Im Allgemeinen bezeichnet „Effizienz“ die Fähigkeit, eine Aufgabe oder ein Ziel mit dem geringsten Aufwand an Zeit, Energie oder Ressourcen zu erreichen. Sie misst, wie gut Eingaben (wie Zeit, Arbeit oder Materialien) in Ausgaben (Ergebnisse oder Produkte) umgewandelt werden.
Effizienz der Stromversorgung und warum sie wichtig ist
28.03.2025
Die Effizienz der Stromversorgung ist entscheidend für Leistung und Kosteneffektivität, da sie den Energieverbrauch, die Betriebszuverlässigkeit und langfristige Einsparungen beeinflusst. Bei einer typischen Lebensdauer von fünf Jahren können die durch geringe Effizienz verursachten Energiekosten die ursprünglichen Anschaffungskosten einer Stromversorgung übersteigen.
Inhaltsverzeichnis
Was bedeutet eine effiziente Stromversorgung?
Aus drei Gründen ist die Effizienz der Stromversorgung für den Benutzer wichtig.
1) Erstens ist die Verlustleistung, also die Differenz zwischen Ausgangs- und Eingangsleistung, entscheidend.
Das zeigt, dass bereits ein geringer Unterschied im Wirkungsgrad zu einem großen betrieblichen Unterschied führen kann.
2) Temperatur ist der wichtigste Faktor, der die Zuverlässigkeit der Geräte beeinflusst.
3) Hohe Effizienz ist wichtig, um die Betriebskosten zu senken.
Der Stromverbrauch des effizienteren Netzteils liegt somit 30% unter dem eines 94% effizienten Modells, obwohl der Effizienzunterschied nur 2% beträgt! Bei einer typischen Lebensdauer von fünf Jahren würde, die durch den geringeren Wirkungsgrad verursachte Energieverschwendung leicht die Kosten des Netzteils übersteigen!
1) Erstens ist die Verlustleistung, also die Differenz zwischen Ausgangs- und Eingangsleistung, entscheidend.
- Eine Stromversorgung mit 90% Wirkungsgrad verliert 10% als Wärme.
- Ein Netzteil mit 95% Wirkungsgrad verliert 5% als Wärme und wird nur halb so heiß wie im ersten Beispiel.
- Ein Netzteil mit 97,5% Effizienz verliert nur 2,5% als Wärme. Das Netzteil erhitzt sich also nur zu einem Viertel im Vergleich zum ersten Beispiel.
Das zeigt, dass bereits ein geringer Unterschied im Wirkungsgrad zu einem großen betrieblichen Unterschied führen kann.
2) Temperatur ist der wichtigste Faktor, der die Zuverlässigkeit der Geräte beeinflusst.
- Dies liegt an der Arrhenius-Gleichung, einer Formel für die temperaturabhängige Reaktionsrate in der physikalischen Chemie. Die Arrhenius-Gleichung besagt, dass sich chemische Reaktionen bei jedem Anstieg der Temperatur um 10°C verdoppeln.
- Höhere Temperaturen begünstigen chemische Reaktionen, die Alterung, Korrosion und elektrische Spannungseffekte verursachen und zu früheren Ausfällen führen können.
- Höhere Temperaturen begünstigen chemische Reaktionen, die Alterung, Korrosion und elektrische Spannungseffekte verursachen und zu früheren Ausfällen führen können.
- Verwendung von Komponenten mit höheren Temperaturangaben, wie z. B. Kondensatoren, die auf 105°C statt auf 85°C ausgelegt sind. Selbst bei einer Innentemperatur von ca. 60°C bieten diese Komponenten mehr Spielraum und sind weniger anfällig für Überhitzung.
- Ein Layout, das freie Konvektionskühlung ermöglicht, sodass abgegebene Wärme leicht entweichen kann. Beispielsweise ist die RACPRO1-Serie mit zwei vertikalen Luftkanälen ausgestattet, die den Kamineffekt nutzen, um die passive Kühlung zu unterstützen. Zudem sind wärmeempfindliche Komponenten wie Kondensatoren unter heißeren Komponenten wie Transformatoren und Transistoren platziert, um deren thermischen Stress zu verringern.
- Ein Design mit hoher Effizienz, um die Entstehung von Abwärme von vornherein zu vermeiden.
3) Hohe Effizienz ist wichtig, um die Betriebskosten zu senken.
- Ein 1kW-Netzteil mit 94% Effizienz verschwendet 365 × 24 × 6% = 526kWh pro Jahr.
- Ein 1kW-Netzteil mit 96% Effizienz verschwendet nur 365 × 24 × 4% = 350kWh pro Jahr.
Der Stromverbrauch des effizienteren Netzteils liegt somit 30% unter dem eines 94% effizienten Modells, obwohl der Effizienzunterschied nur 2% beträgt! Bei einer typischen Lebensdauer von fünf Jahren würde, die durch den geringeren Wirkungsgrad verursachte Energieverschwendung leicht die Kosten des Netzteils übersteigen!
