TopTechnisches WörterbuchImpuls-Netzteile „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impuls-Netzteile „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impuls-Netzteile haben die traditionellen linearen Netzteile praktisch vom Markt verdrängt und es handelt sich dabei um die aktuell beliebteste und größte Gruppe von Netzteilen. Ihr Vorteil liegt, im Vergleich zum linearen Netzteil, in den kleinen Abmessungen, im geringen Gewicht, dem hohen Wirkungsgrad und Leistung, sowie im guten Preis. Einen Nachteil stellen der Grad an Kompliziertheit der Konstruktion sowie das viel höhere Niveau an Störungen, die vom Netzteil erzeugt werden, und das erhöhte Niveau an Störungen am Ausgang dar.

 

Die am häufigsten angetroffenen Typen von Impuls-Netzteilen

 

A - Desktop

B - modular

C - LED

D - mit Stecker

E - für DIN-Schiene

Grundlegendes Funktionsprinzip des Impulsnetzteils 

In Impuls-Netzteilen wird die Modulation der Impulsbreite PWM (Pulse Width Modulation) verwendet, also wird die Ausgangsspannung des Netzteils mithilfe des Füllkoeffizienten bei einer fixen, unveränderten Frequenz reguliert.

 

Die nachstehende Abbildung zeigt das PWM Funktionsprinzip.

 

U - Spannung

t - Zeit

Uin - Eingangsspannung

Uout - Ausgangsspannung

T - Periode (die Anzahl der Perioden pro Sekunde ist die Frequenz, ausgedrückt in Hz, kHz oder MHz)

t1 - Impulsdauer (hoher Zustand)

t2 - kein Impuls

Die Verkürzung der Impulsdauer (t1) führt zur Reduzierung des durchschnittlichen Ausgangsspannungswerts (Uout) und umgekehrt: die Verlängerung der Impulsdauer (t1) führt zu einer Erhöhung des Durchschnittswerts der Ausgangsspannung (Uout). Man sieht dies auf den obigen Diagrammen:

  • links ein kleiner Füllkoeffizient – geringerer Wert der Ausgangsspannung Uout,
  • rechts ein hoher Füllkoeffizient – ein größerer Wert der Ausgangsspannung Uout.

     

  • Der mittlere Spannungswert am Ausgang kann einfach mithilfe der Formel berechnet werden:

     

    Schaltplan und Beschreibung, die das Funktionsprinzip des Impuls-Netzteils zeigen:

     

    1 - Wechselspannungs-Eingang

    2 - Sicherung

    3 - Eingangsfilter

    4 - Gleichrichter-Schaltkreis in Form einer Graetzbrücke

    5 - Schlüssel-Transistor

    6 - PWM-Controller

    7 - Optoisolator (galvanische Isolierung)

    8 - Impuls-Transformator

    9 - Gleichrichter

    10 - Ausgangsfilter

    11 - Gleichspannungsausgang

    Wechsel-Netzspannung, z. B. 230 V (1), geht durch den Eingangsfilter mit LC-Elementen (3). Dies ist ein wichtiges Element, das das Stromnetz vor Störungen schützt, die im Netzteil entstehen, sowie vor Störungen, die aus dem Stromnetz stammen. Die Wechselspannung wird mithilfe einer Gleichrichterbrücke gerichtet (4) und erreicht nach dem gleichrichten als Gleichspannung den Trafo (8), der vom Transistor (5) geschlüsselt wird, der manchmal auch Umschalter genannt wird. Der Transistor schaltet Strom mit rechteckigem Verlauf mit einer bestimmten Frequenz ein und aus (möglich im Bereich von 20 kHz bis zu mehreren hundert kHz, und sogar MHz), und nutzt zu diesem Zweck die Modulierung der Impulsbreite PWM. Der Transistor wird mithilfe eines Rückkopplungssystem gesteuert (6, 7), das sich aus einem Optoisolator und einem PWM Controller (Steuerung) zusammensetzt. Das System untersucht, welche Spannung am Ausgang ist und ändert, je nachdem, ob diese fällt oder wächst, die Impulsbreite (Füllung), den Transistor steuernd und diese so regulierend, dass sich am Ausgang immer Gleichspannung befindet. Dieses System funktioniert, bei der Untersuchung der Spannung am Ausgang, mit hoher Schnelligkeit, was die Aufrechterhaltung einer fixen Ausgangsspannung ermöglicht und - je nachdem, wie diese wächst oder fällt - die sofortige Korrektur von Änderungen, damit diese auf einem gleichen Niveau aufrechterhalten wird. Die rechteckige Spannung am Trafo-Ausgang (8) wird gerichtet (9) und geht danach durch den Ausgangsfilter (10), der höhere Harmonische sowie die von der Arbeit des Wandlers erzeugte Störungen „sperren” sollte. Am Ausgang (11) des Impuls-Netzteils erhalten wir eine stabilisierte Gleichspannung.

