Ein Netzteil ist ein elektrisches Gerät, das eine oder mehrere elektrische Lasten mit Strom versorgt. Seine Hauptfunktion besteht darin, die elektrische Energie an die Last anzupassen, indem die Energie von der Stromquelle in den entsprechenden Strom, die Spannung und die Frequenz umgewandelt wird, die von der Last benötigt werden. Netzteile bieten außerdem Schutz für die versorgte Last, indem sie den Laststrom begrenzen und im Fehlerfall abschalten. Diese Geräte modifizieren zudem die Ausgangsleistung, um elektronisches Rauschen zu verhindern und eine Leistungsfaktorkorrektur bereitzustellen.

In diesem Artikel erklären wir die verschiedenen Arten von Netzteilen und untersuchen, warum lüfterlose Netzteile die beste Leistung bieten können.

Linearregler und Schaltnetzteile (SMPS)

Netzteile lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: linear geregelte Netzteile und Schaltnetzteile (SMPS).

Linearregler wandeln Wechselstrom (AC) in einen stabilen Gleichstrom (DC) um. Sie verwenden einen Transformator, um eine galvanische Trennung zwischen dem Hochspannungs-AC-Eingang und dem Niederspannungs-DC-Ausgang bereitzustellen, um Rauschen aus dem Eingang herauszufiltern und um die Eingangswechselspannung zu reduzieren, die dann zur Ausgangsgleichspannung gleichgerichtet wird. Linear geregelte Netzteile haben einen niedrigen Wirkungsgrad (30-60 Prozent), was mehr Leistungsverluste und abzuführende Wärme bedeutet.

Schaltnetzteile haben einen hohen Wirkungsgrad (mehr als 80 Prozent) und eine fortschrittliche Leistung. SMPS wandeln die eingehende Netzfrequenzspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um und transformieren sie dann mithilfe eines kleinen Transformators auf eine niedrigere Spannung herunter. Die Spannung wird anschließend gleichgerichtet, gefiltert und geregelt, um als stabile Gleichspannung ausgegeben zu werden.

SMPS haben ein komplexeres Design und höhere Kosten im Vergleich zu Linearreglern. Sie bieten jedoch zahlreiche Vorteile gegenüber Linearreglern, darunter kleine Gehäuse und einen sehr hohen Wirkungsgrad, ohne übermäßige Wärmemengen abzuführen.

Die Bedeutung des Netzteil-Wirkungsgrads

Der Netzteil-Wirkungsgrad ist das prozentuale Verhältnis der gesamten Ausgangsleistung zur Eingangsleistung, das normalerweise bei Volllast und Nenneingangsspannung angegeben wird:

Wenn beispielsweise das Netzteil einen Wirkungsgrad von 50 Prozent hat und die angeforderte Lastleistung 100W beträgt, muss die gesamte Eingangsleistung 200W betragen. Die anderen 50 Prozent der Eingangsleistung werden verschwendet, hauptsächlich in Form von Wärme, und müssen ordnungsgemäß abgeführt werden, um eine Beschädigung des Geräts zu vermeiden. Dies zeigt, wie wichtig Netzteile mit hohem Wirkungsgrad sind. Sie weisen deutlich geringere Verluste auf, bleiben also kühler und verbrauchen weniger Strom aus dem Netz, um dieselbe Ausgangsleistung zu liefern.

Netzteile haben keinen konstanten Wirkungsgrad, da dieser von den Umgebungs- und Lastbedingungen abhängt. Im Allgemeinen erreichen Netzteile ihren maximalen Wirkungsgrad, wenn sie mit 50 Prozent der Nennlast betrieben werden. Netzteile haben einen höheren Wirkungsgrad, wenn sie mit 230V statt mit 110V AC versorgt werden. Heutzutage bietet der Markt fortschrittliche Modelle, die auch im Bereich von 50-100 Prozent der Nennlast durchgehend mit hohem Wirkungsgrad arbeiten können. Das Diagramm in Abbildung 1 zeigt beispielsweise die Wirkungsgradkurve der MEAN WELL UHP-2500-Serie in Abhängigkeit von Versorgungsspannung und Last. 

