Rund ein Viertel des Stromverbrauchs in Deutschland entfiel 2018 auf die privaten Haushalte. Mit 129 Terawattstunden waren das immerhin 7,2 Prozent weniger als 2008 (Quelle: Umweltbundesamt). Dieser Rückgang ist u. a. auf Verbraucher-Kennzeichnungen zurückzuführen, wie der „Blaue Engel“ und das EU-Energielabel mit den Energieeffizienzklassen von A+++ bis G. Zudem tragen die Energieeffizienz-Standards, die in der EU Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EC festgelegt sind zu Einsparungen bei.
Ziel der Ökodesign-Richtlinie ist es, die Umweltverträglichkeit sogenannter energieverbrauchsrelevanter Produkte über ihren gesamten Lebensweg zu verbessern. Hierfür gibt sie verpflichtende Anforderungen für Geräte vor, die erhebliche Umweltauswirkungen „gemäß den im Beschluss Nr. 1600/2002/EG festgelegten strategischen Prioritäten der Gemeinschaft“ haben. Außerdem müssen die Geräte über ein großes Potenzial zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit bei angemessenen Kosten verfügen und ihr jährliches Verkaufsvolumen in der EU muss die Marke von 200.000 Stück übersteigen.
Betroffen sind also z. B. Haushaltsgeräte wie Kühl- und Gefriergeräte, Geschirrspül- und Waschmaschinen, Herde, Mikrowellen und Öfen, Smart-Home-Geräte und Unterhaltungselektronik, aber auch PCs, Elektromotoren und Schweißgeräte.
Zudem gibt es die Stand-by-Verordnung der EU, die Ökodesign-Anforderungen an den Stromverbrauch elektrischer und elektronischer Haushalts- und Bürogeräte im Bereitschafts- und Auszustand festlegt. Beispielsweise große Haushaltsgeräte wie Herde, Öfen oder auch Fernseher dürfen laut Richtlinie im Stand-by-Modus und Auszustand maximal 0,5 Wh verbrauchen, bei Informations- oder Statusanzeige höchstens 1 Wh.
Mit entsprechenden Bauteilen unterstützt Rutronik seine Kunden dabei, energieeffiziente Geräte zu entwickeln, die diese Anforderungen erfüllen. Einige Beispiele:
LDO-Spannungsregler mit Abschaltpin
Ein Low-Dropout-Regler (LDO-Regler) ist ein linearer Gleichspannungsregler, der die Ausgangsspannung selbst dann regeln kann, wenn sich die Versorgungs- kaum von der Ausgangsspannung unterscheidet. Ein LDO-Regler arbeitet sehr effizient, da er abgeschaltet werden kann, wenn er nicht gebraucht wird und dann keine Energie verbraucht. Dadurch ist er ideal für Geräte, die sich häufig im Stand-by-Betrieb befinden, und für Anwendungen, deren Ausgangsspannung nur geringfügig unter der Eingangsspannung geregelt werden muss.
Im Vergleich zu anderen getakteten DC/DC-Reglern haben LDO-Regler weitere Vorteile zu bieten. Durch die lineare Funktionsweise verzichtet der LDO-Regler auf geschaltete Transistoren, die wiederum Störungen und Rauschen erzeugen würden. Sie benötigen keine Induktivitäten und Transformatoren und ermöglichen dadurch kleinere Geräte, außerdem eine einfachere Konstruktion. Allerdings müssen sie, anders als Schaltregler, Leistung bzw. Wärme über die Regeleinheit abführen.
Bei Schaltreglern wird am Ausgang häufig zusätzlich ein LDO-Regler als aktiver Filter ergänzt. Gerade bei Anwendungen in der Messtechnik und Sensorik sind rauscharme und störungsfreie Stromversorgungen z. B. für hochauflösende ADCs und DACs oder Präzisions-OPAMPs enorm wichtig. Denn alleine können sie kaum die dazu notwendige geringe Ausgangs-Restwelligkeit (Ripple) erreichen, die für eine enge Rauschspezifikation nötig ist. Hierfür empfehlen sich LDO-Regler, die entsprechend der Schaltfrequenz des vorgeschaltenen Schaltreglers ein hohes Betriebsspannungsunterdrückungsverhältnis (PSRR, Power Supply Rejection Ratio) zwischen Eingangs- und Ausgangsseite haben.
