Spezialisten erfüllen höchste Ansprüche!

Ein Schaltnetzteil muss heutzutage vielen Anforderungen genügen. Hier nur auf Anschaffungspreis und Wirkungsgrad zu achten, greift zu kurz. Welche normativen und gesetzlichen, aber auch gesellschaftlichen Ansprüche werden an ein Netzteil gestellt und wie wird der Entwickler ihnen gerecht?

Ein halbwegs funktionierendes Schaltnetzteil zu bauen ist zunächst kein Hexenwerk. Wie so oft steckt allerdings auch hier der Teufel im Detail: Achteten die Anwender vor 20 Jahren hauptsächlich auf Wirkungsgrad, konstruktive Aspekte und natürlich die Kosten, so muss heutzutage selbst ein simples Flyback-Netzteil bereits einer Vielzahl von gesetzlichen Richtlinien, Normen und gesellschaftlichen Anforderungen genügen. Nur mit viel Erfahrung und Aufmerksamkeit auf jedes Detail, entstehen hochwertige Stromversorgungen, die den Ansprüchen der jeweiligen Anwender gerecht werden und auf lange Zeit zuverlässig funktionieren. Anhand einiger Schlüsselkomponenten zeigt dieser Beitrag, worauf es bei Entwicklung und Konzeption eines Schaltnetzteils aktuell ankommt.

Seit 2009 ist die Richtlinie 2009/125/EG der Europäischen Union die maßgebliche Vorschrift, wenn es darum geht, elektrische Geräte am europäischen Markt in den Verkehr zu bringen. In dieser landläufig als Ökodesign-Richtlinie bekannten Vorschriftensammlung legt die Europäische Union ihre Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung „energieverbrauchsrelevanter Produkte“ fest. Ihr Ziel ist es, Ressourcen bei der Herstellung, dem Betrieb und der schlussendlichen Entsorgung einzusparen. Dafür sind spezifische Vorgaben für einzelne Produktgruppen definiert. Für Ladegeräte und Netzteile, die überwiegend für den Consumer-Markt Anwendung finden, sind diese in der Verordnung (EG) Nr. 278/2009 festgeschrieben.

Die aktuelle Verordnung (EU) 2023/826, die am 9. Mai 2023 in Kraft trat, beschreibt eine Vielzahl von Endprodukten, die im ausgeschaltetem Zustand 0,50 W (2 Jahre später 0,30 W) nicht überschreiten dürfen. Im Bereitschaftszustand gelten Werte von 0,50 W bis 0,80 W, ein Sonderfall sind Haushaltswäschetrockner mit 1,0 W. Im vernetzten Bereitschaftsbetrieb gelten, je nach Funktionalität, 2,0 W bis 8,0 W. Diese Anforderungen gelten für die Endgeräte und somit auch für die darin verwendeten Netzteile umso schärfer, da der Eigenverbrauch die Werte noch erheblich reduzieren kann.

Die Richtlinie 2009/125/ EG regelt die Ökodesign-Anforderungen an externe Netzteile. Seit April 2020 darf die Leistungsaufnahme bei Nulllast mit einer Ausgangsleistung von weniger als 49 W einen Wert von 0,10 W nicht überschreiten, bei mehr als 49 W sind es 0,21 W, gültig für Netzteile mit einer Ausgangsspannung. Auch die Wirkungsgradanforderungen sind hier über eine Tabelle mit entsprechenden Formeln geregelt, bei über 49 W gelten Festwerte. Beispielweise gilt über 49 W eine Energieeffizienz von 87 bzw. 88 Prozent. Die EU-Kommission diskutierte über eine deutliche Verschärfung der Grenzwerte. Zuletzt gab es Ende 2023 Bestrebungen, Industrienetzteile in den Geltungsbereich aufzunehmen, was wiederum erheblichen Einflüsse auf die Designs bestehender Produkte auf dem Markt hätte.
Der Verzicht auf Verguss und eine klare Demontierbarkeit der Elektronik aus dem Gehäuse ermöglicht, die eingesetzten Rohstoffe wie Kupfer oder Zinn einfach wiederzuverwenden.

Bringt der Hersteller oder Händler das CE-Kennzeichen an, erklärt er damit, dass sein Produkt den entsprechenden Vorgaben der Ökodesign-Richtlinie entspricht. Rechtlich und auch praktisch gesehen verspricht dies aber nur, dass die Produkte die gesetzlichen Mindeststandards einhalten und ist keinesfalls ein Qualitätssiegel. Ist neben dem CE-Symbol eine vierstellige Nummer angebracht, weist dies aber zumindest darauf hin, dass eine Überprüfung durch eine „Benannte Stelle“ stattfand.