Messung der Stromversorgungseffizienz
Bei der Messung der Effizienz von DC/DC- und AC/DC-Wandlern sind verschiedene Unterschiede zu beachten. Nachfolgend eine Formel zur Berechnung der Effizienz sowie eine kurze Zusammenfassung dieser Unterschiede:
Beispiel: Wenn eine Stromversorgung 100 Watt aus einer elektrischen Quelle bezieht, aber nur 90 Watt an das Lastgerät liefert, beträgt die Effizienz (90W / 100W) × 100% = 90%.
Formel zur Effizienz von Stromversorgungen
Im Kontext einer Stromversorgung bezieht sich Effizienz darauf, wie effektiv die Stromversorgung die elektrische Eingangsleistung (von der Quelle) in Ausgangsleistung (für das Lastgerät) umwandelt, ohne Energie als Wärme oder in andere Abfallformen zu verlieren. Die Formel für die Effizienz einer Stromversorgung, ausgedrückt in Prozent, lautet wie folgt:
Effizienz (%) = (Ausgangsleistung / Eingangsleistung) × 100%
Beispiel: Wenn eine Stromversorgung 100 Watt aus einer elektrischen Quelle bezieht, aber nur 90 Watt an das Lastgerät liefert, beträgt die Effizienz (90W / 100W) × 100% = 90%.
Messung der Effizienz von AC/DC-Wandlern
Die Messung des Wirkungsgrads eines AC/DC-Wandlers ist schwierig, da ein Leistungsanalysator erforderlich ist, um die tatsächliche (effektive) Wechselstromleistung genau zu messen und den Phasenwinkel (Cos Phi) zwischen Spannung und Strom auszugleichen. Außerdem beeinflussen bei AC/DC-Wandlern ohne Leistungsfaktorkorrektur (PFC) Oberschwingungen die Messung. Die meisten Leistungsmessgeräte messen bis zur 39. Oberschwingung (gemäß der Norm IEC EN 61000-3-2). Für eine exakte Messung ist eine Erfassung bis zur 99. Oberschwingung erforderlich, wobei die Werte über einen längeren Zeitraum (mehrere Minuten) gemittelt werden – besonders bei modernen Controller-ICs, die Schwachstrom-Standby-Techniken wie Pulse-Skipping verwenden.
Wirkungsgrad-Messungen sollten unter allen verschiedenen Betriebsbedingungen (Niedrigspannung bis Hochspannung und Niedriglast bis Volllast) durchgeführt werden. Ohne Last beträgt der Wirkungsgrad immer 0%, da der Wandler eine kleine Menge Energie für die Schaltkreise verbraucht, aber keine Ausgangsleistung liefert (Nulllaststrom). Dies wird in Abbildung 1 veranschaulicht, die einen typischen Wirkungsgradverlauf für ein Stromnetzteil zeigt, der im ungeladenen Zustand keine Effizienz aufweist.
Ein gutes Stromversorgungsdesign zeigt eine flache Wirkungsgradkurve von etwa 10% Last bis Volllast, wobei der maximale Wirkungsgrad typischerweise bei höheren Lasten erreicht wird. Ein gutes Design weist jedoch auch bei 50% Last nur eine geringe Reduzierung des Wirkungsgrads auf. Ideal ist es, wenn die Wirkungsgradkurve wenig von der Versorgungsspannung abhängt, obwohl mit sinkender Wechselspannung der Eingangsstrom ansteigt, was zu zusätzlichen I²R-Verlusten führt. Die Wirkungsgradkurven der RACPRO1-Serie sind herausragend. Der Wirkungsgrad ist nicht nur unter allen Lastbedingungen unabhängig von der Versorgungsspannung, sondern der Spitzenwirkungsgrad von 96% wird bei 30% Last erreicht und bleibt bis 100% Last konstant, wodurch alle typischen industriellen Lastbedingungen abgedeckt werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Stromverbrauch im Standby-Modus, einerseits um Stromkosten zu sparen, wenn das Gerät viel Zeit im Standby verbringt, und andererseits, um die ökologischen Ziele und Vorschriften der EU und der USA zum Stromverbrauch zu erfüllen. Der RACPRO1-T960/24 verbraucht im Standby nur etwa 2W, obwohl er bei plötzlicher Lastanforderung mehr als 1150W liefern kann.
Wirkungsgrad-Messungen sollten unter allen verschiedenen Betriebsbedingungen (Niedrigspannung bis Hochspannung und Niedriglast bis Volllast) durchgeführt werden. Ohne Last beträgt der Wirkungsgrad immer 0%, da der Wandler eine kleine Menge Energie für die Schaltkreise verbraucht, aber keine Ausgangsleistung liefert (Nulllaststrom). Dies wird in Abbildung 1 veranschaulicht, die einen typischen Wirkungsgradverlauf für ein Stromnetzteil zeigt, der im ungeladenen Zustand keine Effizienz aufweist.
