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Was sind die wichtigsten Qualitätsmerkmale?

Auswahlkriterium Eigenschaften
Geringe Kosten Geringe Anschaffungskosten, Geringe Betriebskosten durch hohen Wirkungsgrad und lange Lebensdauer
Hoher Wirkungsgrad Wirkungsgrad >90%: Reduziert Betriebskosten auf langer Sicht
Hohe Lebensdauer, Zuverlässigkeit Hohe MTBF >800.000 Std.
Conformal coating is also applied on the PCBAs to provide protection against dust and chemical pollutants
Gute EMV Abstrahlverhalten nach EN55022 und Einstrahl- und Störfestigkeit nach EN61000, PFC
Geringe Verlustleistung (Energiekosten + abzuführende Verlustwärme) + EMV Aktive PFC - Leistungsfaktorkorrektur: reduziert Oberwellenanteile und Energieverluste
Qualität von Spannung und Strom (z.B. Spannungsgenauigkeit, Sprungverhalten, Harmonische, Regeldynamik usw.) Power Boost - Leistungsreserve
Auto Recovery-Funktion
Sicherheit Schutz gegen elektrischen Schlag, OVP, OTP, Kurzschlussfest
Gutes Temperaturverhalten Einsetzbarkeit bei bes. hohen oder niedrigen Temp. bspw. -20°C bis +80°C
Geringe Baugröße - Volumen Hohe Leistungsdichte
Niedriges Gewicht (insb. bei mobilen Anwendungen)

1. Kosten

2. Wirkungsgrad

Ein hoher Wirkungsgrad wird erreicht durch:

  • Ausgeklügelte Schaltungstechnik
  • Hochwertige Bauelemente - bspw. Schalttransistoren

3. Leistungsfaktor - PFC

Was ist "Power Faktor" bzw. Leistungsfaktor?

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis zwischen Wirk- (P) und Scheinleistung (S).

Leistungsfaktor = λ = |P|
S
  • Wirkleistung P: an den Ausgang übertragene Leistung
  • Scheinleistung S: aus dem Netz entnommene Leistung


Ein hoher Leistungsfaktor stellt eine effektive Nutzung der elektrischen Energie dar.

Gibt es aufgrund von Impedanzen eine Phasenverschiebung von Spannung und Strom (Abb. 2), so pendelt die Energie kontinuierlich zwischen Erzeuger und elektrischem Verbraucher und belastet das Stromversorgungsnetz und die Erzeugeranlagen.

Wie in Abbildung 3 dargestellt ist die Wirkleistung maximal, wenn Strom und Spannung in Phase verlaufen. Dann entspricht die Wirkleistung der Scheinleistung und der Leistungsfaktor ist gleich eins.

Wozu benötige ich eine PFC im Schaltnetzteil?

PFC steht für Power Factor Correction, im Deutschen auch Leistungsfaktor-Vorregelung.

Wie zuvor beschrieben, stellt ein hoher Leistungsfaktor eine effektive Nutzung der elektrischen Energie dar. Daher ist eine Phasengleichheit zwischen Strom und Spannung, sowie möglichst ideale Sinuskurvenverläufe grundsätzlich anzustreben.

Eine einfache Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung durch lineare Impedanzen sind eher selten der Fall. In dem Fall eines linearen induktiven Verbrauchers kann beispielsweise ein einfacher Kondensator parallel geschaltet werden, um eine Blindleistungskompensation zu bewirken.

Deutlich häufiger sind die Verbraucher allerdings nichtlinear und ziehen ihren Strom nicht mehr wie früher sinusförmig aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz, sondern impulsförmig. Ursache hierfür ist die immer weitere Verbreitung von Geräten, die elektronisch geregelte Lasten darstellen.