Bedingt durch ihre hochfrequente Spannungswandlung entstehen in Schaltnetzteilen zwangsläufig unerwünschte Störströme, ‑Spannungen und ‑Felder. Die EU-Richtlinie 2014/30/EU zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV-Richtlinie) gibt zwar keine konkreten Grenzwerte vor, legt aber fest, dass die elektromagnetischen Störungen, die ein Betriebsmittel verursacht, so gering sein müssen, dass sie den bestimmungsgemäßen Betrieb von Funk- und Telekommunikationsgeräten nicht beeinträchtigen. Die entsprechenden Grenzwerte für Störaussendungen sind in den Fachgrundnormen bzw. Produktnormen festgelegt.
Zur Reduzierung der Störpegel sind im Netzteil dafür vor allem die EMV-Kondensatoren C1 und C7 in Verbindung mit der Drossel L1 zuständig.
Der üblicherweise verwendete X2-Kondensator C1 sitzt primärseitig parallel zum Spannungseingang vor der stromkompensierten Drossel L1. Seine Aufgabe ist es einerseits die Abgabe von Störspannungen an das Netz zu unterdrücken und andererseits auch deren Eindringen zu verhindern. Bei einem Kleinleistungsnetzteil mit 5-20 W Ausgangsleistung eignet sich eine Kapazität zwischen 100 und 330 nF. Diese kostengünstige Folienkondensatoren sind häufig empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Je nach Einsatzzweck des Netzteils und den dabei zu erwartenden Überspannungen werden Kondensatoren einer bestimmten Überspannungskategorie (engl. Overvoltage Category, OVC), gemäß IEC 60664-1 eingesetzt. In Haushaltsgeräten oder Werkzeugen ist dies meist OVC2, womit der Kondensator eine Impulsfestigkeit von mindesten 2,5 kV aufweist. Ebenso sollten Anwender bei der Auswahl die Alterungsbeständigkeit berücksichtigen. Einige Varianten können über die Jahre deutlich an Kapazität verlieren. Eine unzulängliche oder gar fehlende EMV hat zwar keine unmittelbaren Auswirkungen auf die Funktion des Schaltnetzteils, aber besonders bei auffällig preiswerter Ware ist ein Blick ins Innere des Netzteils oft sinnvoll.

Ein primärer Entstör-Kondensator eines Flyback-Netzteils speichert bei plötzlicher Netztrennung Energie und es liegen hohe Spannungen an. Damit für den Anwender keine Gefahr besteht, wenn er etwa beim Ausstecken des Netzteils die Primäranschlüsse berührt, sorgen Ableitwiderstände für eine rasche Entladung dieser Kondensatoren. Die Bleeder-Widerstände R1 und R2 sind elektrisch parallel zum Entstör-Kondensator geschaltet. Sie sind so ausgelegt, dass sie die Standby-Verluste nicht zu stark beeinflussen. Daher müssen sie ausreichend spannungsfest und relativ hochohmig sein. Ihr Wert hängt dabei von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Kapazität der Kondensatoren und somit ihrer Entladezeit ab. Er liegt in der Regel im MΩ-Bereich. Bei einem Festanschluss können die Widerstände entfallen.

Neben einer effizienten Schaltungstopologie und der Wahl qualitativ hochwertiger Komponenten ist das Design eines Schaltnetzteils ein wichtiger Parameter für dessen Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Dazu gehört etwa ein ausgeklügeltes Wärmemanagement, zum Beispiel die Vermeidung von Hitzeinseln durch die Platzierung leistungsstarker Bauelemente an verschiedenen Stellen, eine möglichst laminare Führung der Kühlluft oder auch der Einsatz von Lüftern, um Staubablagerungen zu vermeiden.

Die Bandbreite der möglichen Implementierung elektronischer Stromversorgungen zeigt sich selten deutlicher als bei der Entwicklung kundenspezifischer Lösungen. Diese kommen eigentlich immer dann zum Zuge, wenn Anforderungen gestellt werden, die sich nicht durch Lösungen von der Stange abbilden lassen. Und das ist immer öfter der Fall.

Solche Dienstleistungen setzt inpotron mit seiner jahrzehntelangen Erfahrung in Sachen Netzteil-Entwicklung und ‑Fertigung häufig um. Dabei ist schlussendlich auch eine jahrelange Verfügbarkeit und der Support wichtig. All diese Punkte sprechen für eine externe Beratung durch Spezialisten in Sachen Schaltnetzteile.