     

    Einige Tipps, auf welche Parameter zu achten ist, bei der Auswahl des Impuls-Netzteils. 

    Eingangsspannung (Input Voltage) 

    In Polen und in der Europäischen Union beträgt die Spannung im Stromnetz 230 V AC (eine Ausnahme ist Großbritannien – 240 V AC). Die Normen lassen eine Abweichung von 10 % zu, also kann die Netzspannung zwischen 207 V und 253 V AC schwanken. Man sollte also ein Netzteil mit einem breiten Bereich an Eingangsspannungen wählen, z. B. 100–264 V AC.

     

    Einschaltstrom (Max Inrush Current) 

    Nach dem Einschalten des Netzteils erscheint ein großer Stromimpuls, der hohe Werte erreichen kann, je nach Leistung des Netzteils mehrere Dutzend Ampere, und bis zu 1 Periode anhalten kann, also bei einer Frequenz von 50 Hz AC bis zu 20 ms. Dieser Effekt wird durch das Aufladen der Eingangskondensatoren verursacht. Dies kann ein Problem darstellen, z. B. beim gleichzeitigen Einschalten mehrerer Netzteile oder der Verwendung eines Netzteils mit höherer Leistung. Ein großer Inbetriebnahmestrom kann die Auslösung der Sicherungen im Stromnetz verursachen (Sicherungen, Überstromschalter etc.). Ein Ausweg aus dieser Situation ist der Austausch der Überstromsicherungen gegen Typ C oder D.

     

    Wirkungsgrad (Efficiency) 

    Dies ist das Verhältnis der Ausgangsleistung des Gleichstroms (vom Netzteil abgegeben) zur Eingangsleistung des Wechselstroms (aus dem Stromnetz entnommen), ausgedrückt in Prozent.

     

    Der Wirkungsgrad wird mit dem griechischen Buchstaben „Eta” bezeichnet: η. In jedem Gerät, das Energie verarbeitet, geht ein Teil der entnommenen Leistung verloren und es ist der Wirkungsgrad, der eine Schätzung der Leistung der Verluste ermöglicht. Auf diesen Parameter ist zu achten, denn je höher der Wirkungsgrad umso weniger Energie wird für Verluste verwendet, was dafür sorgt, dass eine geringere Temperatur im Inneren des Netzteils herrst, was zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit und Verlängerung der Lebensdauer des Geräts führt. Aktuell produzierte Impuls-Netzteile erreichen sogar einen Wirkungsgrad von > 90% (Transformator-/lineare Netzteile haben einen geringen energetischen Wirkungsgrad, der nicht mehr als 50 % erreicht).

     

    Formel für den Wirkungsgrad:

     

    η – Wirkungsgrad, ausgedrückt in Prozent

    Pout – Ausgangsleistung

    Pin - Eingangsleistung

    Beispiel 1.
    Wir haben ein Netzteil mit einer Ausgangsleistung von 100 W, das 117,6 W aus dem Stromnetz entnimmt. Wir berechnen seinen Wirkungsgrad.

     

    Meistens wird in den Angaben des Netzteils die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad angegeben. Die Hersteller geben in der Spezifikation nicht an, wieviel Leistung das Netzteil verbraucht. Man kann dies einfach berechnen, indem man die Werte in die umgewandelte Formel einsetzt.

     

    Beispiel 2.
    Wir haben ein Netzteil mit einer Ausgangsleistung von 150 W und einem Wirkungsgrad von 86 %. Wir berechnen, welche Leistung aus dem Stromnetz entnommen wird.

