In künftigen Smart Homes soll der Gleichstrom direkt aus der Dose kommen. Bis es so weit ist, lässt sich improvisieren: mit effizienten Mini-Netzteilen und LED-Treibern zum Versorgen von Gleichspannungsverbrauchern.
Bild 1: Bis Gleichspannung aus der Dose kommt, werden noch unzählige hoch effiziente Mini-Netzteile gebraucht.Recom
In der Welt von Tablet-PCs, Smartphones und Peripherie ist der USB-Bus längst zur zentralen Nabelschnur für die Spannungsversorgung geworden. Ursprünglich für den Datenaustausch konzipiert, liefert er inzwischen den Ladestrom für unzählige Akkus, die in netzunabhängigen Kleingeräten ihren Dienst verrichten. Diese modernen Gerätschaften verzichten zunehmend auf das früher übliche Steckernetzteil, weil sich fast immer irgendwo ein USB-Anschluss in Reichweite befindet. Lässt sich von dieser Entwicklung ableiten, wie die Spannungsversorgung im Smart Home der ferneren Zukunft ausschauen wird? Versorgen wir den Wohn- und Schlafbereich künftig mit Gleichspannung, weil einschließlich des Lichts alles elektronisch ist? Wenn wir dies noch nicht eindeutig bejahen können, dann liegt das schlicht daran, dass die auf 230 VAC gepolte Basis noch zu mächtig ist.
Gleichspannung dominiert
Während sich Glühbirnen, Kochplatten und Elektromotoren direkt mit Wechselspannung betreiben lassen, arbeitet die gesamte Heimelektronik intern mit Gleichspannung. Vom Weckradio über TV, HiFi-Anlagen und Festplattenrecorder bis hin zu Computer, Router und Drucker verfügt jedes Elektronikgerät über ein eigenes Netzteil, das aus 230 V Wechselspannung die benötigte Gleichspannung liefert. Das gilt auch für LEDs als Lichtquellen der Zukunft. Auch hier ist Gleichspannung erforderlich, diese wandelt der Treiber in einen konstanten Gleichstrom.
Auf einen Blick
Spätestens seit das Licht danke LEDs elektronisch wird, ließe sich im Wohn- und Schlafbereich auf das gewohnte Wechselstrom-Lichtnetz verzichten. Das bleibt Utopie solange die Mehrzahl der Häuser nicht mit Gleichspannung vernetzt ist. In der Zwischenzeit wandeln unzählige Kleinnetzteile Wechselspannung in Gleichspannung. Besonders praktisch sind dabei runde, flache Mininetzteile, die in Unterputzdosen Platz finden. Wichtig sind bei diesen Helfern neben Langlebigkeit und Effizienz auch eine niedrige Leerlaufleistung.
Jedes dieser Netzteile muss für maximale Belastung ausgelegt sein, obwohl diese in der Praxis selten eintritt. So laufen AV-Receiver oder HiFi-Anlage meist auf Zimmerlautstärke, obwohl sie von den technischen Möglichkeiten die halbe Nachbarschaft beglücken könnten. Da der Wirkungsgrad solcher Netzteile mit sinkender Auslastung abnimmt, wird durch die Verwendung vieler kleiner Einzelnetzteile allein durch deren suboptimale Auslastung viel Energie verschwendet. Es wäre effizienter, die Heimelektronik aus einem einzigen, großen Netzteil zu versorgen. Größere Netzteile erzielen generell einen besseren Wirkungsgrad als kleine. Außerdem können sich die Leistungsspitzen einzelner Verbraucher so besser kompensieren.
Langfristig darf man davon ausgehen, dass energieeffiziente Smart Homes neben 230 VAC auch ein Bordnetz haben, das ähnlich Ethernet oder USB nicht nur der Kommunikation dient, sondern Heimelektronik einschließlich Sensorik und Überwachung mit Gleichspannung versorgt. Das Versorgen und Vernetzen dürfte zu einem gemeinsamen Thema verschmelzen. Denkbar wäre, in Anlehnung an das Ethernet, eine 48-VDC-Versorgung, allerdings mit deutlich höherem Strom.
