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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 5V/10W Netzteil mit Effizienz ~95% unmöglich?


Autor: Timmy (Gast)
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Hallo,

ich habe mir verschiedene 5V Netzteile bei Mouser angeschaut und musste 
feststellen, dass eigentlich alle so bei 80% Wirkungsgrad liegen. Woran 
liegt das? Gibt es keine mit 95%? Reicht es nicht aus, einfach Teile mit 
weniger ESR zu verbauen?

: Verschoben durch Admin
Autor: ● J-A VdH ● (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector)
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gleichrichten, oszillieren, transformieren, gleichrichten

sind halt 4 Schritte an denen immer was kleben bleibt ;)

Autor: Bastler (Gast)
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Hallo

sollte aber trotzdem möglich sein - allerdings verlangt das einiges an 
Überlegung und den Willen hochwertige und nicht zu knapp dimensionierte 
Bauteile zu verwenden.
Insbesondere die Schalttransistoren, Dioden im Leistungskreis und am 
unbeliebtesten (weil teuer und recht aufwendiger Berechnung) den Trafo 
bzw. Induktivitäten - selbstverständlich sind natürlich ein sehr gutes 
Platinendesign.
Allerdings geht bei Teillast der Wirkungsgrad herunter, also bei 
Nennleistung von 10W aber nur einer Belastung von 0,5W wird auch solch 
ein gutes Netzteil nicht mehr 95% Wirkungsgrad bringen - aber trotz 
allem bleibt der Wirkungsgrad noch sehr gut .

Bastler

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Timmy (Gast)

>ich habe mir verschiedene 5V Netzteile bei Mouser angeschaut und musste
>feststellen, dass eigentlich alle so bei 80% Wirkungsgrad liegen. Woran
>liegt das?

Weil das bei sinnvollem Aufwand halt so ist.

> Gibt es keine mit 95%?

Kann sein, aber die kosten deutlich mehr.

> Reicht es nicht aus, einfach Teile mit weniger ESR zu verbauen?

Nein.

Autor: Michael X. (Firma: vyuxc) (der-michl)
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Für die Potentialtrennung eignen sich nur bestimmte Topologien. Bei 
kleiner Leistung ist es dann der Sperrwandler. Den kann man vielleicht 
auf etwas über 85% bringen.

Autor: Sinus Tangentus (micha_micha)
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Transphorm will mit GaN-FETs über 99% erreichen:
http://www.transphormusa.com/news/transphorm-gan-t...


Zitat:
"Transphorm’s innovations are moving power electronics beyond the 
limitations of silicon to achieve over 99 percent efficiency, 40 percent 
more power density and 20 percent lower system cost."

Autor: Peter II (Gast)
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Sinus T. schrieb:
> Transphorm will mit GaN-FETs über 99% erreichen:
> 
http://www.transphormusa.com/news/transphorm-gan-t...

wenn man aber das 3.3kW Netzteil nur mit 10Watt belastet wird es wohl 
nicht über 50% kommen.

Autor: ● J-A VdH ● (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector)
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3290 W verbraten, die restlichen 10W nutzen.

Ziel erreicht Der Wirkungsgrad wird erreicht.

Autor: Harald (Gast)
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Vielleicht ist das interessant, da geht es bis ca. 90%

http://www.ti.com/tool/pmp11600

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Sperrwandler in Standard-Schaltung kann das nicht, aber sowas als 
Resonanzwandler bzw. ZCS/ZVS hätte eine Chance, wenn man ihn im 
Burst-Mode betreibt.

Allerdings sind das bei 10W gerade mal 0,5W, die im Netzteil bleiben 
dürfen. Das ist schon verdammt wenig, wenn man die Ansteuerleistung des 
Schalttransistors, Kernverluste und Starthilfsschaltung für den Betrieb 
an 230V bedenkt. Das bedeutet alles extra Aufwand und extra Bauteile, 
die wieder niemand bezahlen will.

