Strom nach Maß

Elektrischer Strom, wie er wackelnd aus der Steckdose kommt, taugt in den seltensten Fällen zum sicheren Betrieb moderner Elektronik. Ein riesiges Angebot an Stromversorgungsgeräten wandelt das Netz in die richtigen Spannungen und Ströme, macht die Wahl allerdings nicht einfach. Zumal ein ziemlich harter internationaler Wettbewerb um die Kunden rangelt. Durch die galoppierende Neuheitenflut bei Leistungshalbleitern verändern sich auch die Trends und Möglichkeiten bei diesen Baugruppen und Geräten.

Der elektrische Strom kommt zwar ¿ wenigstens bei uns ¿ ziemlich zuverlässig und in genormter Größe aus der Steckdose. Er lässt sich aber in der gelieferten Form als Wechselstrom mit 50 beziehungsweise 60 Hertz nur selten verwenden. Selbst moderne Energiesparlampen benötigen ein entsprechendes Vorschaltgerät. Insbesondere unsere allgegenwärtige Elektronik stellt jedoch ziemlich hohe Ansprüche an die elektrische Versorgung mit möglichst ¿glattem¿ Gleichstrom hoher Konstanz. Inzwischen widmet sich eine leistungsfähige Industriesparte ausschließlich dieser Technik.

Elektronik für die Elektronik

Da die Anforderungen und Aufgaben sehr unterschiedlich sind, gibt es trotz aller Normungsbemühungen ein schier unübersichtliches Angebot an Stromversorgungsgeräten. Längst gehören die dicken Trafos mit Gleichrichtern, Lade- und Siebkondensatoren zu den Ausnahmen. Mit viel elektronischem Aufwand schrumpfen die Verlustleistungen und steigen die Wirkungsgrade, was zu kleineren Abmessungen führt. Komplette Netzgeräte stehen als vergossene Module zum direkten Einlöten in die Leiterplatte zur Verfügung.
Die Unterschiede beginnen bereits beim Netzanschluss. Bisher wurden die Geräte vorwiegend für lediglich eine der beiden ¿Spannungswelten¿ 230 Volt bei 50 Hertz oder 110 Volt bei 60 Hertz ¿ zuweilen auch umschaltbar ¿ gefertigt. Heutzutage geht der Trend in weiten Bereichen zu den so genannten Universalspannungseingängen, die beispielsweise Wechselspannungen zwischen 85 und 265 Volt oder gar Gleichspannungen von 100 bis 375 Volt vertragen. Solche Geräte baut MTM Power in Mellenbach als voll vergossene Primärschaltregler-Module im 30 Watt Leistungsbereich, die auf der Hutschiene lediglich 35 Millimeter Breite beanspruchen und Ausgangsspannungen zwischen 3,3 Volt und 48 Volt liefern können. Werden solche Module und Geräte ¿ wie hier ¿ nach den gängigen Vorschriften beispielsweise VDE und UL approbiert, steht dem weltweiten Einsatz nichts im Wege, was fast automatisch zu größeren Stückzahlen und wettbewerbsfähigen Kosten führt. Für den exportierenden Abnehmer liegen die Vorteile ebenfalls auf der Hand.

Kontinuierliche Versorgung

Wenn es um kritische Anwendungen geht, fahren die Hersteller ihr inzwischen sehr umfangreiches Programm elektronischer Steuer- und Regeltechnik auf. Das Stromversorgungssystem von Astec wurde speziell für den Einsatz in Anwendungen konzipiert, die eine garantiert kontinuierliche Stromversorgung verlangen. Dazu werden diese Geräte in 19-Zoll-Gehäuse oder Racks eingebaut und so zusammengeschaltet, dass ein einzelner Fehler in einem der Teileinschübe den Hauptausgang nicht lahm legt. Die gleiche Stromverteilungstechnik erlaubt auch das so genannte ¿Hot-Swap¿, wie die Spezialisten die Möglichkeit des Austauschs defekter Module unter Spannung bezeichnen, ohne das jeweilige System herunterfahren zu müssen. Auch diese Geräte verfügen über Universaleingänge für 100 bis 240 Volt Wechselspannung bei 47 bis 63 Hertz. Die Ausgangsspannungen liegen zwischen fünf und 25 Volt Gleichspannung bei Leistungen bis 5000 Watt. Selbstverständlich erkennen eine Fülle von Überwachungsschaltungen jeden erdenklichen Fehler, gestatten die Fernüberwachung und Fernsteuerung sowie die Kommunikation mit der angeschlossenen Technik.

