Schaltnetzteile Welche Anforderungen Netzteile erfüllen sollten

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Waren vor 20 Jahren noch Strom und Spannung von Schaltnetzteilen die entscheidenden Parameter, so sind mittlerweile eine ganze Reihe anderer Anforderungen entscheidend.

Der Hype von Wirkungsgraden, die sich immer weiter nach oben schieben, wird kaum mehr wahrge­nommen. Welcher Kunde und Anwender von Netzteilen kann schon die Differenzierung von 93 Prozent zu 96 Prozent als Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung richtig einordnen. Diese drei Prozent „machen den Kohl doch nicht fett“, so leider die weit- läufige Meinung, die zu einer fatalen Fehleinschätzung führt.

Mit einer einfachen Berechnung zeigt sich, dass dieser vermeintlich kleine Unterschied erhebliche Konsequenzen mit sich bringt (Tabelle 1): Das Netzteil 1 mit einem Wirkungsgrad von 93 Prozent erzeugt über 80 Prozent höhere Verluste als das Netzteil 2 mit 96 Prozent Wirkungsgrad (Bild 1)! Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Größe, die Entwärmung, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Nicht zu vergessen auf die Umweltbelastung mit erhöhtem CO₂-Ausstoß und die Erwärmung der Systemumgebung im Vergleich beider Netzteile.

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Der CO₂-Fußabdruck

Hier kommen wir auch schon auf den nächsten, heute wesentlich maßgeblicheren Punkt als in früheren Jahren: den PCF, den Product Carbon Footprint, also den CO₂- Fußabdruck eines Netzteils. Entstehen hier in der Herstellung schon Treibhausgasemissionen, so wiegt die Belastung durch Ineffizienz während des Lebenszyklus' deutlich schwerer.

Zudem, je länger ein Netzteil „lebt“, umso geringer ist die Belastung, insbesondere solche mit hoher Effizienz. Dies ist – dem Zeitgeist entsprechend – heute ein wesentliches Merkmal in der Produktanforderung moderner elektronischer Stromversorgungen.

Was passiert nach dem Lebenszyklus. Kann ein Netzteil als Rohstoffquelle dienen, oder verhindert ein Verguss dies. Die Überlegung bis zum Ende der Lebensdauer mit einzubeziehen ist ebenfalls wichtig im Katalog der Anforderungen.

Verordnungen, Gesetze und Normen

Der riesige Blumenstrauß an Verordnungen aus Brüssel sowie die Vielfalt der unterschiedlichsten Normen und nationalen Gesetze machen es heute unerlässlich, ein Spezialteam im Unternehmen für das Thema Produktanforderungen zu installieren. Der rasche Wandel allein zum Thema Materialdeklarationen in den letzten Jahren von REACH/RoHS und Konfliktmineralien, drohendes PFAS-Verbot und vieles mehr ist auch für eine fachlich qualifizierte Person unübersichtlich und nur schwer zu durchschauen.

Die Normungsänderungen der sich mittlerweile eta­blierten EN62368-2 in den folgenden Editionen sind für Neuentwicklungen nur mit Hilfe versierter Spezialisten zu verstehen bzw. zu bewerten. Welcher Editionsstand ist nun verabschiedet, welcher kommt bis zur Serieneinführung, oder muss dann das Produkt, sobald es kaum auf dem Markt ist, wieder neu zugelassen werden? Fragen, die in der Praxis heiß diskutiert werden.

Ist dann die Anwendung doch nicht im Umfang der EN62368-2 abgedeckt, z. B. ein Medizinprodukt (Bild 2), so gelten plötzlich ganz andere Bedingungen, obwohl es immer darum geht, grundsätzlich Menschen und Umwelt mit Einhaltung der Norm zu schützen. Auch garantiert eine Medizinzulassung eines Netzteils nicht die Kompatibilität für den Einsatz in einer Industrieumgebung.