Autor: der schreckliche Sven (Gast)
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Ben B. schrieb:
> die wieder niemand bezahlen will.

Ist ja auch eine einfache Rechnung. Der Mehraufwand amortisiert sich 
nicht. 2 Euro ausgeben, 0,2 Euro Strom sparen, wer ist schon so blöd?

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Naja das muß man untscheiden...

5 Euro mehr für Bauteile in der Entwicklung sind nach den BWLern

a) nicht mehr vorhanden (die Bauteile auch nicht)
b) man entscheidet sich für einen anderen Entwurf
c) 50 Euro für den Endkunden.

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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90% sind noch recht 'einfach' machbar.
Aber 5V 10W sind 2A. Das sind schon fast 1W in der (guten) Diode. Also 
muss man diese durch einen FET ergänzen und diesen richtig ansteuern. Da 
steckt Material, also Geld und Know How und Entwicklung, also Geld 
dahinter.

Gruß
Jobst

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ich bezahle um die 5 Euro fuer ein 10W Netzteil... Das ist die Latte. 
Wieviel mehr darf's kosten ? Und wieviel Stueck davon kann ich verkaufen 
?

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Worum geht es dir? Hast du nur sehr wenig Energie zur Verfügung oder 
macht die Abwärme ein Problem?

Autor: michael_ (Gast)
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Timmy schrieb:
> Gibt es keine mit 95%? Reicht es nicht aus, einfach Teile mit
> weniger ESR zu verbauen?

Was hat ESR mit dem Wirkungsgrad zu tun?

Dann mach deine Schaltung für 230V~ .
Dann hast du 100%.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Timmy schrieb:
> ich habe mir verschiedene 5V Netzteile bei Mouser angeschaut und musste
> feststellen, dass eigentlich alle so bei 80% Wirkungsgrad liegen.

Der Wirkungsgrad ist eine lastabhängige Kurve, keine reine Zahl. Jedes 
5V-Netzteil im (fast) Leerlauf hat einen Wirkungsgrad von (nahe) 0%.

Autor: 6a66 (Gast)
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● J-A V. schrieb:
> 3290 W verbraten, die restlichen 10W nutzen.
>
> Ziel erreicht Der Wirkungsgrad wird erreicht.

Hmmm - Hä?
3300W mögliche Leistung.
10W abgeforderte Leistung, 50% Wirkunsgrad = 20W Eingangsleistung = 10W 
verbraten.

Wo kommen die 3290W her?????

rgds

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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michael_ schrieb:
> Was hat ESR mit dem Wirkungsgrad zu tun?

Widerstand -> Verlust

Oder siehst Du das anders?

Natürlich muss man bei den Bauteilen auf möglichst geringe 
Verlustwiderstände achten. Aber das ist bei Weitem noch nicht alles.
Geschwindigkeit ist auch ein Faktor. Schnell geht aber auch nur mit 
kleinen Widerständen. Zu schnell bedeutet aber auch wieder EMV-Probleme, 
gegen die dann wieder andere, kostspielige Maßnahmen ergriffen werden 
müssen.

Gruß
Jobst

Autor: Sebastian (Gast)
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Das ist leider immer wieder etwas was ich bei Netzteilen vermisse, eine 
Wirkungsgrad-Kennlinie in Abhängigkeit der Last. Es gibt von Meanwell 
sehr gute Netzteile, eine U-Bracket Serie ULP. Diese geht aber nur bis 
12 V runter. Ist aber preislich gar nicht mal so teuer.

Autor: S. Landolt (Gast)
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der schreckliche Sven schrieb:
> Ben B. schrieb:
>> die wieder niemand bezahlen will.
>
> Ist ja auch eine einfache Rechnung. Der Mehraufwand amortisiert sich
> nicht. 2 Euro ausgeben, 0,2 Euro Strom sparen, wer ist schon so blöd?