     

    Wir können einfach berechnen, wieviel Leistung für Wärme in diesem Netzteil verloren geht (Pd – Leistung der Verluste), durch Anwendung einer einfachen Formel (wir ziehen die abgegebene Leistung von der entnommenen ab).

     

    In diesem Fall werden 24,4 W für Wärme verloren, natürlich bei voller Belastung. Diese 24,4 W erhöhen die Temperatur im Inneren des Gehäuses und heizen die inneren Elemente auf.

     

    MTBF - durchschnittliche Dauer zwischen Störfällen (Mean Time Between Failure) 

    Er wird in Stunden ausgedrückt und ist eine Information über die Zuverlässigkeit des Geräts.

     

    Sehr häufig wird dieser Parameter falsch interpretiert. Beispielsweise beträgt der MTBF Wert eines Netzteils 700 000 Stunden, also fast 80 Jahre. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Netzteil eine solche Zeitdauer störungsfrei arbeiten wird.

     

    Arten und Methoden für die MTBF Berechnung wurden von der amerikanischen Armee im Jahr 1965 zusammen mit der Veröffentlichung des MIL-HDBK-217 Modells eingeführt. Darin wurde die Ausfallfrequenz für unterschiedliche elektronische Baugruppen enthalten, z. B. Kondensatoren, Widerstände, Transistoren. In diesem Modell wurden die Berechnungsmethoden der Störanfälligkeit veröffentlicht. Dies sollte einer Standardisierung der Beurteilung der Zuverlässigkeit von elektronischen Geräten und militärischer Ausrüstung dienen.

     

    Neben dem Modell MIL-HDBK-217 werden auch andere Methoden für die Berechnung des MTBF Parameters angewandt, die man in den technischen Daten von elektronischen Geräten antrifft. Alle Modelle haben unterschiedliche Algorithmen zur Berechnung der Zuverlässigkeit. Beispielmethoden sind: HRD5, Telcordia, RBD, Markow-Modell, FMEA/FMECA, Beschädigungs-Baum, HALT.

     

    Kennt man die MTBF Dauer kann man die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung des Geräts vor dem Ablauf der MTBF Dauer berechnen. Dies ist allgemein eine nützliche Information, die die Beurteilung der Störanfälligkeit des Systems erlaubt. Generell ist das Prinzip sehr einfach: je höher die MTBF, umso zuverlässiger ist das Gerät.

     

    Man darf nicht vergessen, dass MTBF immer die Zeit bezeichnet, nach der die Zuverlässigkeit des Geräts auf 36,8 % fällt. 

    Wieso? Für die Berechnungen müssen wir die Formel für Zuverlässigkeit einführen.

     

    R(T) – Zuverlässigkeit, ausgedrückt in Prozent im Verhältnis zur Arbeitszeit des Geräts

    T – Arbeitsdauer des Geräts

    MTBF – durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen

    2,718 – Eulersche Zahl (kommt in Formeln als die Zahl „e” vor)

    In Worten: 2,718 zur negativen Potenz der Arbeitszeit, geteilt durch MTBF.

     

    Berechnen wir nun die Störanfälligkeit eines Geräts, dessen MTBF 50 000 Stunden beträgt, nach einer Zeit von 50 000 Stunden.

     

    Also hat ein Gerät mit MTBF = 50 000 Stunden eine Zuverlässigkeit von 36,8 % nach einer Zeit von 50 000 Stunden. Anders ausgedrückt, besteht nach einer Zeit von 50 000 Stunden die Wahrscheinlichkeit, dass von 100 Geräten ~37 funktionstüchtig sein werden und 63 einen Störfall erleiden.

     

    Wir überprüfen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Störfalls im Laufe von 3 Jahren, z. B. für zwei Netzteile mit unterschiedlichen MTBF.

     

    1. MTBF = 50 000 Stunden, 3 Jahre = 3 Jahre x 24 Stunden x 365 Tage = 26 280 Stunden, und setzen in folgende Formel ein:

     

    Dieses Ergebnis zeigt die Wahrscheinlichkeit, dass nach 3 Jahren 59,1% der Netzteile störungsfrei arbeiten werden (z. B. werden von 100 Geräten ~59 funktionstüchtig sein und 41 einem Störfall unterliegen).

