Mini-Netzteile für intelligente Gebäude und Haussteuerungen

Der Grad der Vernetzung in unseren Gebäuden steigt zunehmend – sei es nun die Beleuchtung die sich individuell an die vorherrschenden Lichtverhältnisse anpasst oder die intelligente Heizungssteuerung die smart auf das Verhalten seiner Bewohner reagiert. Was vor einigen Jahren noch nach Zukunftsmusik klang, ist heute in vielen Wohnhäusern schon Realität. Die Motivation für den hohen Automatisierungsgrad ist für die meisten Nutzern allerdings derselbe. Sie erwarten sich von den intelligenten Systemen und IoT-Anwendungen vorwiegend einen geringeren Energieverbrauch, erhöhte Sicherheit und natürlich eine Steigerung des Wohnkomforts. Dieselben Motive gelten auch für intelligente Bürogebäude. Für diese Aufgaben werden die Gebäude mit jeder Menge Elektronik ausgestattet, die intern mit Gleichspannung versorgt werden müssen.

Bild 1: Mit einem DC-Netz im Gebäude lassen sich
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich.
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich.
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich.
elektrische Verbraucher verlustarm mit Gleichstrom
versorgen. Da die Spannung nicht mehrmals transformiert
werden muss, sind auf diese Weise erhebliche
Energieeinsparungen möglich. Recom

Hohe Verluste durch Umwandlungsprozesse

Trotz moderner Technik haben solche Smart Homes noch eine Schwachstelle aus vorelektronischer Zeit. Abgesehen von wenigen Geräten, wie beispielsweise Kochplatten oder Waschmaschinen, arbeitet ein Großteil der Stromverbraucher im Haus mittlerweile mit Gleichspannung, während das traditionelle Stromnetz nach wie vor Wechselspannung liefert. Somit wird die benötigte Spannung für Laptop, Handy, TV-Gerät oder auch LED-Beleuchtung durch unzählige Netzteile passend umgewandelt. Jedoch entstehen bei jeder dieser Umwandlungen Verluste.

Ein europäisches Forschungsprojekt widmete sich von 2012 bis 2015 der Frage, wie diese Verluste minimiert werden könnten. Ein möglicher Lösungsansatz hierbei wäre die Installation eines lokalen Gleichspannungsnetzes. Durch die Zentralisierung der Umwandlungsprozesse würde ein Großteil der ineffizienten Netzteile wegfallen. Das EU-Projekt DCC+G (DC components and grid) untersuchte des Weiteren, wie man dezentrale Energieversorgungsquellen, wie beispielsweise Photovoltaik, in die Versorgung von Gebäuden einbeziehen könnte, um so die Umwandlungsverluste zu reduzieren.

Einsparungen durch lokales Gleichspannungsnetz

Photovoltaik-Anlagen nutzen die Energie der Sonne um saubere Gleichspannung zu liefern. Um aber den erzeugten Strom in das deutsche Stromnetz einspeisen zu können, muss dieser mittels Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt werden. Obwohl moderne Wechselrichter bereits Wirkungsgrade von mehr als 95 Prozent erreichen, geht hier wertvolle Energie verloren. Würde man diese Energie ohne Umwege direkt in ein hausinternes DC-Bordnetz mit Bufferbatterie speisen, ließen sich erhebliche Einsparungen erzielen. Allein durch den Wegfall aller Netzteile in einem durchschnittlichen Haushalt mit einem Jahresverbrauch von 3500 kWh könnten jährlich zirka 200 kWh eingespart werden. Darüber hinaus sind weitere Einsparungen möglich, wenn auch die LED-Beleuchtung beziehungsweise die Heizungspumpen aus diesem Netz versorgt werden.

Bild 1 zeigt eine Hausinstallation wie sie in künftigen Smart Homes Realität werden könnte. Das interne DC-Bordnetz versorgt den Großteil der Geräte im Haushalt, die LED-Beleuchtung sowie alle Steuereinheiten, die das intelligente Zuhause mit sich bringt. Für so ein DC-Bordnetz würde sich beispielsweise eine Spannung von 24 V Gleichspannung anbieten, da dies eine ungefährliche Sicherheitskleinspannung (SELV = Safety Extra Low Voltage) ist und sich die Leitungsverluste bei bisherigen Kabelquerschnitten in Grenzen halten. Kann in sonnenarmen Zeiten die Batterie durch die PV-Anlage nicht ausreichend geladen werden, sorgt ein aus dem Hausanschluss gespeistes Netzladegerät für Abhilfe. Denn völlig ohne 230 V_AC Anschluss wird es auch in Zukunft nicht gehen.

Doch eine derartige Gleichspannungsversorgung würde sich vermutlich nur für neugebaute Gebäude rechnen und Sinn machen. In vielen Fällen ist in bestehenden Gebäuden ein Umrüsten auf ein duales Stromversorgungsmodell nicht rentabel, da dies mit aufwendigen Renovierungsarbeiten und hohen Investitionen behaftet wäre. Hier muss improvisiert werden, zum Beispiel mit effizienten Mini-Netzteilen, die mit hohem Wirkungsgrad und niedrigem Verbrauch im Leerlauf, möglichst wenig Energie verschwenden.