Das kommt doch sehr auf die Nutzungsart an: nehmen wir 0.5 W bei einem 
Rund-um-die-Uhr-Betrieb, dann sind wir bei über 1 EUR/a zusätzliche 
Stromkosten, für zehn Jahre also gut 10 EUR. Mit dem Eingangsbeispiel 
von 10 W und 80 vs. 95 % sogar beim Dreifachen.

Autor: Iwan (Gast)
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wenn das Netzteil überhaupt 10Jahre hält.

Autor: ● J-A VdH ● (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector)
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6a66 schrieb:
> ● J-A V. schrieb:
>> 3290 W verbraten, die restlichen 10W nutzen.
>>
>> Ziel erreicht Der Wirkungsgrad wird erreicht.
>
> Hmmm - Hä?
> 3300W mögliche Leistung.
> 10W abgeforderte Leistung, 50% Wirkunsgrad = 20W Eingangsleistung = 10W
> verbraten.
>
> Wo kommen die 3290W her?????
>


daher:

Peter II schrieb:
> Sinus T. schrieb:
>> Transphorm will mit GaN-FETs über 99% erreichen:

> wenn man aber das 3.3kW Netzteil nur mit 10Watt belastet wird es wohl
> nicht über 50% kommen.

das 3,3KW NEtzteil voll belasten incl eines 10W Abzweigs.
insgesamt ist die Vorgabe dann erreicht.

so whut ;)

Autor: Elektron (Gast)
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Möglich ist vieles.
Siehe Raumfahrt.
Da läuft eine Raumsonde auch mal 20Jahre. Wie lange läuft Dein PC ?

Nur dann kostet das Netzteil eben mal 50, 100 oder 200€ oder noch mehr.

Das kannst mit dem eingesparten Strom gar nicht bezahlen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Elektron (Gast)

>Möglich ist vieles.

Ach?

>Siehe Raumfahrt.
>Da läuft eine Raumsonde auch mal 20Jahre. Wie lange läuft Dein PC ?

Bla. Dort steckt ein Radionukleidgenerator drin, der arbeitet 20 Jahre 
und länger. Der Wirkungsgrad ist nicht so berauschend, spielt dort aber 
keine große Rolle.

https://de.wikipedia.org/wiki/Radionuklidbatterie

"Thermoelektrischer Generator

...

besitzt an seiner Außenwand Kühlrippen, um die von den Heizelementen 
erzeugte Wärme abzugeben und so die für den Betrieb der Thermoelemente 
notwendige Temperaturdifferenz herzustellen. Der Wirkungsgrad liegt bei 
3 bis 8 Prozent."

>Nur dann kostet das Netzteil eben mal 50, 100 oder 200€ oder noch mehr.

>Das kannst mit dem eingesparten Strom gar nicht bezahlen.

Eben. Das Zauberwort heißt Break Even Point, zu gut deutsch 
Gewinnschwelle.

https://de.wikipedia.org/wiki/Gewinnschwelle

Autor: X-Way (Gast)
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Michael X. schrieb:
> Für die Potentialtrennung eignen sich nur bestimmte Topologien. Bei
> kleiner Leistung ist es dann der Sperrwandler.

Für Netzspannung zu Kleinspannung ist der Sperrwandler eigentlich nicht 
so gut geeignet, weil man die nervige Streuinduktivität kaum klein 
kriegt. Aber es ist eben man Abstand die billigste Topologie und wird 
deshalb auch dann verwendet, wenn sie eigentlich nicht so gut taugt. 
Immerhin werden die Flybacks heute (teilweise?) quasi-resonant 
betrieben, was beim Wirkungsgrad hilft.

Mit einem Flusswandler und großzügig dimensionierten Trafo müsste man 
die 90% knacken können. Kostet aber eben mehr. Und keiner will 10 Euro 
für ein Handynetzteil zahlen.

Jobst M. schrieb:
> michael_ schrieb:
>> Was hat ESR mit dem Wirkungsgrad zu tun?
>
> Widerstand -> Verlust
>
> Oder siehst Du das anders?

