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Netzteile

0 W Standby-Leistungsaufnahme

20. Juni 2011, 9:54 Uhr | Von Silvestro Fimiani

Eine neue Entwicklung auf dem Gebiet Schaltreglerstromversorgungen ermöglicht es, die Standby-Leistungsaufnahme netzbetriebener Geräte auf 0,005 W zu reduzieren, wobei das Gerät weiterhin per Fernbedienung oder einen sonstigen Stimulus aktiviert werden kann. Dieses bisher fast unmöglich Erscheinende lässt sich ohne zusätzlichen Kostenaufwand und ohne komplizierte Schaltungstechnik erreichen.

Steigende Energiekosten zwingen dazu, die Leistungsaufnahme elektrischer und elektronischer Geräte immer weiter zu senken, und zwar nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch im Bereitschafts-Modus. Die Leistungsaufnahme im Bereitschafts- und Scheinaus-Betrieb macht einen erstaunlich großen Anteil am Gesamtenergiebedarf elektrischer Geräte aus. Als vor über zehn Jahren das Lawrence Livermore National Laboratory [1] herausfand, dass bis zu 10 % der erzeugten elektrischen Energie durch Geräte im Bereitschaftsbetrieb vergeudet werden, war das für Regierungen und führende Unternehmen ein Schock, in dessen Folge ein Regulierungsprozess zur Begrenzung der Leistungsaufnahme angestoßen wurde.

Im Zuge des technischen Fortschritts wurden und werden die Grenzwerte immer weiter herabgesetzt, und mit jeder Produktgeneration wurde und wird die Leistungsaufnahme von Stromversorgungen im Bereitschaftsbetrieb weiter verringert. So sanken die Grenzwerte im Laufe der Zeit von 10 W auf 1 W und schließlich auf einige 100 mW. Power Integrations [2] ist es nun gelungen, die Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb auf unter 5 mW zu reduzieren, was nach IEC 62301 Abschnitt 4.5 auf 0 W abzurunden ist.

Die meisten elektrischen und elektronischen Geräte, die in Privathaushalten eingesetzt werden, sind ständig ans Stromnetz angeschlossen. Sie nehmen Strom auf, obwohl sie die meiste Zeit über keine Funktion ausüben, sondern nur im Bereitschaftsbetrieb darauf warten, von einem Timer, per Fernbedienung oder über einen Taster/Schalter aktiviert zu werden. Diese Geräte können nicht völlig abgeschaltet werden, falls dies ihre Funktion inakzeptabel einschränken würde.

Eine 0-W-Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb ließe sich erreichen, indem man einen Akku einbaut, der bei ausgeschaltetem Gerät wichtige Schaltungsteile versorgt und bei eingeschaltetem Gerät geladen wird. Dieser Trick wird häufiger angewandt, als man denkt. Jedes PC-Motherboard enthält z.B. eine Pufferbatterie, welche bei abgeschaltetem PC die Systemuhr am Laufen hält.

Aber eigentlich ist dieses Verfahren ein Betrug, denn die Stromaufnahme wird dadurch nicht auf Null reduziert, sondern findet lediglich zu einer anderen Zeit statt - nämlich während des Nachladens des Akkus.

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Die technische Herausforderung

Die Reduktion der Leistungsaufnahme eines netzbetriebenen Geräts im Bereitschaftsbetrieb auf weniger als 5 mW - das bedeutet < 20 μA bei 230 V Netzspannung - ist eine schwierige technische Herausforderung.

Einige der damit einhergehenden Schwierigkeiten verdeutlicht das folgende Beispiel einer Waschmaschine (Bild 1), die für eine 0-W-Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb ausgelegt ist. Ist der Waschvorgang beendet, gibt die Steuerschaltung ein Abschaltsignal aus, welches das Netzrelais öffnet. Dadurch wird die Stromversorgung der Waschmaschine vom Netz getrennt. Zum Wiedereinschalten der Waschmaschine muss das Relais mithilfe eines Netzschalters (Taster) überbrückt werden, sodass die Stromversorgung wieder mit dem Netz verbunden ist. Nach dem Hochfahren schließt der Controller den Steuerschalter, damit das Relais anzieht und die Waschmaschine nun dauerhaft mit dem Stromnetz verbindet.