Ein Schaltnetzteil ist so eine typische nichtlineare Last. In seiner einfachsten Form besteht der Leistungswandler aus einem Eingangsschaltkreis mit Halb- oder Vollwellengleichrichter, gefolgt von einem Speicherkondensator, um eine ungeregelte Gleichspannung bereitzustellen (Zwischenkreisspannung). Diese Topologie zieht Strom nur dann, wenn die Netzspannung größer ist als die Zwischenkreisspannung, also nur an den Spitzen der Netzspannung, sodass der Siebkondensator impulsartig über die Gleichrichterdioden nachgeladen wird. Jeder Puls enthält genug Energie, um die Last bis zur nächsten Spannungsspitze zu versorgen (Abb. 4).

Der resultierende Ausgangsstrom ist im Vergleich zum sinusförmigen Eingang stark verzerrt und enthält eine Reihe von Oberwellen.

Durch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung entsteht eine Blindleistung, die von den Versorgern nur durch Überdimensionierung aller Komponenten im Versorgungsnetz bewältigt werden kann. Um dies zu verhindern, initiierte die EU zunächst die Norm EN60555-2 ("Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen, die durch Haushaltgeräte und durch ähnliche elektrische Einrichtungen verursacht werden. Teil 2: Oberschwingungen") und ab 2001 die Europanorm EN61000-3-2 ("Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV); Teil 3: Grenzwerte; Abschnitt 2: Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom < 16A je Leiter)"). Diese schreibt bei allen Geräten mit mehr als 75W Leistungsaufnahme eine Begrenzung der Höhe der harmonischen Ströme aus dem Netz vor.

Diese Vorgaben können nur über eine Korrektur des Leistungsfaktors mit einer PFC erfüllt werden.

Die PFC verlängert die Stromaufnahme aus dem Netz, wodurch sich die Höhe und die Schnelligkeit des Anstieges des Stromes durch die Gleichrichterdioden verringern, was die Anzahl und die Höhe der Harmonischen reduziert.

Um dies zu erreichen benutzt man einen Aufwärtswandler (siehe Abb. 5).

Die PFC unterscheidet sich allerdings gegenüber dem Aufwärtswandler in der Ansteuerung.
Zwar wird die Ausgangsspannung wie üblich in eine höhere als die höchste mögliche Eingangsspannung (dies sind im europäischen Netz 360V) gewandelt,
allerdings wird der Transistor so getaktet, dass der Netzstrom nahezu sinusförmig ist.
Der Strom in der Induktivität wird so geführt, dass er proportional zur Eingangsspannung Ue ist.

Die Regelung der PFC:

Die Regelung und Steuerung des Schalttransistors übernehmen diverse integrierte Schaltkreise, PFC-Controller.

Es werden grundsätzlich zwei Regelkreise benötigt:

Ein Regelkreis, der den Eingangsstrom der PFC Ie proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung Ue einstellt. Denn nur wenn dieser Strom der sinusförmigen Eingangsspannung folgt, ist auch der Netzstrom sinusförmig und in Phase mit der Netzspannung. Dieser Regelkreis wird Stromregelkreis genannt.

Ein zweiter Regelkreis stellt den Effektivwert des Drosselstromes so ein, dass die mittlere Ausgangsspannung Ua der PFC trotz unterschiedlicher Ausgangsleistung konstant bleibt. Dieser Regelkreis wird Spannungsregelkreis genannt.

Zusammenfassend lässt sich also festhalten:

Der Effektivwert des Eingangsstromes wird vom Spannungsregelkreis geregelt, dagegen sorgt der Stromregelkreis dafür, dass der Eingangsstrom sinusförmig ist.

Durch die aktive PFC werden zusätzliche hochfrequente Störungen erzeugt, welche mit einem vorgeschalteten passiven Netzfilter unterdrückt werden müssen.

Vorteile einer PFC:

  • Verbesserter Nutzungsgrad d.h. Reduzierung der Stromrechnung (eine typische Einsparung von bis zu 50% im Jahr)
  • Erhöhung des Gesamt-Wirkungsgrades und der System Kapazitäten
  • Verbesserung der Netzspannungsverläufe
  • Reduzierung der Bauteilgrößen
  • Reduzierung der Wärmeverluste
  • Reduzierung von hochfrequenten EMV-Störungen