Den Begriff ESR verwendet man eigentlich nur bei Kondensatoren, und die 
Verluste im Kondensator machen bei einem Netzteil nur einen kleinen Teil 
aus. Die größten Verluste entstehen im Trafo, dann kommt vermutlich der 
Transistor und die Ansteuerverluste (bei Teillast sind die entscheidend) 
und dann erst der Kondensator.

Autor: Schreiber (Gast)
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Falk B. schrieb:
> @Elektron (Gast)
> Möglich ist vieles.
>
> Ach?
>
> Siehe Raumfahrt.
> Da läuft eine Raumsonde auch mal 20Jahre. Wie lange läuft Dein PC ?
>
> Bla. Dort steckt ein Radionukleidgenerator drin, der arbeitet 20 Jahre
> und länger. Der Wirkungsgrad ist nicht so berauschend, spielt dort aber
> keine große Rolle.
>
20 Jahre erreicht man auch mit ganz normalen Solarzellen in Satelliten.
Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Lebensdauer kosten aber Geld,ab einem 
gewissen Punkt sehr viel Geld.

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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X-Way schrieb:
> Den Begriff ESR verwendet man eigentlich nur bei Kondensatoren,

Und für was steht ESR dort ...!?


X-Way schrieb:
> Die größten Verluste entstehen im Trafo, dann kommt vermutlich der
> Transistor und die Ansteuerverluste (bei Teillast sind die entscheidend)
> und dann erst der Kondensator.

Die größten Verluste entstehen bei kleinen Ausgangsspannungen in der 
Diode und die kleinsten im Transistor, wenn dieser korrekt geschaltet 
wird.


Gruß
Jobst

Autor: Wiki der Wikinger (Gast)
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Jobst M. schrieb:
> X-Way schrieb:
>> Den Begriff ESR verwendet man eigentlich nur bei Kondensatoren,
>
> Und für was steht ESR dort ...!?

https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektro...

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Wiki der Wikinger schrieb:
>> Und für was steht ESR dort ...!?
>
> 
https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektro...

... richtichhhh.
Und ist das nun, wie ich anfangs schon sagte, ein Widerstand oder nicht?


Gruß
Jobst

Autor: fdko (Gast)
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Timmy schrieb:
> Woran liegt das?

Ich nehme mal an, daß diese Frage entweder nicht ganz ernst, oder aber 
anders gemeint war, als sie Falk (zutreffend) beantwortet hat?

Daraus ergibt sich nun mal, daß an Teilen verbaut wird, was bezahlbar 
ist. Auch, daß häufigst die "einfachste dafür ausreichende" Wandlerart 
gewählt wird (z.B. Sperr- statt Durchflußwandler).

Auf maximale Effizienz sind die einzelnen Geräte natürlich auch nicht 
optimiert, allerdings ist durch gerade genannten Umstand oft auch gar 
nicht viel mehr "drin", bei gewählter Topologie (außer vielleicht bei 
lächerlich anmutender Überdimensionierung). Sooo schlecht machen das die 
meisten Produzenten gar nicht.

Je nach Topologie und Steuerverfahren könnte man sich mit einem Trick 
behelfen, um ein (etwas) effizienteres Gerät zu gewinnen. Z.B. gibt es 
häufig verschiedene "Leistungsklassen" von ansonsten gleichen Geräten.

Nun wurde zwar schon festgestellt, daß es eher keine gute Idee ist, ein 
100W-Gerät bei 30% Nennleistung betreiben zu wollen. Trotz der verbauten 
FETs mit niedrigerem Ron landet man bei noch weit geringerer Effizienz.

Ersetzt man aber bei einem synchronen (zweifache Verlustreduktion der 
Leitverluste in den FETs - ansonsten ja [wegen der praktisch gleich 
bleibenden Diodenverluste] nur einfach, daher "rentiert" sich die 
Modifikation weniger Auf- oder Abwärtswandler mit 100W die verbaute 
Drossel durch eine mit dem gleichem Induktivitätswert der Spule des 30W 
Gerätes, und paßt den Shunt an, und... etc., kann man eventuell einen 
merklich höheren Wirkungsgrad erzielen.