Es ist nicht möglich, einen Netzteilwirkungsgrad von 100 Prozent zu erreichen. Mit einem fortschrittlichen Design und geeigneten Komponenten sind jedoch hohe Wirkungsgrade möglich (z. B. hat das MEAN WELL UHP-2500 in Abbildung 1 einen Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent). Verluste in Netzteilen werden durch passive und aktive Bauteile verursacht und treten in linearen Netzteilen häufiger auf als in SMPS. Leistungsverluste bei SMPS treten hauptsächlich in Schaltbauteilen (MOSFETs und Dioden) auf. Weitere Verluste werden durch Kondensatoren und Induktivitäten verursacht (dies kann reduziert werden, wenn fortschrittliche, niederohmige Bauteile verwendet werden, die jedoch in der Regel teuer sind). Verluste bei passiven Bauteilen umfassen Widerstandsverluste (I2R), Kondensatorverluste und Induktivitätsverluste aufgrund von Kern- und Wicklungsinduktion. Verluste bei aktiven Bauteilen werden hauptsächlich durch MOSFETs und Dioden als Durchlass- und Schaltverluste verursacht.

Obwohl SMPS teurer sein können, spart ihr hoher Wirkungsgrad Stromkosten. Sie sind außerdem zuverlässiger, erzeugen weniger Rauschen und benötigen weniger Kühlung. Sie verwenden hochwertige Bauteile wie Schaltbauteile, robuste Kondensatoren und Drosseln mit guten Eigenschaften. Sie erzeugen eine bessere Ausgangsspannung mit geringer Restwelligkeit, weniger Rauschen und weniger Wärme und bieten eine bessere Spannungsregelung.

Kühlmethoden für Netzteile

Netzteile erzeugen Wärme, die die Bauteile im Stromkreis beschädigen könnte. Aus diesem Grund benötigen Netzteile ein Kühlsystem, um überschüssige Wärme abzuführen. Dies sind die am häufigsten verwendeten wärmeleitenden oder kühlenden Methoden:

1. Natürliche Luftströmung ist eine einfache Konvektionskühlmethode, bei der Luft auf natürliche Weise strömt und Wärme von einem Gerät abtransportiert. Natürliche Luftströmung ist eine einfache, kostengünstige Kühlungsoption, die keine zusätzlichen mechanischen Bauteile erfordert. Da diese Kühlungsart eine geringe Wärmeableitungskapazität hat, sind Netzteile, die sie verwenden, in ihrem sicheren Betriebstemperaturbereich eingeschränkt.
2. Erzwungene Luftkühlung nutzt einen oder mehrere Lüfter, um die natürliche Luftströmung zu verbessern und höhere Betriebstemperaturen zu ermöglichen. Da sie zusätzliche Leistung verbrauchen, verringern Lüfter den Wirkungsgrad des Netzteils. Sie erfordern außerdem regelmäßige Wartung und Austausch. Diese Kühlungsart ist für Anwendungen mit begrenztem Platz nicht praktikabel.
3. Kühlkörper übertragen Wärme durch direkten Kontakt mit einem kühleren Bauteil, das ein Kühlkörper (mit Rippen) oder eine Kälteplatte (ohne Rippen) sein kann. Ein Kühlkörper mit Rippen hat eine größere Oberfläche für den Kontakt mit der Luft und ermöglicht so eine schnellere Wärmeableitung. Er wird oft mit erzwungener Luftkühlung kombiniert, um eine bessere Ableitung zu erzielen. Kühlkörper benötigen jedoch mehr Platz, was ihren Einsatz in manchen Anwendungen einschränkt. Kälteplatten sind dicke Metallplatten, die verwendet werden, um Wärme vom Gerät abzuleiten. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen Einfachheit und Platz entscheidende Parameter sind.
4. Flüssigkeitskühlung besteht aus einer Kälteplatte mit einem eingebetteten Rohr, durch das ein geschlossener Kreislauf mit Kühlflüssigkeit fließt. Die Flüssigkeit hilft, die Grundplatte auf einer sehr stabilen Temperatur zu halten, wodurch der Wärmetransfer so effizient wie möglich wird. Da sie den Bedarf an Lüftern eliminiert, benötigt die Flüssigkeitskühlung nicht viel Platz. Die Flüssigkeitskühlung bietet eine hervorragende Wärmeableitung, erzeugt kein Geräusch und keine Vibrationen und verlängert die Lebensdauer des Netzteils. Allerdings ist die Flüssigkeitskühlung teurer, da sie ein komplexeres Design erfordert. Flüssigkeitskühlung wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die hohe Wärme erzeugen, wie z. B. Industrielaser oder Ladestationen.

Flüssigkeitsgekühlte Netzteile können mit sehr hoher Ausgangsleistung konzipiert werden. Zum Beispiel können die flüssigkeitsgekühlten Netzteile von MEAN WELL, die PHP-3500-Serie, bis zu 3.500W ausgeben. Sie verfügen zudem über eine aktive Stromteilungsfunktion, die es bis zu vier parallelen Einheiten ermöglicht, bis zu 14.000W zu liefern.