Die Einbaulage berücksichtigen

Spannend wird es, wenn die Einbaulage eines Netzteils nicht festgelegt wurde und es keinen aktiven Luftstrom von außen gibt sowie keine Lüfter im Gerät gewünscht werden. Auch das Netzteil mit dem besten Wirkungsgrad erzeugt Abwärme, die an die Umgebung abgeführt werden muss. Eine Überkopfmontage oder eine ungünstige Luftdurchströmung erzeugen ggf. Hot-Spots, die zu einer reduzierten Lebensdauer und zu erhöhten Ausfallraten führen können. Ist die wechselnde Einbaulage bekannt und transparent dargestellt, so kann das Netzteil-Design entsprechend ausfallen. Kontaktkühlung und gute Trennung von warmen und lebensdauerbestimmenden Bauteilen sind nur als Beispiele genannt.

Netzteile werden immer digitaler

Mitunter sind heutige Netzteile mit mehreren Mikrocontrollern aufgebaut. Die Anforderungen an steuerbare Lichtquellen der LED-Beleuchtung erfordern z. B. DALI-fähige LED-Treiber. Werden noch Statussignale, wie die Netzqualität, das Temperaturprofil, die Betriebsstunden mit Lastprofil und noch Spitzenleistungsbelastungen vom Kunden über eine digitale Schnittstelle abgefragt, so wandelt sich das Netzteil zu einem digitalen Sensor, der nebenbei noch Strom und Spannung zur Verfügung stellt. Gute Softwarekenntnisse im Zusammenspiel mit der Leistungselektronik in rauer Umgebung sind die Grundvoraussetzungen, wenn solche Produktanforderungen kommen. Die Möglichkeiten der vorausschauenden Wartung in Industrienetzen, die mit möglichst wenig Personal autark laufen, erfordern per se Netzteile mit entsprechender Funktionalität.

Datenblätter verstehen

Datenblätter von Standardnetzteilen zu verstehen, ist eine hohe Kunst. Leistungsderating über die Temperatur, den Luftstrom, die Einbaulage, bei niedriger Versorgungsspannung sind übliche Praxis, die Datenblätter zu Marketinginstrumenten verkommen zu lassen. Im Umkehrschluss ist doch die Anforderung ans Produkt und die Realisierbarkeit einer maßgeschneiderten Lösung der Königsweg. Ansonsten verkommt rasch ein 250-W-Netzteil zu einem 80-W-Produkt, wenn alle Derating–Faktoren berücksichtigt werden. Dass dann nicht mehr der optimale Arbeitspunkt gegeben ist, versteht sich von selbst.

Zahlreiche weitere Anforderungen

Peakpower-Last für wenige Millisekunden oder auch über mehrere Sekunden, elektronisch abgesicherte Ausgänge, Redundanzmöglichkeit, gemischte Versorgungsspannungen (AC und DC möglich), Ex-Anwendungen, Bahn-Anwendungen, Sicherheitsapplikationen, USV-Funktionalitäten, spezifische – untypische – Bauformen, all das sind ganz typische Produktanforderungen, zu denen jeweils weitere Abhandlungen möglich sind.

Mindestens zehn Jahre vorausdenken

Ganz speziell und natürlich von ganz hoher Bedeutung ist die Anforderung, die Produkte so zu entwickeln, dass sie mindesten 10 oder auch 20 Jahre produziert und geliefert werden können. Dieses Know-how in die Planung und ins Design für die Zukunft erfordert ein besonders hohes Verständnis für die verwendeten Komponenten und deren Verfügbarkeit.

Anforderungen sind und bleiben spannend

Die Produktanforderung von Netzteilen ist und bleibt spannend und dies ist ganz sicher eine Mammutaufgabe jetzt und in der Zukunft für einen maximalen Kundennutzen. (tk)

* Torsten Keinath ist Prokurist und Mitglied der Geschäftsleitung bei der Inpotron Schaltnetzteile GmbH,

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