So misst man den Wirkungsgrad bei einem Netzteil richtig!

In den Datenblättern vieler Netzteilhersteller finden sich oft nur pauschale Angaben zum Wirkungsgrad und der Verlustleistung bei verschiedenen Netzspannungen oder Auslastungen. Deshalb kann es sich für Anwender lohnen, den Wirkungsgrad einer Stromversorgung selbst zu messen. In diesem Blog-Artikel erfahren Sie, worauf Sie dabei achten sollten.

Multimeter, Wattmeter oder Leistungsanalysator – Welches ist das Mittel der Wahl?

Es gibt eine Vielzahl von Messinstrumenten, die für die Ermittlung des Wirkungsgrads genutzt werden. Dennoch sind die Messtoleranzen und die Fähigkeiten der Messinstrumente, verschiedene Signale (AC oder DC) zu messen, sehr unterschiedlich.

Multimeter:

Für reine DC-Ein- und Ausgänge sind genaue Multimeter zur Spannungs- und Strommessung durchaus geeignet. Die Spannung kann mit hoher Präzision direkt am Ein- und Ausgang der Stromversorgung gemessen werden. Viele Multimeter haben auch eine eingebaute Strommessung, allerdings ist diese meist zu ungenau (Ungenauigkeit 1 % oder mehr) oder sie hat keinen ausreichenden Messbereich (meist auf 10 A limitiert). Stattdessen sollen die Ströme über hochpräzise Shuntwiderstände mit 0,01 % Toleranz gemessen werden. Problematisch ist die nicht synchrone Erfassung der Werte, die bei schwankenden Verhältnissen zu Fehlern führen.

Wattmeter:

Wattmeter werden für die Messung von AC-Signalen genutzt und folgen dem richtigen Prinzip. Die Momentanwerte von Strom und Spannung werden multipliziert und aus diesen Produkten wird der Mittelwert gebildet – das entspricht der physikalischen Definition von Leistung. Allerdings haben die meisten einfachen Wattmeter eine hohe Messungenauigkeit (um 1 %). Zudem können nicht konstante Ein- oder Ausgangsströme (AC-Eingang, variierende Ausgangslast) zu zusätzlichen Messfehlern führen. Schwankende Werte sind somit schwer zu interpretieren. Generell sollen für Wirkungsgradmessungen nur hochpräzise Wattmeter verwendet werden.

Datenlogger:

Datenlogger sind für DC-Messungen noch besser. Sie bestehen aus einer einzigen, meist hochgenauen Messeinheit, die durch Multiplexen mehrfach verwendet wird. Im gleichen Messbereich kürzen sich die Fehler sogar heraus und alle Werte können zeitnah erfasst und mit einer Tabellenkalkulation schnell ausgewertet werden.

Leistungsanalysator:

PULS nutzt für die Wirkungsgradbestimmung seiner Stromversorgungen Leistungsanalysatoren. (Siehe Bild 1) Die Vorteile liegen in der hohen Grundgenauigkeit von 0,02 %, dem korrekten Messen von Wirkleistung, der gleichzeitigen und damit synchronen Messung von Eingang und Ausgang und der direkten Anzeige von Verlusten und Wirkungsgrad. Der Nachteil dieser Messmethode sind die hohen Anschaffungskosten. Dennoch ist der Leistungsanalysator das Mittel der Wahl für die genaue Bestimmung des Wirkungsgrads.

Bild 1: Der Wirkungsgrad von PULS Schaltnetzteilen wird mit hochmodernen Leistungsanalysatoren gemessen.

Tipp:

AC-Eingangsleistungen können mit Multimetern oder Datenloggern jedoch nicht gemessen werden. Ein häufiger Fehler ist die Annahme, dass es ausreichend ist, die Echteffektivwerte (RMS) von Strom und Spannung zu messen und diese beiden Werte zu multiplizieren, um die Eingangsleistung zu ermitteln. Durch diese Berechnung ermittelt man jedoch die Scheinleistung und nicht die Wirkleistung, die für die Verluste entscheidend ist. Das Messen von AC-Eingangsleistungen, selbst mit True-RMS-Multimetern, resultiert daher in falschen Messungen und ist ein absolutes No-Go!

Fehler im Messaufbau vermeiden

Ein präziser und teurer Leistungsanalysator kann jedoch keine genauen Ergebnisse liefern, wenn beim Messaufbau Fehler gemacht wurden. Hierbei gilt es einige elementare Schritte zu beachten.

Richtige Verkabelung:

Alle Verluste, die nicht vom Prüfling kommen, dürfen nicht mitgemessen werden! Das ist der wichtigste Grundsatz, wenn es um die richtige Verkabelung beim Messaufbau geht. Denn jede Leitung und jeder Kontaktwiderstand verursacht zusätzliche Verluste, die die Messergebnisse verfälschen können. Eine korrekte Vierpolmessung (Kelvinmessung) mit getrennten Leitungen für die Strom- und Spannungsmessung muss sein. (Siehe Bild 2)

Spannungsquelle:

Für Schaltnetzteile mit DC-Eingang sind einfache DC-Spannungsversorgungen ausreichend. Bei AC-Messungen ist es wichtig zu wissen, dass der Innenwiderstand der Spannungsquelle die Messung über die Kurvenform des Netzsinus‘ beeinflusst. Bei einem 240 W-Netzteil ohne PFC wurde ein Unterschied von 0,4 % zwischen einem weichen Netz aus einem Trenn-Stelltrafo und einem harten Netz aus einer elektronischen AC-Quelle gemessen. Diese gibt die reproduzierbarsten Werte und ist deshalb zu bevorzugen.