Hoher Wirkungsgrad – auch im niedrigen Lastbereich von Bedeutung

Während eines der Ziele des Smart Homes eigentlich die Einsparung von Energie ist, so wird häufig zu wenig Augenmerk auf die Vielzahl an kleinen Verbrauchern gelegt, die ihrerseits in der Summe einen ordentlichen Energieverbrauch aufweisen. Hier lohnt es auf die Effizienz der kleinen Netzteile, die die Sensoren und Steuergeräte versorgen, zu achten. Häufig kommen kleine Netzteile im Leistungsbereich von 1 bis 10 Watt zum Einsatz.

Naturgemäß können gerade diese kleinen Netzteile nicht mit den absoluten Spitzenwerten beim Wirkungsgrad glänzen. Daher wird dieses Thema in vielen Hersteller-Datenblättern bewusst sehr spärlich betrachtet. Häufig findet sich, wenn überhaupt, nur eine Angabe eines Wertes unter Volllast. Doch ist das wenig aussagekräftig, da Schaltnetzteile so konzipiert sind, dass sie ihren besten Wirkungsgrad in der Nähe ihrer Nennleistung erreichen. Mit sinkender Last sinkt auch deren Wirkungsgrad, bis er im Leerlauf gegen Null tendiert. Gut konzipierte Netzteile hingegen bieten einen konstant hohen Wirkungsgrad, gerade auch im wichtigen mittleren und niedrigen Lastbereich.

Standby- und Schein-Aus-Verluste werden unterschätzt

Die meiste Zeit verbringen Sensoren und Aktoren im Standby-Betrieb und warten auf ihren Einsatz. Dabei hängen sie rund um die Uhr am Netz und haben, je nach Schaltungsaufwand, einen erheblichen Energiebedarf. Zwar schreibt die EuP-Richtlinie bereits seit 2013 vor, dass elektronische Geräte nicht mehr als 500 mW im Standby verbrauchen dürfen, doch ist aufgrund der Vielzahl der Teilnehmer hier dennoch Vorsicht geboten. Denn auch 500 mW ergeben durch die Vielzahl der einzelnen Produkte einen erheblichen Verlust. Moderne, auf solche Anwendungen zugeschnittene Netzteile, wie der RAC03-SE/277 verbrauchen rund 30 mW und liegen somit deutlich unter den Vorgaben der Richtlinie.

Bild 2: Für Anwendungen in Smart Homes bietet Recom eine Palette an effizienten Mini-Netzteilen mit Zertifizierung nach den internationalen Sicherheitsnormen für elektrische Haushalts- (IEC/EN/UL 60335-1) und Industriegeräte (IEC/UL/EN 60950-1). Recom

Mini-Netzteile für intelligente Gebäudesteuerungen

Recom hat für Anwendungen in Smart Homes und intelligenten Gebäuden eine ganze Familie an effizienten Netzteilen entwickelt. Aufgrund ihrer kompakten Größe lassen sie sich direkt installieren und punkten durch niedrigen Standby-Verbrauch von 30 mW.

Mit dem RAC03-SER/277 brachte Recom eine Serie geregelter Mini-Netzteile auf den Markt, die für den Einbau in handelsübliche Unterputzdosen konzipiert sind. Aufgrund ihrer runden und flachen Form lassen sich Smart-Home-Lösungen umsetzen, ohne dass dafür Renovierungsarbeiten notwendig werden. Dafür bringt man die 11 mm dünnen Scheiben ohne größeren Aufwand hinter den Schaltern an. Für die Montage auf der Leiterplatte oder Anwendungen mit noch eingeschränkterem Platzangebot sind die Module RAC02-SE/277 und RAC03-SE/277 mit einem Footprint von 34 x 22 mm erhältlich, optional mit Pins oder auch als bedrahtete Ausführung. Die Netzteile sorgen für eine isolierte und regulierte lokale Gleichspannung, die zudem vor Überlast und Kurzschlüssen geschützt ist. Damit können dann zahllose intelligente Gebäudeautomationsanwendungen wie beispielsweise ferngesteuerte Sensoren und Aktoren, Klimasteuerungen, Touchscreen-Bedienoberflächen oder drahtlose Alarmsysteme versorgt werden. Zu den bereits erhältlichen Mini-Netzteilen von Recom sind jetzt auch die Serien RAC01-GA sowie RAC02-GA hinzugekommen. Diese eignen sich neben dem Einsatz in Anwendungen der Gebäudeautomatisierung auch für Sensorapplikationen.

Alle genannten Serien sind vollständig zertifiziert nach den internationalen Sicherheitsnormen für elektrische Haushalts- (IEC/EN/UL 60335-1) und Industriegeräte (IEC/UL/EN 60950-1), sowie CE gekennzeichnet.

(prm)