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 auch 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 können in zwei Haupttypen unterteilt werden: 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 AC-Eingangsspannung zu reduzieren, die zur DC-Ausgangsspannung 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 AC-Spannung um und transformieren sie dann mithilfe eines kleinen Transformators auf eine niedrigere Spannung herunter. Die Spannung wird dann gleichgerichtet, gefiltert und geregelt, um als stabile DC-Spannung 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 übermäßig viel Wärme abzugeben.

Die Bedeutung der Netzteileffizienz

Die Netzteileffizienz ist das prozentuale Verhältnis der gesamten Ausgangsleistung zur Eingangsleistung, das normalerweise bei Volllast und nomineller Eingangsspannung angegeben wird:

Wenn das Netzteil beispielsweise einen Wirkungsgrad von 50 Prozent hat und die angeforderte Lastleistung 100W beträgt, muss die gesamte Eingangsleistung 200W betragen. Die übrigen 50 Prozent der Eingangsleistung werden verschwendet, hauptsächlich als Wärme, und müssen ordnungsgemäß abgeführt werden, um eine Beschädigung des Geräts zu vermeiden. Dies zeigt, wie wichtig Netzteile mit hohem Wirkungsgrad sind. Sie haben deutlich geringere Verluste, was bedeutet, dass sie kühler bleiben und weniger Strom aus dem Netz verbrauchen, 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 bei 50 Prozent der Nennlast betrieben werden. Netzteile haben bei einer Versorgung mit 230V einen höheren Wirkungsgrad als bei 110V AC. Heutzutage bietet der Markt fortschrittliche Modelle an, die auch im Bereich von 50-100 Prozent der Nennlast konstant mit hohem Wirkungsgrad arbeiten können. Zum Beispiel zeigt das Diagramm in Abbildung 1 die Effizienzkurve der MEAN WELL UHP-2500-Serie in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung und der Last. 

Abbildung 1. Betriebsdiagramm des Netzteils für das Modell MEAN WELL UHP-2500 - Wirkungsgrad vs. Last. (Bild mit freundlicher Genehmigung von MEAN WELL.)

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 Komponenten verursacht und treten in Linearnetzteilen häufiger auf als in SMPS. Leistungsverluste bei SMPS treten hauptsächlich in Schaltelementen (MOSFETs und Dioden) auf. Weitere Verluste werden durch Kondensatoren und Induktivitäten verursacht (dies kann reduziert werden, wenn fortschrittliche Niederwiderstandskomponenten verwendet werden, die in der Regel teuer sind). Zu den Verlusten passiver Komponenten gehören Widerstandsverluste (I2R), Kondensatorverluste und Induktivitätsverluste aufgrund von Kern- und Wicklungsinduktion. Verluste aktiver Komponenten werden hauptsächlich durch MOSFETs und Dioden als Leitungs- und Schaltverluste verursacht.

Obwohl SMPS teurer sein können, sparen sie durch ihren hohen Wirkungsgrad Stromkosten. Sie sind außerdem zuverlässiger, erzeugen weniger Rauschen und benötigen weniger Kühlung. Sie verwenden hochwertige Komponenten wie Schaltelemente, robuste Kondensatoren und Drosseln mit guten Eigenschaften. Sie erzeugen eine bessere Ausgangsspannung mit geringerer Restwelligkeit, weniger Rauschen und weniger Wärme und bieten eine bessere Spannungsregelung.