Ein gutes Stromversorgungsdesign zeigt eine flache Wirkungsgradkurve von etwa 10% Last bis Volllast, wobei der maximale Wirkungsgrad typischerweise bei höheren Lasten erreicht wird. Ein gutes Design weist jedoch auch bei 50% Last nur eine geringe Reduzierung des Wirkungsgrads auf. Ideal ist es, wenn die Wirkungsgradkurve wenig von der Versorgungsspannung abhängt, obwohl mit sinkender Wechselspannung der Eingangsstrom ansteigt, was zu zusätzlichen I²R-Verlusten führt. Die Wirkungsgradkurven der RACPRO1-Serie sind herausragend. Der Wirkungsgrad ist nicht nur unter allen Lastbedingungen unabhängig von der Versorgungsspannung, sondern der Spitzenwirkungsgrad von 96% wird bei 30% Last erreicht und bleibt bis 100% Last konstant, wodurch alle typischen industriellen Lastbedingungen abgedeckt werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Stromverbrauch im Standby-Modus, einerseits um Stromkosten zu sparen, wenn das Gerät viel Zeit im Standby verbringt, und andererseits, um die ökologischen Ziele und Vorschriften der EU und der USA zum Stromverbrauch zu erfüllen. Der RACPRO1-T960/24 verbraucht im Standby nur etwa 2W, obwohl er bei plötzlicher Lastanforderung mehr als 1150W liefern kann.
Hochleistungsfähige RACPRO1 DIN-Schienen-Netzteile
Um die anspruchsvollsten industriellen Anwendungenzu erfüllen, haben wir kürzlich unsere RACPRO1-Familie von DIN-Schienen-Netzteilen eingeführt. Die Modelle RACPRO1-T240, -T480 und -T960 liefern jeweils 240, 480 und 960 Watt (Abbildung 1).
Abb 2: RACPRO1-Produktfamilie im Überblick: T240 (links), T480 (Mitte) und T960 (rechts)
Die RACPRO1-Serie bietet branchenführende Effizienzen für Netzteile dieser Klasse. Mit einer Blindstromkorrektur (PFC) > 0,9 erreichen diese Modelle Wirkungsgrade von 94,1% (RACPRO1-T240), 95,3% (RACPRO1-T480) und 97,1% (RACPRO1-T960).
Abb 2: RACPRO1-Produktfamilie im Überblick: T240 (links), T480 (Mitte) und T960 (rechts)
Die RACPRO1-Serie bietet branchenführende Effizienzen für Netzteile dieser Klasse. Mit einer Blindstromkorrektur (PFC) > 0,9 erreichen diese Modelle Wirkungsgrade von 94,1% (RACPRO1-T240), 95,3% (RACPRO1-T480) und 97,1% (RACPRO1-T960).
Ergänzende Informationen
Die RECOM AC/DC, DC/DC und EMC Book of Knowledge bieten eine umfassende Sammlung an Erfahrungen und Erkenntnissen, die für die Implementierung erfolgreicher AC/DC-Stromversorgungsdesigns erforderlich sind. In Kapitel 12 wird erörtert, wie der eigene Stromverbrauch durch ausgewählte Messtechniken gesenkt werden kann.
Der RECOM Blog Energieeffizienz in AC/DC-Netzteilen: Kurzanleitung für alles Wesentliche bietet eine hilfreiche Einführung in Ökodesign-Vorschriften. Diese beinhalten eine Reihe von Standards und Richtlinien, die von Regierungen oder Aufsichtsbehörden festgelegt wurden, um sicherzustellen, dass Produkte während ihres gesamten Lebenszyklus einen minimalen Umwelteinfluss haben. Der Schwerpunkt dieser Vorschriften liegt auf der Verbesserung der Energieeffizienz und der Förderung der Nachhaltigkeit durch die Reduzierung von Abfall, Emissionen und Ressourcenverbrauch.
Weitere Informationen zu dieser innovativen DIN-Rail-Stromversorgungsfamilie sind auf der Webseite von RACPRO1 zu finden.
Der RECOM Blog Energieeffizienz in AC/DC-Netzteilen: Kurzanleitung für alles Wesentliche bietet eine hilfreiche Einführung in Ökodesign-Vorschriften. Diese beinhalten eine Reihe von Standards und Richtlinien, die von Regierungen oder Aufsichtsbehörden festgelegt wurden, um sicherzustellen, dass Produkte während ihres gesamten Lebenszyklus einen minimalen Umwelteinfluss haben. Der Schwerpunkt dieser Vorschriften liegt auf der Verbesserung der Energieeffizienz und der Förderung der Nachhaltigkeit durch die Reduzierung von Abfall, Emissionen und Ressourcenverbrauch.
Weitere Informationen zu dieser innovativen DIN-Rail-Stromversorgungsfamilie sind auf der Webseite von RACPRO1 zu finden.
Anwendungen
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RACPRO1-T240
Fokus
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RACPRO1-T480
Fokus
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| 3 |
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RACPRO1-T960
Fokus
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