Die physische Implementierung eines solchen Systems ist nicht so einfach wie es vielleicht erscheint. In Bild 1 befindet sich das EMV-Filter hinter dem Relais. Das EMV-Filter muss jedoch im Allgemeinen unmittelbar am Netzanschluss der Maschine angebracht werden; dieser befindet sich auf der Rückwand. Der Netzschalter (Taster) würde sich auf der Vorderseite befinden. Deshalb muss das EMV-Filter aus praktischen Gründen vor dem Schalter angeordnet werden. Das bedeutet, dass das EMV-Filter ständig - auch bei abgeschalteter Maschine - Strom aufnimmt, wenn auch wenig.

Das Relais und der Netztaster treiben die Materialkosten in die Höhe, das Ziel „null Leistungsaufnahme“ wird aber verfehlt, und außerdem ermöglicht diese Schaltung nur eine Komplettabschaltung, aber keinen Bereitschaftsbetrieb. Zur Implementierung eines Bereitschaftsbetriebes bräuchte man eine Hilfsstromversorgung mit eigenem EMV-Filter, die ständig am Netz angeschlossen ist.

Bild 2 zeigt die gleiche Waschmaschine, wobei jedoch das Relais und der Netztaster durch drei ICs ersetzt wurden, die kürzlich von Power Integrations (PI) vorgestellt wurden. Diese Schaltung bietet zusätzlich den Bereitschaftsbetrieb mit einer Leistungsaufnahme < 5 mW. Das für den Bereitschaftsbetrieb wichtigste Element ist die auf dem Sperrwandler-IC Link- Zero-AX von Power Integrations [3] basierende Hilfsstromversorgung (Bild 3).

LinkZero-AX bietet einen Aus-Modus, der die Hilfsstromversorgung vom Netz trennt, wenn das Gerät nicht genutzt wird. Beim Beispiel Waschmaschine wird der Aus-Modus des LinkZero-AX durch ein Signal vom Mikrocontroller gesteuert. Dadurch werden die Wandlerfunktion und die interne Steuerschaltung komplett abgeschaltet, und die Energievergeudung durch diese im Bereitschaftsbetrieb unnötigen Funktionen wird eliminiert. Die Ausgangsgleichspannung der Hilfsstromversorgung fällt auf fast Null ab.

Im Aus-Modus bleibt der Link- Zero-AX weiterhin ansprechbar und kann durch einen Reset-Impuls oder einen Tastendruck „geweckt“ werden. Der BP/M-Anschluss des LinkZero-AX kann außerdem einen Strom bis zu 500 μA zum Betrieb einer beliebigen Steuer- oder Sensorschaltung wie z.B. eines Timers oder Fernbedienungsempfängers liefern.

Das CAPZero-IC von Power Integrations [4] dient dazu, die Energievergeudung durch das EMV-Filter zu eliminieren. Um das Risiko eines Stromschlags auszuschließen, müssen Kondensatoren im EMV-Filter, die mit dem Netzstecker verbunden sind, automatisch entladen werden, wenn der Netzstecker gezogen wird. Weil das EMV-Filter am Netzeingang angeordet ist, würde ein Entladewiderstand kontinuierlich einen signifikanten Strom aus dem Netz ziehen. Das in Serie mit dem Entladewiderstand geschaltete IC CAPZero verhindert dies (Bild 4).

CAPZero ist ein einfaches IC mit nur zwei Anschlüssen, das zum Entladen von Kondensatoren im EMV-Filter dient. Beim Anlegen der Netzspannung unterbricht es automatisch den Entladestrompfad. Beim Trennen von der Netzspannung schließt es den Strompfad, wodurch der Kondensator entladen wird.

Das dritte IC in der Stromversorgung entsprechend Bild 2, SENZero, dient dazu, Leistungsverluste durch Bauteile zu eliminieren, die permanent mit der gleichgerichteten Netzspannung verbunden sind - beispielsweise Widerstände zur Erfassung der Netzspannung oder zur Nullpunkterkennung.

Das SENZero-IC enthält wahlweise zwei (Version: SEN012) oder drei (Version: SEN013) 650-V-MOSFETs mit internem Gate-Treiber und Schutzschaltung. Die Steuerschaltung steuert die MOSFETs in Abhängigkeit von der Spannung am UB-Anschluss. Während des Bereitschaftsbetriebs ist die Spannung am UB-Anschluss auf „Low“; in diesem Fall sperren die MOSFETs im SENZero-IC und unterbrechen den Stromfluss durch die Widerstände.