     

    2. MTBF = 700 000 Stunden, 3 Jahre = 3 Jahre x 24 Stunden x 365 Tage = 26 280 Stunden und setzen in die Formel ein.

     

    Dieser Fall zeigt die Wahrscheinlichkeit, dass nach 3 Jahren 97,1 % der Netzteile störungsfrei arbeiten wird (z. B. werden von 100 Geräten ~97 funktionstüchtig sein und 3 einem Störfall unterliegen).

     

    Meistens wird der MTBF Parameter vom Hersteller in Bezug auf die Arbeit des Geräts unter einer Umgebungstemperatur von 25 °C angegeben. Im Fall der Arbeit unter höheren Temperaturen gilt das Prinzip, dass die Steigerung der Umgebungstemperatur um 10 °C zu einer zweifachen Reduzierung des MTBF Werts führt. Weshalb haben manche Geräte einen so hohen und andere einen so niedrigen MTBF? Die Unterschiede folgen aus der Qualität der eingesetzten Elemente und dem Kompliziertheitsgrad des Geräts. Nicht alle Hersteller geben diesen Parameter in den technischen Daten an.

     

    Ausgangsspannung (Output Voltage) 

    Die Ausgangsspannung ist jene Spannung, die bei Belastungsänderungen des Netzteils von 0 bis 100 % stabilisiert werden sollte. Man sollte sich der Tatsache bewusst werden, dass in allen Netzteilen auf die Ausgangs-Gleichspannung noch Rauschen, Pulsationen und Störungen legen. Diese können eine Amplitude von sogar mehreren Hundert mVp-p haben. Manchmal kann ein zu hoher Wert der Pulsationen der Ausgangsspannung die Ursache von Problemen sein, wenn das gespeiste Gerät empfindlich gegen Pulsationen ist, z. B. Störungen im Kamerabild bei CCTV-Anwendungen oder häufige Neustarts eines der elektronischen Geräte.

     

    Nachstehend wurde der Screenshot eines Oszillogramms der Spannungspulsationen eines 12 V Impulsnetzteils dargestellt.

     

    Dynamische Antwort auf sprunghafte Veränderungen der Belastung (Dynamic Response) 

    Jedes Netzteil sollte der Belastung eine Ausgangsspannung mit gleichem Wert liefern, der sich nicht bei einer Änderung des Belastungsstroms ändert. Manchmal kommt es jedoch zu sprunghaften Änderungen der Belastung (z. B. Ein-/Ausschalten der Infrarotbeleuchtung in der CCTV-Kamera oder Ein-/Ausschalten zusätzlicher Beleuchtung). Bei einer Änderung der Belastung zwischen 0 und 100 % (oder umgekehrt) kommt es zu Störungen und Schwankungen der Ausgangsspannung, die sich auf die Arbeit der anderen Geräte auswirken können, die am Netzteil angeschlossen sind.

     

    Auf der nachstehenden Abbildung sind die Änderungen der Ausgangsspannung im Verhältnis zu den Änderungen der Belastung von 0 bis 100 % eines hochqualitativen Netzteils zu sehen, aus dessen technischer Dokumentation entnommen.

     

    V - Ausgangsspannung

    L - Belastung

    Der Großteil aller Impulsnetzteile ist mit Systemen zur Sicherung des Ausgangs vor den Folgen von Kurzschlüssen und Überlastungen ausgestattet. Da unterschiedliche Arten von Sicherungen eingesetzt werden, ist das Netzteil korrekt zur Art der Belastung auszuwählen. Motoren, Glühbirnen, Belastungen mit hoher Kapazität, Induktivität etc., also sogenannte Belastungen mit nicht-linearer Charakteristik, können eines hohen Stromimpulses beim Start bedürfen, der den maximalen Nennstrom des Netzteils deutlich überschreitet. Dies kann zur Inbetriebnahme der Sicherungen führen und das Einschalten des Netzteils unmöglich machen. Es kann sich in der Praxis herausstellen, dass z. B. ein 12 V 50 W Netzteil nicht imstande sein wird, sich nach dem Anschalten einer 12 V 30 W Belastung (z. B. Glühbirne, Motor) einzuschalten.