Das Video unten stellt den Temperaturunterschied zwischen Flüssigkeits- und Zwangsluftkühlung eines MOSFETs und Kondensators gegenüber. Die Temperatur ist bei Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Zwangsluftkühlung 6-18°C niedriger.

Obwohl teurer, sind flüssigkeitsgekühlte Netzteile die effektivste Lösung für Anwendungen, bei denen Zwangsluftkühlung nicht geeignet ist. In vielen Anwendungen sollte Zwangsluftkühlung vermieden werden, da das Hinzufügen eines Lüfters zu einem Netzteil dessen Zuverlässigkeit verringert, Kosten verursacht, Geräusche erzeugt und Wartungsprobleme mit sich bringt.

Ein lüfterloses Netzteil (wie das MEAN WELL UHP-2500 in Abbildung 2 unten) vermeidet Probleme mit Lüfterausfällen und reduziert die Wartungskosten. Lüfterlose Netzteile eignen sich zudem für Umgebungen, die absolute Ruhe erfordern.

Netzteile und Energiemanagement

Energiemanagement ist eine wichtige Funktion in jedem elektronischen System, da es die DC-Leistung im System steuert, regelt und verteilt. Energiemanagement beeinflusst Zuverlässigkeit, Leistung und Kosten.

Fortschrittliche Netzteile sind mit programmierbaren Spannungs- und Stromfunktionen (PV/PC) ausgestattet, die es ermöglichen, die Ausgangsspannung zwischen 50-120 Prozent und den Strom zwischen 20-100 Prozent über ein externes DC-Steuersignal einzustellen. Zusätzlich können sie über Kommunikationsprotokolle (z. B. PMBus oder CANBus) verfügen, um ein intelligentes Netzteil zu realisieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten der Netzteil-Ausgangsregelung: externe analoge Signalschnittstelle und digitale Steuerschnittstelle.

Die Steuerungstechnologie über externe analoge Signalschnittstelle nutzt die externe Spannung, um die Ausgangsspannung des Netzteils zu steuern. Analoge Netzteile sind stabil und zuverlässig, haben jedoch eine begrenzte Flexibilität. Während der Status überwacht werden kann, ist die Steuerung in der Regel auf eine mögliche Reaktion pro Parameter beschränkt. Der externe analoge Spannungseingang liegt in der Regel im Bereich von 1-5V. Der Ausgangsstrom kann durch Anlegen einer externen Spannung auf 20-100 Prozent des Nennstroms eingestellt werden. Abbildung 3 zeigt das Diagramm der Ausgangsstromregelung mittels externer DC-Spannung.

Die digitale Steuerung ermöglicht den Zugriff auf ein hohes Informationsniveau und eine flexiblere Ausgabe. Die folgende Tabelle zeigt die Vorteile eines digitalisierten Netzteildesigns:

Das am weitesten verbreitete Kommunikationsprotokoll für die digitale Steuerung von Netzteilen ist PMBus (Stromversorgungsmanagement-Bus). PMBus ist ein offenes Protokoll für das Stromversorgungsmanagement, das die Konstruktion vereinfacht und die Komplexität digital gesteuerter Stromversorgungssysteme reduziert. CANBus (Steuergerätenetz) ist ein weiteres Kommunikationsprotokoll. Es kann die meisten Befehle und Funktionen des PMBus-Protokolls ausführen; der Hauptunterschied zwischen beiden liegt in der Signalisierungsmethode. Die Wahl zwischen CANBus und PMBus hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. MEAN WELL bietet optionale CANBus-Modelle für Produkte an, die bereits mit PMBus ausgestattet sind.

Netzteile mit integriertem PMBus-Protokoll ermöglichen es dem Endsystem, verschiedene Betriebsparameter des Netzteils wie Spannung, Strom und Temperatur zu überwachen und zu steuern. Lüfterlose Netzteile in Kombination mit dem PMBus-Protokoll verbessern die Zuverlässigkeit über die Lebensdauer und die Installationsflexibilität erheblich und ermöglichen kompaktere und intelligentere Endsysteme. Das PHP-3500 unterstützt beispielsweise PMBus mit einer maximalen Busgeschwindigkeit von 100kHz und ermöglicht das Auslesen von Informationen, die Statusüberwachung und die Ausgangsanpassung.

Um mehr über die Vorteile lüfterloser Netzteile und des Energiemanagements zu erfahren, werfen Sie einen Blick auf die MEAN WELL UHP- und PHP-Netzteile.

 

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