Auswahlkriterien für Schaltnetzteile
| 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 zum Schutz gegen Staub und chemische Verschmutzung |
| Gute EMV | Abstrahlverhalten nach EN55022 und Einstrahl- und Störfestigkeit nach EN61000, PFC |
| Geringe Verlustleistung + EMV | Aktive PFC - Leistungsfaktorkorrektur: reduziert Oberwellenanteile und Energieverluste |
| Qualität von Spannung und Strom | 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 | Insbesondere 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 Factor" 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.
Abb. 2: Phasenverschiebung
Abb. 3: Phasengleichheit
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.
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).
Durch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung entsteht eine Blindleistung. Um dies zu verhindern, initiierte die EU zunächst die Norm EN60555-2 und ab 2001 die Europanorm EN61000-3-2. Diese schreibt bei allen Geräten mit mehr als 75W Leistungsaufnahme eine Begrenzung der Höhe der harmonischen Ströme aus dem Netz vor.
Abb. 5: PFC-Aufwärtswandler
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.
Die Regelung der PFC
Die Regelung und Steuerung des Schalttransistors übernehmen diverse integrierte Schaltkreise, PFC-Controller.
Es werden grundsätzlich zwei Regelkreise benötigt:
- Stromregelkreis: Stellt den Eingangsstrom der PFC proportional zum Augenblickswert der Eingangsspannung ein. Sorgt dafür, dass der Eingangsstrom sinusförmig ist.
- Spannungsregelkreis: Stellt den Effektivwert des Drosselstromes so ein, dass die mittlere Ausgangsspannung der PFC trotz unterschiedlicher Ausgangsleistung konstant bleibt.
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 (typische Einsparung 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