     

    Die Konstrukteure von Netzteilen wenden unterschiedliche Methoden der Sicherungen vor Kurzschlüssen und Überlastungen an. Die Sicherungen sollten das Netzteil und die Belastung schützen. Nachstehend werden die häufigsten von ihnen besprochen.

     

    Hiccup-Modus (Hiccup mode) 

    Dies ist eine sehr häufig eingesetzte Sicherung (aus dem Englischen hiccup – Schluckauf), deren Vorteil in geringen Leistungsverlusten in den Netzteilen im Fall von Überlastungen und Kurzschluss sowie der automatischen Rückkehr zum Normalbetrieb nach der Einstellung der Ursache für Kurzschluss oder Überlastung liegt.

     

    Das nachstehende Diagramm zeigt das Funktionsprinzip des hiccup Modus.

     

    Uout - Ausgangsspannung

    Iout - Ausgangsstrom

    t - Zeit

    A – Kurzschluss (Überlastung)

    B – Einstellung der Kurzschlussursache

    In der Zeit A entsteht eine Überlastung oder ein Kurzschluss. Es erfolgt die Trennung der Stromversorgung. Am Ausgang erscheint ein Stromimpuls mit sehr kurzer Dauer (z. B. 100 ms) und einem Wert bis zu 150 % des Maximalstroms. Das Netzteil sendet alle paar Sekunden diesen Impuls, bis zum Zeitpunkt der Einstellung der Ursache der Überlastung oder des Kurzschlusses (B), und wechselt danach in den Modus des normalen Betriebs. Die Funktionsschwelle dieser Sicherung (Ausschalten des Netzteils) ist im Großteil aller Fälle auf 110–150 % des Nennstroms eingestellt (Iout). Meistens ist dieser Modus mit der thermischen Sicherung integriert. Wenn die Belastung einen größeren Strom als den Nennstrom entnimmt, aber weniger als den Wert der Schwelle für den Einsatz der Sicherung, wird sich nach kurzer Zeit die thermische Sicherung einschalten, die die Stromversorgung trennt und bei der das Netzteil bis zum Zeitpunkt der Beseitigung der Ursache für die Überlastung in den hiccup Modus wechselt.

     

    Andere Arten von Sicherungen, die vor zu hohem Stromverbrauch schützen, werden auf dem nachstehenden Diagramm dargestellt (drei Kurven: A, B und C).

     

    Uout - Ausgangsspannung

    Iout - Ausgangsstrom

    Kurve A – Strom-Beschränkung (Foldback Current Limiting)
    Diese Art der Sicherung wird ebenfalls in linearen Netzteilen eingesetzt. Nach der Überschreitung des maximalen Stroms (Reduzierung des Widerstands der Belastung), erfolgt dessen Reduzierung (Verringerung). Anders ausgedrückt - wenn der Widerstand der Belastung fällt, erfolgt eine Reduzierung des Stroms. Der Vorteil dieser Lösung sind geringe Leistungsverluste in den Netzteilen im Fall der Überlastung oder des Kurzschlusses. Bei dieser Lösung startet das Netzteil jedoch bei keiner Belastung mit großem Inbetriebnahmestrom (z. B. hohe Kapazität).

     

    Kurve B – Strom-Stabilisierung (Constant Current Limiting)
    Nach der Überschreitung des maximalen Stroms (Reduzierung des Widerstands der Belastung), hält das Netzteil einen stetigen Ausgangsstrom aufrecht, unabhängig vom Wert der Überlastung, während die Ausgangsspannung abnimmt. Häufig wird auch eine zweite Sicherung angewandt, die das Netzteil ausschaltet, sobald die Spannung auf einige Volt sinkt. Der große Nachteil dieser Methode sind die hohen Spannungsverluste im Netzteil selbst sowie der hohe, durch die Belastung fließende Strom, was zu Schäden führen kann. Diese Art der Sicherung erlaubt den Start des Netzteils bei Belastungen mit nicht-linearer Charakteristik.