Der PSRR ist eine der wichtigsten Kenngrößen von LDO-Reglern. Er gibt an, inwieweit der LDO-Regler in der Lage ist, die Schwankungen an der Ausgangsseite zu dämpfen, die durch die variable Eingangsspannung entstehen. Dabei gilt PSRR = 20log10 · Vin/Vout.
Weitere wichtige Größen sind die Dropout-Spannung und der Ruhestrom. Die Dropout-Spannung ist die für die interne Regelung notwendige Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen genau an dem Punkt, an dem sich die Ausgangsspannung bei weiter fallender Eingangsspannung nicht mehr regeln lässt. Der Ruhestrom eines LDO-Reglers setzt sich aus seinem Rückkopplungs- und Ansteuerstrom zusammen. Je geringer der Ruhestrom und die Dropout-Spannung sind, desto höher ist der Wirkungsgrad des LDO-Reglers.
Lebensdauer von Batterien mit LDO-Regler verlängern
Ein LDO-Regler kann in einem Batteriesystem sehr effektiv die Energieeffizienz erhöhen, indem er den Verbrauch im Stand-by-Modus minimiert. Hierfür ist z. B. der neue Spannungsregler LDI8119EN von Diotec hervorragend geeignet, der mittels Enable-Funktion das System im Stand-by ausschalten kann. Dabei schaltet der Enable-Eingang (EN) das Batteriesystem durch ein externes Signal ein und aus. Ist der Regler deaktiviert, läuft die interne Bandgap-Referenz weiter, was schnelle Einschaltzeiten ermöglicht.
Ist der LDO-Regler ausgeschaltet, wird der Eingangsstrom typischerweise auf 1 µA begrenzt. Dieser Abschaltstrom ist nicht zu verwechseln mit dem Ruhestrom, also dem Strom, den das eingeschaltete Gerät ohne Last verbraucht. Beide, Abschalt- und Ruhestrom, sind wesentliche Parameter für die Lebensdauer von Batterien. Denn für die Verlustleistung (Power Dissipation, PD) gilt:
PD = (VIN-VOUT ) ∙ IOUT + (VIN ∙ IQ )
Wird der LDO-Regler nicht belastet, geht also der Ausgangsstrom gegen 0 A, ist der Ruhestrom (IQ) die ausschlaggebende Größe für die Verlustleistung. Dieser ist für fast die Hälfte der gesamten Verlustleistung verantwortlich.
Das heißt: Bei Anwendungen, bei denen das Gerät überwiegend im Leerlauf betrieben wird, spielt der Ruhestrom eine große Rolle und sollte beim Design berücksichtigt werden.
Der LDI8119EN von Diotec zeichnet sich durch einen besonders niedrigen Ruhestrom von nur 60 µA aus. Mit einem Abschaltstrom von 0,4 µA - 1,0 µA eignet er sich bestens für alle Batteriemanagement-Applikationen. So lässt sich mit dieser einfachen Lösung die Effizienz des Batteriesystems erheblich erhöhen und damit die Lebensdauer der Batterie verlängern.
Zener-Diode mit Test-Strom von nur 50 µA
Zener-Dioden werden üblicherweise mit einigen mA betrieben, was für einen Leistungsverbrauch von mehreren Milliwatt sorgt. Das kann zu viel sein, um die Ökodesign-Richtlinie einzuhalten. Die MMS1ZXX und MMSZXX Dioden von Diotec und Panjit arbeiten hingegen mit nur 50 µA und senken so den Leistungsverbrauch. Sie werden typischerweise zur Spannungsstabilisierung und -regelung eingesetzt. Die Toleranz der Z-Spannung ist in der Standard-Ausführung gestuft nach der internationalen Reihe E 24 (~ ±5 %). Andere Toleranzen und höhere Arbeitsspannungen sind auf Anfrage erhältlich. Ihre Verlustleistung beträgt maximal 500 mW. Sie hat darüber hinaus einen niedrigen Sperrstrom und eine flache Bauform.
Schnelle Gleichrichterdioden für mehr Energieeffizienz
In der Leistungselektronik haben Gleichrichterdioden einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung des Gesamtsystems, z. B. in PFC-Schaltungen (Power Factor Correction) und Anwendungen wie Motorsteuerungen, Wechselrichter, Brücken- und DC/DC-Wandler. Schaut man, welche Komponenten im Betrieb dieser Systeme die meiste Wärme produzieren, kommt man meistens auf die Gleichrichterdioden.