Gegen Energiehunger

Nicht nur im häuslichen Bereich stehen heutzutage die meisten Geräte ständig unter Strom. Auch an vielen Schreibtisch-Computern und -Druckern fehlen oft die (echten) Netzschalter. Dieser so genannte Standby-Betrieb ist inzwischen erheblich ins Gerede gekommen, weil sich der unnötige Stromverbrauch zu einem riesigen Leistungsberg summiert, der allein in Deutschland den Energieverbrauch von Berlin übersteigt. Da sich die Anwender die Bequemlichkeit kaum wieder aberziehen lassen, bemühen sich die Entwickler, die Leerlaufverluste der Netzgeräte drastisch zu senken. Power Integrations, ein führender Hersteller von hochintegrierten Schaltregler-ICs, bietet eine Familie neuer ICs für Netzgeräte niedriger Leistung an, die einerseits den Aufbau derartiger Geräte erheblich vereinfachen und andererseits den Energiehunger um eine Zehnerpotenz senken.

Selbstverständlich stehen in den Programmen der verschiedenen Hersteller auch bei höheren Leistungen die Signale auf niedrigerem Standby-Verbrauch. Schließlich gehören derartige Argumente inzwischen zu den wichtigen Verkaufsargumenten.

Sparsamer schalten

Bei sehr hohen Anforderungen an die ¿Sauberkeit¿ des gelieferten Gleichstroms setzten die Techniker in der Vergangenheit vor allem auf lineare Stromversorgungen. Derartige Linearregler steuern die Ausgangstransistoren praktisch wie Widerstände, was natürlich entsprechend hohe Wärmeverluste und damit wiederum Baugröße bedeutet. Die sehr viel energieökonomischeren Schaltregler, bei denen Spannung und Strom durch das Zerhacken in kleinste ¿Häppchen¿ gesteuert und geregelt wird, verursachten bisher erhebliche Emissionen und lieferten am Ausgang zuweilen deutliche Restwelligkeiten. Neuartige Schaltungskonzepte garantieren jetzt auch bei dieser Gerätespezies geringe Welligkeiten ¿ ein Millivolt bei fünf Volt ¿ und niedrige Emissionen. Sie arbeiten darüber hinaus nahezu ohne Schaltverluste, was sich in Wirkungsgraden zwischen 80 und 86 Prozent dokumentiert. Auf diese Weise lässt sich in einem 19-Zoll-Einschub mit nur zwei Höheneinheiten immerhin die Leistung von 3000 Watt bei fester Ausgangsspannung von 14, 48 oder 72 Volt und dreiphasigem Eingang unterbringen. Das gleiche Gerät steht auch als programmierbare Ausführung zur Verfügung.

Schmal ist modern

Welche technischen Möglichkeiten sich bei der Versorgung von elektronischen Geräten aus dem Netz ergeben, möchte ich Ihnen am Beispiel eines Speise-Trennverstärkers von Schuhmann-Messtechnik zeigen. Trotz der geradezu winzigen Abmessungen von nur zwölf Millimetern Breite verfügen diese Geräte über ein Allstromnetzteil, das Netzspannungen von 20 bis 253 Volt zulässt, die als Wechselspannung oder Gleichspannung anliegen dürfen.

Wenn ich die Veränderungen moderner Stromversorgungstechnik zusammenfasse, die ich Ihnen hier nur in Ansätzen vorstellen konnte, ergeben sich unter dem Strich eigentlich nur Vorteile: Niedrigere Kosten, kleinere Abmessungen, höhere Wirkungsgrade und ¿ dank der Universalspannungseingänge ¿ weniger Typen und kleinere Lagerbestände. Sie sollten das bei der nächsten Änderung Ihrer Geräte unbedingt berücksichtigen.

Bernhard Siegmund / August 1999