bildteil) keinen Unterschied aufzeigt.

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