Die ideale Gleichrichterdiode auszuwählen, ist jedoch keine einfache Aufgabe. Denn jede Dioden-Technologie hat ihre Vor- und Nachteile und jede Applikation individuelle Anforderungen, die sich teilweise widersprechen (Bild 3). Um für jede Applikation eine optimale Lösung anzubieten, verfügt Rutronik über ein breites Produktportfolio an Dioden mit verschiedenen Technologien.
Geht es um Energieeffizienz, ist die „Superfast Efficient" Gleichrichterdiode ES1G, z. B. von den Herstellern Panjit, Diotec und Diodes, hervorzuheben. Sie ist ideal für Leistungsschaltungen, die mit hohen Frequenzen wie etwa Schaltnetzteile arbeiten. Hier treten neben Durchlassverlusten auch Schaltverluste auf, die zunehmen, je länger die Schaltzeit ist. Da die Gesamtverluste die Summe aus Durchlass- und Schaltverlusten sind, sind bei der Auswahl eines geeigneten Dioden-Typs beide Parameter zu berücksichtigen. Beispielsweise eine Schaltung, die mit einer Frequenz von wenigen kHz und Strömen von einigen Ampere und mehr arbeitet, empfiehlt sich eine schnelle Diode mit niedriger Durchlassspannung. Bei einer Schaltung, die bei einigen 100 kHz arbeitet, liegt der Fokus auf einer Diode mit kurzer Schaltzeit. Idealerweise kombiniert die Diode eine niedrige Durchlassspannung und eine kurze Schaltzeit, wie die ES1G. Dadurch reduziert sie die Verlustleistung und damit die Leistungsaufnahme des Systems maßgeblich.
Schottky-Diode mit geringem Sperrstrom und niedriger Flussspannung
Bei Geräten, die dauerhaft in Betrieb sind, wie Herd oder Mikrowelle, kommt es darauf an, jedes Milliwatt an Leistung einzusparen, um die Ökodesign-Richtlinie zu erfüllen. Mit einem Sperrstrom unter dem Industriestandard und niedriger Flussspannung trägt die Schottky-Diode SK34SMA L217 15MQ040N von Diotec dazu bei. Sie übernimmt hier die Ausgangsgleichrichtung der Stromversorgung. Auch für das kabellose Laden von batteriebetriebenen Geräten eignet sie sich ideal als Ausgangsgleichrichter. Durch ihre geringen Leckströme ermöglicht sie zudem eine längere Stand-by-Dauer.
Wie schafft sie das? Bislang galten die Durchlassspannung und der Rest-Sperrstrom als Hauptparameter für Schottky-Dioden. Sie hängen voneinander ab: Wird die Durchlassspannung reduziert, erhöht sich der Rest-Sperrstrom und umgekehrt.
Es herrscht immer noch die Meinung vor, dass die Durchlassspannung den Hauptbeitrag zur Verlustleistung leistet, während der Rest-Sperrstrom von geringerer Bedeutung ist. Doch das stimmt so nicht mehr in jedem Fall. Ein Beispiel: Ist die Ausgangsspannung bei einem Aufwärtswandler viel größer als die Eingangsspannung, ist die Einschaltdauer sehr lang. Je länger sie ist, desto länger ist die Schottky-Diode in Sperrrichtung vorgespannt und desto größer sind die Sperrverluste. Deshalb ist es wichtig, bei Dimensionierung und der Auswahl der passenden Schottky-Dioden immer die Betriebszustände in der Anwendung bzw. Praxis vorab genau zu analysieren. Die Gesamtverluste sind also die Summe aus Schaltverlusten, Durchlassverlusten und Sperrverlusten.
Fazit
Die Beispiele zeigen, dass innovative Bauteile maßgeblich dazu beitragen können, energieeffizientere Geräte zu entwickeln, die der Ökodesign-Richtlinie entsprechen. So leisten sie einen aktiven Beitrag zum Klimaschutz.
Weitere Informationen und eine direkte Bestellmöglichkeit finden Sie auch auf unserer e-Commerce-Plattform www.rutronik24.com.
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