Allerdings wie gesagt: Je nach Topologie (beim Sperrwandler wäre der 
Austausch des Speichertrafo etwas völlig anderes...) und 
Steuerverfahren, und der genaue Erfolg ist nicht so einfach zu 
beziffern. Ich erwähne das übrigens nur, weil:

Falk B. schrieb:
> Kann sein, aber die kosten deutlich mehr.

Das mag beim Vergleich "Standard 80% --- Luxus 95%" völlig stimmen.

Geht es aber nur um ein ansonsten schon bestehendes Konzept, bei dem 
z.B. nur die Kühlung gaaanz leicht zu knapp ist (und vielleicht 2 
eingesparte Watt an dieser Stelle anders nur mit großem Aufwand 
(Eigenentwicklung) oder aber einem 10fach teureren Gerät möglich wäre, 
könnte das eine Lösung sein.

Oder aber, wenn man sich das, so wie Timmy, ohne nähere/ anwendungs 
spezifische Begründung "einfach wünschen würde". (Und nein: Ich spreche 
auch nicht von genannter Modifikation bei >10000 Stück...)

Salve

Autor: S.I. (Gast)
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Jobst M. schrieb:
> Und ist das nun, wie ich anfangs schon sagte, ein Widerstand oder nicht?

Autor: M. Köhler (sylaina)
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X-Way schrieb:
> Den Begriff ESR verwendet man eigentlich nur bei Kondensatoren, und die
> Verluste im Kondensator machen bei einem Netzteil nur einen kleinen Teil
> aus.

Ja, aber bzgl. des Kondensators machen sie immerhin 50% aus. Könnte 
unter anderem der Grund sein warum man den Begriff ESR primär vom 
Kondensator her kenn: Da hat er eine sehr signifikante Rolle! Man darf 
den Begriff aber auch über all benutzen, nicht nur beim Kondensator.

Autor: X-Way (Gast)
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Jobst M. schrieb:
> Die größten Verluste entstehen bei kleinen Ausgangsspannungen in der
> Diode und die kleinsten im Transistor, wenn dieser korrekt geschaltet
> wird.

Ja, die Diode ist noch relevant, das habe ich in meiner Auflistung oben 
vergessen. Die Kondensatoren sind allerdings nicht so relevant.

M. K. schrieb:
> Ja, aber bzgl. des Kondensators machen sie immerhin 50% aus. Könnte
> unter anderem der Grund sein warum man den Begriff ESR primär vom
> Kondensator her kenn: Da hat er eine sehr signifikante Rolle! Man darf
> den Begriff aber auch über all benutzen, nicht nur beim Kondensator.

Wenn ich den Wirkungsgrad eines Netzteils betrachte muss ich aber auch 
im Blick halten, wie sich die Verluste aufteilen.

Ja, man kann den Begriff auch wo anders verwenden, das ist aber sehr 
unüblich. Bei induktiven Bauelementen muss man z.B. zwischen 
verschiedenen Verlustarten unterscheiden.

Jobst M. schrieb:
> ... richtichhhh.
> Und ist das nun, wie ich anfangs schon sagte, ein Widerstand oder nicht?

Es ist kein ohmscher Widerstand, sondern nur ein Effekt, der sich ganz 
ähnlich verhält. Er ist bei einem Elko z.B. hochgradig von der Frequenz 
abhängig - ein Verhalten, das man von einem klassischen idealen 
Widerstand nicht kennt.

Autor: M. Köhler (sylaina)
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X-Way schrieb:
> Ja, man kann den Begriff auch wo anders verwenden, das ist aber sehr
> unüblich.

Generell ist die Betrachtung des Serien-Widerstandes außer bei 
Kondensatoren eher unüblich.

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