Öko-Design für Schaltnetzteile

Energiesparen oder besser das Einsparen beziehungsweise Vermeiden von unnötigem Energieverbrauch steht angesichts der Vorreiterrolle der Elektronik und der Anzahl der verwendeten elektrotechnischen Geräten in Industrie und Haushalt mehr und mehr im Vordergrund.

Um diesen Forderungen den gesetzlichen Rahmen zu geben, hat die Europäische Kommission am 7. April 2009 die Verordnung zur „Festlegung von Ökodesign-Anforderungen an die Leistungsaufnahme externer Netzteile bei Nulllast sowie ihre durchschnittliche Effizienz im Betrieb“ im ABl. L 93 veröffentlicht.

Die Grenzwerte für externe AC/DC-Netzteile wurden seitens dieser Verordnung stufenweise seit Veröffentlichung  auf folgende, aktuell gültige Werte festgesetzt:

• Leistungsaufnahme bei Nulllast (Standby): <0,30 W
• Durchschnittliche Effizienz im Betrieb: > 69,12 %

Schaltnetzteil vs. Netztrafo

Herkömmliche Netztransformatoren im Bereich von 3W Ausgangsleistung haben eine zu erwartende Standby-Leistung von ca. 400mW sowie eine durchschnittliche Effizienz von etwa 50-60%. Den Anforderungen des Ökodesigns können diese daher kaum Stand halten.

Arrow hat einen Design-Vorschlag entwickelt, der 50-60Hz Netztransformatoren durch Schaltnetzteile ersetzt.

Schaltnetzteile, wie etwa der auf dem PWM Controller FSEZ1307MY von Fairchild Semiconductor basierende Designvorschlag von Arrow zum Ersatz von Netztransformatoren, bieten folgende Vorteile:

• Bessere Effizienzen (~72 %),
• Einen kleineren Nulllastverbrauch (<30mW),
• Ein geringeres Gewicht
• Einen breiteren Eingangsspannungsbereich (85-265V)
• Eine integrierte Strom- und Spannungsregelung

bei gleichem Platzbedarf auf der Leiterplatte wie ein EI30-Trafo.

Bekanntermaßen erzeugen die hohen Schaltfrequenzen, die bei Schaltnetzteilen zu Verwendung kommen, nicht gewünschte Nebeneffekte, sogenannte Elektro-Magnetische-Interferenzen (EMI). Bei dem Designvorschlag von Arrow wurde hierzu ein LC-Filter aus Eingangskondensator und Eingangsspule integriert, um den Störlevel zu verringern. Es empfiehlt sich einen zusätzlichen X-Kondensator am Eingang zu platzieren, um den Grad der Störungen zuverlässig unter die geforderten Grenzwerte zu drücken.

Darüber hinaus empfehlen wir hinsichtlich „Brummen“ sowie der Eisen- und Kupferverluste einen qualitativ hochwertigen Transformator z.B. der Fa. Hahn GmbH zu verwenden. Gleichartige, qualitativ minderwertigere Transformatoren führen zu zusätzlichen Verlusten und Störverhalten. Der im ersten Schritt erreichte Preisnachlass wird meist schnell durch Mehraufwand in der Entstörung wieder eingebüßt.

Gegenüber einem herkömmlichen Netztransformator mit nachgeschalteter Gleichrichtung, Glättung und Längsregler ergibt sich hier trotz des zusätzlichen Kondensators eine Einsparung an Leiterplattenplatz.

Bei Verwendung einer Sicherung des Gesamtsystems kann darüber hinaus die integrierte Sicherung entfallen, was weiteren Leiterplatten-Platz und Bauteilpreis einspart.

Durch primärseitiges Anpassen bestimmter Widerstände kann der maximale Strom beziehungsweise die Ausgangsspannung begrenzt bzw. festgelegt werden. Somit kann diese Spannungsversorgung im Konstantspannungs- als auch Konstantstrommodus betrieben werden.

Anwendungsgebiete

Da der Designvorschlag von Arrow als Ersatz von Netztransformatoren gedacht ist, sind die möglichen Anwendungsgebiete vielfältig, zum Beispiel:

• Batterieladegeräte
• Hilfsstromversorgungen
• USB-Lader
• Unterputz-Versorgungen
• Industriesteuerungen
• Spannungsversorgungen für HMI

Download: Solutions Arrow Prototype Report Eco-design