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Wirkungsgradmessung – Wie hängen Wirkungsgrad und Verlustleistung bei Netzteilen zusammen?

Wirkungsgradmessung bei Netzteilen

Moderne Stromversorgungen zeichnen sich durch immer höhere Wirkungsgrade aus. Immer mehr Anwender verstehen, dass der Wirkungsgrad eines Schaltnetzteils entscheidenden Einfluss auf dessen Zuverlässigkeit hat. Er ist der Schlüssel – insbesondere bei konvektionsgekühlten Geräten – zu einer einerseits kleinen und andererseits zuverlässigen Netzteilen. Ohne Zwangsbelüftung ist die Wärmeabfuhr beschränkt und der Netzteil-Entwickler muss sehr auf die geringstmögliche Wärmeerzeugung achten. Auch die anderen Komponenten im System profitieren von geringen Verlusten und damit einer geringen Erwärmung. Wie diese Faktoren zusammenhängen, erfahren Sie im Blogartikel.

Kleinste Wirkungsgradände­rungen haben großen Einfluss auf die Verlustleistung

Der Wirkungsgrad ist eine Kennzahl, an­hand derer man verschiedene Netzgeräte gut vergleichen kann. Was aber Systementwickler oder Anwender von Netzteilen viel mehr interessiert, ist ja die Wärme, die im Netzgerät hängen bleibt – also die Verluste. Da die Verluste elektrisch nicht direkt gemessen werden können, bleibt nur die Differenzbildung aus Eingangs- und Ausgangsleistung.

Bei den heute möglichen hohen Wir­kungsgradwerten von 95 % – dies entspricht einem Verlust von 5 % – führen allerdings kleine Messfehler bei der Eingangs- und Ausgangsleistung zu großen Fehlern bei der Verlustberech­nung: Wenn ein Messfehler von jeweils nur 0,5 % vorliegt, in Summe also 1 %, dann ist die Verlustberechnung um 20 % falsch. (Siehe Grafik 1)

Grafik 1: Einfluss von 1% Messfehler auf die Veränderung der Verlustleistung bei steigendem Wirkungsgrad.

Wichtig ist auch, dass scheinbar geringe Unterschiede im Wirkungsgrad einen großen Unterschied bei den Verlusten bedeuten. Bei modernen Schaltnetzteilen liegen die Werte zwischen 92 % und 96 %. Hierbei kann beim Anwender die Annahme entstehen, dass ein oder zwei Prozent hin oder her keinen großen Unterschied machen. Das ist jedoch ein Irrtum. Denn nicht der absolute Wert des Wirkungsgrades sondern die Differenz zum Idealwert von 100 % ist entscheidend.

Ein Beispiel bei gut vergleichbaren Netzgeräten mit 48 V / 5 A am Ausgang: Das 2005 eingeführte PULS QS10.481 hat einen Wirkungsgrad von 92,0 %. 10 Jahre später ist das PULS CP10.481 mit einem Wirkungsgrad von 95,5 % verfügbar. Auf den ersten Blick scheinen „nur“ 3,5 % Unterschied keine große Weiterent­wicklung zu sein. Dennoch konnten die Verluste beim CP10 – im Vergleich zum QS10 – um 41 % gesenkt werden.

Das bedeutet, dass bei hohen Wirkungs­graden selbst kleine Anstiege in einer maßgeblichen Reduzierung der Verlust­leistung resultieren. Mit steigenden Wir­kungsgraden wird die Messgenauigkeit demnach immer wichtiger, da sich sonst die Verlustleistung nicht richtig ermitteln lässt.

Die folgenden fünf Empfehlungen sollten bei der Wirkungsgradmessung die höchste Priorität haben und haben sich in der Praxis als unverzichtbar erwiesen.

  1. Präzise Messgeräte verwenden: Möglichst Leistungsanalysatoren oder hochgenaue Wattmeter
  2. Auf die richtige Verkabelung beim Messaufbau und spannungsrichtiges Messen achten
  3. Bei AC-Messungen möglichst eine elektronische AC-Quelle verwende
  4. EMV-Störungen vom Prüfling ausgehend vermeiden
  5. Temperatur- und Zeiteinflüsse beachten

Wirkungsgrad genau bestim­men und Fehler vermeiden

Je näher die Entwickler dem perfekten Wirkungsgrad von 100 % kommen, desto schwieriger wird es, genau zu messen. Absolute Präzision bei der Messung ist somit unabdingbar, um eine genaue Aussage über die Verlustleistung einer Stromversorgung zu treffen. Viele Fehler lassen sich durch eine gute Vorbereitung und eine professionelle Messung jedoch vermeiden. Die häufigsten Fehlerquellen sind:

  • Falsches Messprinzip durch ungeeignete Messgeräte
  • Ungenaue Messgeräte
  • Fehlerhafter Messaufbau
  • Vernachlässigung der Umgebungsbe­dingungen

Einfacher als eigene Messungen, ist es na­türlich, die Spezifikationen des Herstel­lers zu Rate zu ziehen, falls er genau gemessen hat. Leider sind in den Datenblättern für diese sehr wichtige Eigenschaft oft nur pauschale Angaben vermerkt wie „Up to x % Effici­ency“. Das ist eine Bestcase-Aussage und bedeutet eigentlich nur, dass dieser Wert nicht überschritten wird. Die Verluste bei verschiedenen Netzspannungen oder Belastungen werden z. B. nicht erwähnt. Deshalb werden die Anwender, die es ge­nau wissen wollen, eine eigene Messung nicht vermeiden können.

Mit welchen Messinstrumenten Sie dies erfolgreich durchführen können und worauf Sie dabei achten sollten, erfahren Sie in einem unserer nächsten Blogartikel zum Thema Wirkungsgrad bei Stromversorgungen.