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Wirkungsgrade von Netzteilen unter die Lupe genommen

Bild 1. Das 178 mm × 100 mm große Netzteil CFE400M hat einen Wirkungsgrad von 94 % und liefert konvektionsgekühlt 300 W

Bild 2. Die erzielbare Genauigkeit bei der Wirkungsgrdamessung mit gefilterten Signalen

Tabelle 1. Die Auswirkung von Wirkungsgradänderungen auf die Eingangsleistung eines 100-W-Netzteils

Tabelle 2. Die Auswirkung von Wirkungsgradänderungen auf die Verlustleistung eines 100-W-Netzteils

Im industriellen und medizintechnischen Bereich fragen Endsystemhersteller zunehmend nach Stromversorgungen, deren Datenblätter nicht nur einfach mit einem hohen Nennwert für den Wirkungsgrad werben. Vielmehr sollen die möglichst umweltfreundlichen Produkte über den gesamten typischen Lastbereich einen guten Wirkungsgrad aufweisen. Allerdings sind die Wirkungsangaben genau zu betrachten, schließlich kann schon die normgerechte Genauigkeit bei der Messung des Wirkungsgrads von ±1 % die Eingangs- und die Verlustleistung beeinflussen.

Es ist gebräuchlich, den Wirkungsgrad eines Produkts an bestehenden Normen zu messen, selbst wenn diese Normen für die letztendliche Anwendung gar nicht eingehalten werden müssen. So fordert die nordamerikanische Initiative zur Förderung von PC-Netzteilen „80 PLUS“, dass die Ein- und die Ausgangsleistung jeweils mit einer Genauigkeit von 0,5 % gemessen werden. Die Messungen für den Wirkungsgrad dürfen somit eine Genauigkeit von ±1 % aufweisen, um innerhalb der Spezifikation zu bleiben. Diese Schwankung wirkt sich in der Praxis jedoch auf die Eingangsleistung aus (Tabelle 1).
Der Unterschied führt beispielsweise bei einem Netzteil mit 80 % Wirkungsgrad zu einer Schwankung von ±1,5 W bei der Eingangsleistung, was völlig im Rahmen ist. Wenn der Wirkungsgrad auf 90 % oder 95 % steigt, liegt die Abweichung bei gut ±1 W – ziemlich ordentlich bei der Eingangsleistung.

Auswirkungen der Messungenauigkeit
Allerdings liest sich die Sache plötzlich ganz anders, wenn man sich die Auswirkung der Messungenauigkeit beim Wirkungsgrad auf die Verlustleistung und, dadurch bedingt, auf die Temperatur im Netzteil und seiner Umgebung betrachtet (Tabelle 2). Hier weist das Netzteil mit 80 % Wirkungsgrad eine Verlustleistung von 25 W auf. Bei einem typischen Gerät wird dies bei Volllast zu einem Temperaturanstieg um etwa 50 °C führen. Eine Wirkungsgradmessung mit einer Genauigkeit von ±1 % dürfte daher zu einer Schwankungsbreite von 13 % oder ±6,5 °C führen, was völlig in Ordnung geht.
Allerdings führt dieselbe Toleranz bei der Wirkungsgradmessung an einem Netzteil mit 90 % Wirkungsgrad schon zu einer Schwankungsbreite von ±25 % und somit mehr als ±10 °C – dies kann die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren bereits halbieren und signifikante Auswirkungen auf die Endanwendung haben.
Noch kritischer wird es bei Wirkungsgraden über 90 %. Würde man für eine Applikation ein Netzteil mit 96 % Wirkungsgrad verwenden und dann versuchen, stattdessen ein Netzteil mit 94 % einzusetzen, könnte dies zu Problemen aufgrund von Tempera­turunterschieden von über 20 °C führen. Bei solch hohen Wirkungsgradwerten wird es also immer wichtiger, dass Entwickler die Performance eines Netzteils verifizieren, bevor sie es für die Anwendung freigeben. Aber auch hier gilt es aufzupassen.

Tabelle 3. Genauigkeit der Messausrüstung

Auch auf das Messgerät kommt es an
Bei der Messung an Netzteilen wird der Wirkungsgrad normalerweise mit einem AC-Power-Analyzer durch Messen von Eingangsspannung und -strom, Leistungsfaktor sowie Leistung ermittelt. Laut der Spezifikation eines typischen AC-Power-Analyzer ist dieser mit Nennwerten, die unter 0,1 % liegen können, für die Messung prädestiniert (Tabelle 3). Allerdings gibt es weitere Faktoren, wie die Größe des zu messenden Signals relativ zum Messbereich und die Signalfrequenz, welche die letztendliche Messgenauigkeit reduzieren.
Noch interessanter ist vielleicht, wie die Ausgangsleistung gemessen wird. Mit einem Digital-Multimeter lassen sich Spannungen sehr genau messen. Typischerweise sind aber Strommessungen häufig nicht so genau, weil sie vom Bereich abhängen; eine genauere Messung ist oft nur möglich, indem man statt des Stroms den Spannungsabfall über einem kalibrierten Messwiderstand (Shunt) misst.
Daneben ist es wichtig zu wissen, dass Digital-Multimeter zum Messen eine Sampling-Technik einsetzen. ­Deren Frequenz und Algorithmus werden aber leider selten in der Produktdokumentation genannt, sodass zwei oder drei Messgeräte von verschiedenen Herstellern leicht deutliche Unterschiede im Messergebnis aufweisen können.

Optimierte Genauigkeit bei der Wirkungsgradmessung
Um die Genauigkeit bei Wirkungsgradmessungen zu verbessern, hat TDK-Lambda bei seinem Digitalnetzteil CFE400M (Bild 1) einiges getan. Zum beispiel wurden sowohl für die Messung des Ein- als auch des Ausgangsstroms extern kalibrierte Strommesswiderstände sowie ein ­RC-Filter verwendet, um das Rauschen zu minimieren. Das eliminiert auch das nicht spezifizierte Filterverhalten der Messgeräte. Hierdurch lässt sich die Eingangsleistung mit einer Genauigkeit im Bereich von ±0,4 %, der Ausgangsstrom mit etwas über ±0,1 % und die Ausgangsspannung mit ±0,02 % messen. Die Wirkungsgradmessung erhielt dadurch eine Genauigkeit von ±0,5 % (Bild 2). Die blaue Linie in der Grafik stellt den gemessenen Wirkungsgrad dar. Dieser liegt aber tatsächlich irgendwo zwischen der Min- und der Max-Linie, also zwischen 93 % und 94 % im oberen Bereich der Kurve.
Der Wirkungsgrad des CFE400M bewegt sich auf einem Niveau, auf dem der direkte Vergleich von Wirkungsgradwerten schwierig ist, weil die Ergebnisse so empfindlich gegenüber Messungenauigkeiten sind. Ein Entwickler kann daher durchaus zu dem Schluss kommen, dass der von ihm gemessene Wirkungsgrad dieses oder eines ähnlichen spezifizierten Geräts von den Angaben im Datenblatt abzuweichen scheint – was aber schon allein durch die angewandte Messmethodik verursacht werden kann. Ebenso können beim Vergleich verschiedener Produkte Messungenauigkeiten beträchtliche Unsicherheiten verursachen.
Gerade bei hohen Wirkungsgraden ist also ein besonderer Fokus auf die genannten Faktoren zu legen, wenn man ein zuverlässiges und leistungsstarkes Gesamtsystem auf den Markt bringen will.

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Autor: Andrew Skinner ist Chief Technology Officer der TDK-Lambda UK in Ilfracombe, Devon.