Obwohl technisch vieles dafür spräche, steht die bereits installierte Basis mit Macht dagegen. Auch gibt es noch keine Standards, die die Datenübertragung mit ihren unterschiedlichen Anforderungen und den bereits existierenden Bussen unter einen Hut bringen könnten. Es wird deshalb vermutlich Jahre dauern, bis Plug&Play im Smart Home Einzug hält. In der Zwischenzeit triumphiert die Improvisation bei dezentralen Kleinnetzteilen und AC/DC-LED-Treibern. Im Sinne der Energieeffizienz ist es dabei wichtig, Wirkungsgrad und Leerlaufverbrauch jedes einzelnen Moduls zu optimieren.
EuP-Richtlinie brachte einen Stein ins Rollen
Seit Januar 2010 ist die EuP-Rahmenrichtlinie (Energy Using Products) der EU in Kraft getreten, die den maximal zulässigen Verbrauch im Standby- und Scheinaus-Betrieb elektronischer Geräte regelt. Zu Beginn dieses Jahres haben sich die ursprünglichen Grenzwerte halbiert, so dass für einfache Standby-Steuerungen und für Scheinaus-Betrieb nur noch maximal 500 mW zulässig sind. Dies brachte einen Stein ins Rollen. Elektronikhersteller waren frühzeitig gezwungen, die Standby-Elektronik ihrer Produkte durch separate Mini-Netzteile zu versorgen. Hinzu kam, dass auch viele Kleingeräte in Haus und Büro effizienter arbeiten und mit weniger Leistung auskommen. Zum Beispiel arbeiten Mikrocontroller inzwischen mit Leistungen im Milliwatt-Bereich – Sensoren zur Steuerung von Jalousien im niederen, einstelligen Wattbereich. Dies alles hat mit dazu beigetragen, dass inzwischen ein eigenständiger Markt für kleine Netzmodule in der Leistungsklasse von 1 bis 10 W entstanden ist.
Bild 2: Da Netzmodule wie der RAC03 in der Praxis nur selten bei Volllast arbeiten, ist es wichtig, dass der Wirkungsgrad bei sinkender Last möglichst lange auf hohem Niveau bleibt.Recom
Da kleine Netzteile aber beim Wirkungsgrad nicht mit absoluten Spitzenwerten brillieren können, wird das Thema Effizienz in vielen Datenblättern recht sparsam beleuchtet. Nicht selten ist nur ein einziger Wert genannt, der sich auf das Modell mit der höchsten Ausgangsspannung bezieht und nur für Volllast gilt. Dies ist aber bestenfalls die halbe Wahrheit und für die Praxis nicht wirklich aufschlussreich. So haben Netzteile mit niedrigerer Ausgangsspannung naturgemäß einen schlechteren Wirkungsgrad.
Die Unterschiede können durchaus zehn Prozentpunkte betragen, wie die Kurvenschar für das 3-W-Modul RAC03 von Recom zeigt. Während es die 24-V-Version bei Volllast noch spielend auf 80 Prozent bringt (Bild 2, gelbe Linie), schafft ein Modul mit 3,3 VDC am Ausgang nur noch gut 70 Prozent (rosa Linie).
Große Unterschiede im unteren Lastbereich
Bild 3: Im Zuge der EU-Verordnung für Standby- und Scheinaus-Betrieb ist eine eigene Marktnische für effiziente Mininetzteile mit niedrigem Leerlaufverbrauch entstanden.Recom
Grundsätzlich erreicht ein Netzteil bei Volllast seinen besten Wirkungsgrad. Dieser reduziert sich mit sinkender Last, bis er im Leerlauf gegen Null tendiert. Optimal konstruierte Netzteile zeichnen sich durch einen ausgesprochen flachen Verlauf aus. Beim zuvor genannten RAC03 knickt die Kurve erst im Lastbereich um 10 Prozent steil ab.
Dies ist in Zeiten von Eco-Design und knapper werdenden Energiebudgets von erheblicher Bedeutung. Zum einen wird man selten die exakt passende Leistung finden und so die nächst höhere Klasse mit weniger Last betreiben. Zum anderen schwankt die Belastung bei vielen Anwendungen beträchtlich. Für die tatsächlichen Verluste, insbesondere für die Wärmeverluste, ist der Verlauf des Wirkungsgads im unteren und mittleren Lastbereich relevant. Deshalb spezifiziert Recom in seinen Datenblättern für AC/DC-Wandler generell den Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Last. So lässt sich für das jeweilige Lastprofil sehr genau ermitteln, mit welchen Leistungsverlusten tatsächlich zu rechnen ist. Vergleichsmessungen zwischen den Produkten verschiedener Hersteller haben gezeigt, dass insbesondere im Bereich von 10 bis 50 Prozent gravierende Unterschiede auftreten können.