     

    Kurve C – Leistungs-Beschränkung (Over Power Limiting)
    Nach der Überschreitung des Maximalstroms (Reduzierung des Widerstands der Belastung) bleibt die Ausgangsleistung des Netzteils auf gleichem Niveau. Zusammen mit dem Anstieg der Belastung falln Ausgangsstrom und -Spannung gemäß der Charakteristik C. Diese Art der Sicherung erlaubt die Inbetriebnahme des Netzteils bei Belastungen mit nicht-linearer Charakteristik.

     

    Arbeitstemperatur (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

    In Abhängigkeit vom Wirkungsgrad des Netzteils wird ein Teil der zum Netzteil zugeführten Energie zu Wärme verloren, die Temperatur im Inneren des Netzteils wächst im Vergleich zur Außentemperatur. Hochqualitative Netzteile können sich beim Betrieb unter einer Temperatur von 25 °C, auf 50–70 °C aufheizen. Bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C auf 75–95 °C aufheizen.

     

    Sehr wichtig ist es, sich bewusst zu machen, dass die Arbeitstemperatur sich unmittelbar auf die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Geräts auswirkt. Impuls-Netzteile haben eine komplizierte Konstruktion und setzen sich aus einer groén Anzahl von elektronischen Elementen zusammen, die nahe aneinander innerhalb des Netzteilgehäuses verteilt sein können. Eine zu hohe Innentemperatur kann zu einer Beschädigung des Netzteils führen und verkürzt seine Lebensdauer deutlich. Man darf nicht vergessen, dass eine starke Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Temperatur besteht. Man sollte den Betrieb des Netzteils unter Temperaturen von über 50 °C ausnahmslos meiden, obwohl Hersteller häufig eine Arbeitstemperatur oberhalb dieses Werts angeben. In diesem Fall ist die technische Dokumentation genau zu lesen.

     

    Beispielsweise, ein 150 W 12 V Netzteil – die angegebene Arbeitstemperatur beträgt -10°C bis 70°C. In der Dokumentation hat der Hersteller ein Diagramm der prozentuellen Belastung als Funktion der Arbeitstemperatur angebracht.

     

    L - Prozentuelle Belastung

    T - Arbeitstemperatur

    Wie auf der Abbildung zu sehen ist, kann das Netzteil volle Leistung zur Belastung liefern, jedoch nur bis zu einer Temperatur von 50 °C. Beim Betrieb unter einer Temperatur von 70 °C, kann das Gerät zu 50 % belastet werden, also zur Hälfte des Maximalstroms.

     

    Die gegen Temperaturanstieg empfindlichsten Elemente sind die Elektrolyt-Kondensatoren. Praktisch jedes Netzteil enthält einige Stück davon. Die Hersteller von Kondensatoren geben den wesentlichen Parameter, d. h. die sog. Lebensdauer, für die maximale Arbeitstemperatur an. Eine Reduzierung der Temperatur um 10 °C führt zu einem doppelten Anstieg der Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren. Z. B. haben Standard-Elektrolytkondensatoren eine Lebensdauer von 1 000 Stunden unter einer Temperatur von 105 °C.

    Also:

  • 105 °C – 1 000 Stunden (41 Tage)
  • 95 °C – 2 000 Stunden (83 Tage)
  • 85 °C – 4 000 Stunden (166 Tage)
  • 75 °C – 8 000 Stunden (333 Tage)
  • 65 °C – 16 000 Stunden (1,8 Jahre)
  • 55 °C – 32 000 Stunden (3,6 Jahre)
  • 45 °C – 64 000 Stunden (7,3 Jahre)

     

  • Diese Zeiten bedeuten nicht das Ende der Lebensdauer des Kondensators, sondern die Zeit, nach der eine deutliche Verschlechterung seiner Parameter eintritt (Kapazität, serieller Widerstand etc.), was meistens zum Ausfall führt.

     

    Wie auf dem obigen Besipiel zu sehen ist, bedeutet kühlere Temperatur = längeres Leben. Es gibt Kondensaotren mit einer Lebensdauer, die um ein Vielfaches länger ist, was sich jedoch auf einen höheren Preis umsetzt. Es hängt vom Hersteller ab, welche Baugruppen er einsetzt. In günstigen Netzteilen werden teurere Teile mit längerer Lebensdauer eingesetzt.