Kühlmethoden für Netzteile

Netzteile erzeugen Wärme, die die Komponenten in der Schaltung 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 wegtransportiert. Natürliche Luftströmung ist eine einfache, kostengünstige Kühloption, die keine zusätzlichen mechanischen Komponenten umfasst. Da diese Kühlart eine geringe Wärmeableitungskapazität hat, sind Netzteile, die sie verwenden, in ihrem sicheren Betriebstemperaturbereich eingeschränkt.
2. Zwangsluftkühlung beinhaltet einen oder mehrere Lüfter, um die natürliche Luftströmung zu verbessern und höhere Betriebstemperaturen zu ermöglichen. Da sie zusätzlichen Strom verbrauchen, verringern Lüfter den Wirkungsgrad des Netzteils. Sie erfordern außerdem regelmäßige Wartung und Austausch. Diese Kühlart ist für Anwendungen mit begrenztem Platz nicht praktikabel.
3. Kühlkörper übertragen Wärme durch direkten Kontakt mit einer kühleren Komponente, bei der es sich um Kühlkörper (mit Rippen) und Kälteplatten (ohne Rippen) handeln kann. Ein Kühlkörper mit Rippen hat eine größere Kontaktfläche mit der Luft und ermöglicht so eine schnellere Wärmeableitung. Er wird oft mit Zwangsluftkühlung 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 kühler Flüssigkeit fließt. Die Flüssigkeit hilft der Grundplatte, eine sehr stabile Temperatur beizubehalten, wodurch der Wärmeübergang so effizient wie möglich wird. Da sie den Bedarf an Lüftern eliminiert, benötigt die Flüssigkeitskühlung nicht viel Platz. Flüssigkeitskühlung bietet eine hervorragende Wärmeableitung, erzeugt weder Lärm noch Vibrationen und verlängert die Lebensdauer des Netzteils. Flüssigkeitskühlung ist jedoch teurer, da sie ein komplexeres Design erfordert. Flüssigkeitskühlung wird üblicherweise in Anwendungen eingesetzt, die hohe Wärme erzeugen, wie zum Beispiel Industrielaser oder Ladestationen.

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

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

Obwohl kostspielig, 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 erhöht, Lärm 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 außerdem für Umgebungen, die absolute Ruhe erfordern.

Abbildung 2 MEAN WELL UHP-2500 Netzteil. (Bild mit freundlicher Genehmigung von MEAN WELL.)

Netzteile und Energiemanagement

Energiemanagement ist eine wichtige Funktion in jedem elektronischen System, da es die DC-Stromversorgung des Systems 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 durch ein externes DC-Steuersignal zu trimmen. Zusätzlich können sie über Kommunikationsprotokolle (z. B. PMBus oder CANBus) verfügen, um ein intelligentes Netzteil zu erreichen. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten der Netzteilausgangsregelung: externe Analogsignalschnittstelle und digitale Steuerschnittstelle.

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

Abbildung 3 Diagramm der Ausgangsstromregelung für das Modell MEAN WELL PHP-3500 . (Bild mit freundlicher Genehmigung von MEAN WELL.)

Digitale Steuerung bietet Zugang zu einem hohen Informationsniveau und ermöglicht eine flexiblere Ausgabe. Die folgende Tabelle zeigt die Vorteile eines digitalisierten Netzteildesigns:

(Bild mit freundlicher Genehmigung von MEAN WELL.)

Das am weitesten verbreitete Kommunikationsprotokoll für die digitale Steuerung von Netzteilen ist PMBus (Bus zur Stromversorgungsverwaltung). PMBus ist ein offenes Standard-Energiemanagementprotokoll, das ein einfacheres Design ermöglicht und die Komplexität digital gesteuerter Stromversorgungssysteme reduziert. CANBus (Steuergerätenetzwerk) ist ein weiteres Kommunikationsprotokoll. Es kann die meisten Befehle und Funktionen des PMBus-Protokolls ausführen, wobei der Hauptunterschied zwischen ihnen in der Signalisierungsmethode liegt. Die Wahl zwischen CANBus und PMBus hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendungen ab. MEAN WELL bietet optionale CANBus-Modelle für Produkte an, die bereits mit PMBus integriert sind.

Netzteile mit integriertem PMBus-Protokoll ermöglichen es dem Endsystem, die verschiedenen 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, was das Auslesen von Informationen, die Statusüberwachung und die Ausgangstrimmung ermöglicht.

Abbildung 4. Ein Kommunikationsmodul kann je nach Systemanforderungen für die Fernüberwachung oder -steuerung ausgewählt werden. (Bild mit freundlicher Genehmigung von MEAN WELL.)

Um mehr über die Vorteile lüfterloser Netzteile und des Energiemanagements zu erfahren, schauen Sie sich die MEAN WELL UHP- und PHP-Netzteile