Da Netzmodule häufig im Leerlauf arbeiten – etwa im Standby-Modus – ist der Leerlaufverbrauch wichtig für die Energiebilanz. Auch hier gibt es gravierende Unterschiede. Mit der Erfahrung aus mehr als zwei Jahrzehnten Moduldesign ist es den Entwicklern von Recom gelungen, außergewöhnlich gute Werte zu erzielen. Das kleinste Netzmodul beispielsweise – der RAC01 mit 1 W Nennleistung – bringt es auf einen Leerlaufverbrauch von 30 mW. Fehlen solche Spezifikationen im Datenblatt, kann sich ein Vergleichstest lohnen.
3-W-Netzteil liefert Gleichspannung aus der Dose
In zunehmendem Maße bahnen sich smarte Komponenten und Systeme ihren Weg ins Haus von morgen. Intelligente Schalter, die auf Gesten reagieren und berührungslos Licht oder Raumtemperatur steuern. Türöffner mit eingebautem Fingerabdruck-Sensor zum Erkennen von Personen mit Zugangsberechtigung. Steckdosen mit intelligenter Stromüberwachung, die abschalten, sobald ein Verbraucher längere Zeit im Standby-Modus ist. Oder Minipumpen, die unsere Blumen mit Wasser versorgen, solange wir im Urlaub sind. Applikationen wie diese benötigen Gleichspannung, die im Idealfall aus der Dose kommt.
Bild 4: Die 11 mm dünne Powerscheibe passt in jede Unterputzdose und lässt genug Platz für Schalter und Dimmer.Recom
Der RAC03-SCR/277 ist ein geregeltes Netz-Modul, das für den Einbau in handelsübliche Unterputzsteckdosen konzipiert ist. Aufgrund seiner runden, ultraflachen Form lässt es sich schnell und einfach installieren, ohne dass Renovierungsarbeiten notwendig sind. Die 11 mm dünnen Scheiben lassen sich problemlos hinter Schaltern oder Dimmern unterbringen und sorgen dafür, dass überall dort Gleichspannung aus der Dose kommt, wo dies für Smart Home-Applikationen erwünscht ist.
Die flache Power-Scheibe erreicht bei 3 W Nennleistung einen hervorragenden Wirkungsgrad von 78 Prozent. Mit ihrem weiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 VAC ist sie weltweit einsetzbar – insbesondere auch im amerikanischen Drehstrom-Lichtnetz, das Spannungen von 277 VAC erreicht. Das Modul ist wahlweise mit Ausgangsspannungen von 3,3; 5; 12 oder 24 V lieferbar. Entsprechend seiner Nennleistung von 3 W sind dabei Ströme von 900, 600, 250 und 125 mA verfügbar. Mit einem Leerlaufverbrauch von 40 mW unterbietet es die Vorgaben für Standby-Netzteile um das mehr als das Zehnfache. Der RAC03-SCR ist am Ausgang mit 3 kVAC isoliert und arbeitet zuverlässig bei Umgebungstemperaturen bis +85 °C.
EMV daheim
Da das Thema elektromagnetische Verträglichkeit gerade im Home-Bereich einen hohen Stellenwert hat, verfügen alle Netzmodule der RAC-Familie serienmäßig über einen Klasse-B-Filter. So lassen sich Störungen direkt an der Quelle beseitigen, wodurch sich Filterkomponenten wie Ferritkerne und Drosseln im Vergleich zu einer externen Beschaltung kleiner dimensionieren lassen. Dies reduziert den Leistungsbedarf im Leerlaufbetrieb und erspart zudem die Kosten für Material und EMV-Tests.
Die RAC-Familie ist für vielfältige Aufgaben in der Gebäudeautomation, in Sicherheitssystemen und Kommunikationseinrichtungen geeignet und für viele Jahre Dauerbetrieb konzipiert. Alle Module sind kurzschlussfest, gegen Überspannung und Überlast geschützt und gemäß CE und UL zertifiziert. Recom verwendet hochwertige Komponenten und gibt eine Gewährleistung von drei Jahren auf die Netzmodule.
Reinhard Zimmermann
(rao)