Die richtige Verkabelung des Netzteils ist entscheidend.

Bild 2: Die richtige Verkabelung ist beim Messen entscheidend. Eine korrekte Vierpolmessung (Kelvinmessung) mit getrennten Leitungen für die Strom- und Spannungsmessung muss sein.

EMV-Störungen:

Unentstörte Stromversorgungen im Prototyp-Stadium können die Messgeräte stören und/oder die Lasten schwanken lassen. Man sollte den Messgeräten auch keine Signale zumuten, die mit HF überlagert sind. Zusatzfilter, meistens Induktivitäten in den Eingangsleitungen, vermeiden diese Probleme. Man darf ihre Verluste nur nicht in die Messung einfließen lassen. Bei sauber funkentstörten Stromversorgungen sollte es keine Probleme geben.

Lasten:

Nicht nur die Spannungsquelle, sondern auch die benutzte Last muss stabil und reproduzierbar sein. Lasten aus Leistungswiderständen sind problematisch, denn sie ziehen keinen konstanten Strom. Elektronische Lasten stellen hingegen eine definierte und reproduzierbare Belastung des Prüflings dar und selbst schwankende Übergangswiderstände ändern den Strom nicht.

Umgebungsbedingungen berücksichtigen

Von den Umgebungsbedingungen ist die Temperatur der entscheidende Faktor, denn die Verluste einer Stromversorgung sind temperaturabhängig. Dabei ist die Temperatur der Bauteile einer Stromversorgung maßgeblich. Die Bauteiletemperatur ist die Summe von Umgebungstemperatur und Eigenerwärmung.

Temperatur:

Die verschiedenen Bauelemente im Netzteil reagieren unterschiedlich auf Temperaturen. In manchen Bauteilen verringern sich die Verluste mit steigenden Temperaturen, in anderen Komponenten erhöhen sich diese wiederum. Einen starken Einfluss haben die zur Begrenzung des Einschaltstromes verwendeten NTCs. Netzgeräte mit solchen Bauteilen haben mit dem Einlaufen sowie bei höherer Umgebungstemperatur geringere Verluste (negativer Temperaturkoeffizient), wobei bei hohen Temperaturen die Verlustanstiege durch andere Komponenten wieder überwiegen. (Siehe Grafik 2)

Geräte mit aktiver Einschaltstrombegrenzung zeigen ein stabileres Temperaturverhalten. Hier gibt es nur einen geringen Verlustanstieg mit der Temperatur. (Siehe Grafik 3) Bei allen Wirkungsgradmessungen sollten die Einlaufzeit und die Umgebungstemperatur dokumentiert werden, damit die Ergebnisse nachvollziehbar bleiben.

Abhängigkeit des Wirkungsgrads von der Umgebungstemperatur bei Netzteilen mit NTC.

Grafik 2: Durch den NTC ist der Wirkungsgrad stark zeit- und temperaturabhängig.

Abhängigkeit des Wirkungsgrads von der Umgebungstemperatur bei Netzteilen mit aktiver Einschaltstrombegrenzung..

Grafik 3: Die aktive Einschaltstrombegrenzung ohne NTC ergibt einen weniger zeit- und temperaturabhängigen Wirkungsgrad.

Höhenlage & Luftdruck:

Da konvektionsgekühlte Netzteile über die Luft gekühlt werden, hat der Luftdruck einen Einfluss auf die Eigenerwärmung. PULS hat ausgerechnet, um wie viel sich die Bauteile bei einer höheren Lage zusätzlich erwärmen: um ca. +10 °C bei 2.000 m Höhe ü. NN und um ca. +20 °C bei 4.000 m. Die Luftfeuchte spielt nur eine ganz geringe Rolle und kann vernachlässigt werden.

Exemplarstreuungen:

Jedes Bauteil hat Toleranzen und deshalb ist auch nicht jedes Gerät gleich. Um aber echte Fehler zu finden, misst PULS die Verluste auch in der Produktion sehr genau – wenn auch nicht ganz so genau wie im Labor. Bei einem Fertigungslos von 200 Geräten des Typs CP10 wurde ein Mittelwert von 95,27 % mit einer Abweichung von ±0,15 % gemessen. (Siehe Grafik 4)

Grafik 4: In der PULS Produktion wurde bei einem Fertigungslos von 200 Geräten des Typs CP10 ein Wirkungsgrad-Mittelwert von 95,27% mit einer Abweichung von ±0,15% gemessen.

Fazit:

Die korrekte Wirkungsgradmessung von Schaltnetzteilen ist aufwändig. Doch es lohnt sich die Datenblattangaben der Hersteller zu hinterfragen und ggf. selbst nachzumessen. PULS beschäftigt sich bereits seit Jahrzehnten mit der exakten Messung des Wirkungsgrads seiner Produkte und steht seinen Kunden bei allen Fragen beratend zur Seite. Für die Anwendungsberatung haben wir ein eigenes Team aus erfahrenen Applikationsingenieuren aufgebaut.