Diplom-Ingenieur Rainer Dangschat arbeitete 37 Jahre lang bei Siemens, Abteilung Leiter Anwendungstechnik, Schwerpunkte Schaltnetzteile und TV-Technik. Dort entwickelte und erprobte er seinen Sinus-Sperrwandler, den er als Europäisches Patent unter der Nummer 0 464 240 B1 anmeldete und für den er Lizenzen vergibt.

Die Schaltnetzteile in Fernsehgeräten, Monitoren und PCs entnehmen dem Stromnetz keinen Sinusstrom, sondern pulsförmigen Strom. Dies steigert den Energieverbrauch, gefährdet Drehstromnetze und erhöht die elektromagnetischen Störfelder. Der neue Sinus-Sperrwandler kann die Probleme ohne zusätzlichen Aufwand lösen.

Von oben nach unten: Bild 1 bis Bild 4:

Die Steckdose bietet eine sinusförmige Wechselspannung an (Bild 1). Nur das angeschlossene Gerät bestimmt, wie der entnommene und auch wieder zurückfließende Strom aussieht. Es gibt zwei Arten von Strom-Verbrauchern. Glühbirnen und Wärmegeräte entnehmen einen sauberen, sinusförmigen Strom. Fernsehgeräte, PCs und Monitore zählen zu den problematischen Verbrauchern, da sie sich kurze Stromimpulse aus dem Stromnetz hacken und auch wieder zurückschicken (Bild 2). Diese Geräte haben Schaltnetzteile, bei denen die Wechselspannung zunächst mittels Brückengleichrichter und Kondensator in Gleichspannung umgewandelt wird und nur beim Spannungsmaximum kurzzeitig Ladestrom in den Kondensator fließt. Die Strompulse bestehen aus Oberschwingungen und belasten das Stromnetz und die Umwelt.

Bei einem Fernsehgerät wirkt sich das beispielsweise so aus: Zu dem eigentlichen Stromverbrauch von 100 Watt kommt wegen der pulsförmigen Stromform noch 90 Watt nutzlose Blindleistung hinzu. Blindleistung wird nicht vom Zähler erfaßt, muß aber in Generatoren erzeugt und über Transformatoren und Kabel bis zum Kunden transportiert werden. Auch dafür muß Primärenergie aufgewendet werden; schätzungsweise sind es 15 bis 20 %, verglichen mit der Erzeugung von Wirkleistung. In Deutschland gibt es über 50 Millionen TV-Geräte. Bei 4 Stunden täglicher Betriebszeit verbrauchen sie 7,3 Milliarden kWh. Die etwa 25 Millionen privaten und geschäftlichen Computer mit Monitor und Drucker bringen es bei 200 Watt und 5 Stunden täglich auf 9 Mrd kWh. Rechnet man die Videorecorder, Kopiergeräte und die sonstigen elektronischen Geräte in Haushalt und Gewerbe dazu, kommt man auf etwa 20 Mrd kWh Energieverbrauch und zusätzlich 18 Mrd kWh Blindenergie. Ein Kraftwerk mittlerer Größe wird allein zur Erzeugung dieser nutzlose Blindenergie gebraucht und könnte eingespart werden, wenn die elektronischen Geräte sauberen Sinusstrom aufnehmen würden.

Unser Energieversorgungssystem basiert auf dem Drehstrom. Die Generatoren im Kraftwerk erzeugen Drehstrom, Hochspannungsleitungen transportieren ihn über weite Strecken und Transformatoren machen daraus die 3 x 230 Volt, die schließlich im Zählerschrank und auch im Küchenherd ankommen.

Der Unterschied zwischen Drehstrom und Wechselstrom ist leicht zu erklären. In der normalen Wechselstrom-Steckdose gibt es zwei Leitungen (der zusätzliche Schutzleiter führt keinen Strom und ist nur für die Sicherheit da). Die beiden Leitungen sind die “Phase”, die den Strom liefert, und der “Nulleiter”, durch den der Strom wieder zurückfließt. Der Drehstrom ist ein spezieller Wechselstrom. Er wird mit drei Leitungen (Phase 1, Phase 2, Phase 3) geliefert und fließt in nur einem Nulleiter zurück. Die einzelnen Phasen führen jeweils 230 Volt Wechselspannung, aber nicht gleichzeitig, sondern in der Zeit um 120 Grad versetzt (Bild 3). Dadurch sind die drei im Nulleiter zurückfließenden Ströme auch um 120 Grad versetzt. Im Idealfall, wenn die drei Phasen gleichmäßig belastet sind, kompensieren sich die drei Ströme und im Nulleiter fließt kein Strom mehr.

Aber in einem Bürohochhaus treten die schmalen pulsförmigen Ströme zeitversetzt auf (Bild 4) und können sich im Nulleiter nicht mehr kompensieren. Der Nulleiter wird bis zum 3fachen belastet, dafür ist er in der Regel nicht ausgelegt. Dies kann zu Überhitzung und Brandgefahr führen, da der Nulleiter wegen der Unfallgefahr nicht durch Sicherungen geschützt werden darf. Besonders die in direkter Nähe zum Kunden stehenden Drehstrom-Transformatoren, die die Mittelspannung auf 3 x 230 V heruntertransformieren, werden durch die hohen Nulleiterströme überlastet und durch Streufelder im Wirkungsgrad beeinträchtigt. Sie erwärmen sich stärker und stören die Umgebung durch lautes Brummen. Die Generatoren in den Kraftwerken reagieren ebenfalls empfindlich auf die ungünstige Kurvenform im Stromnetz. Da lange Freileitungen die Oberschwingungen dämpfen, trifft dies besonders die kleineren Kraftwerke in Verbrauchernähe, wie z. B. Blockheizkraftwerke.

Die Normungsgremien arbeiten seit über 10 Jahren daran, die in das Niederspannungsnetz zurückwirkenden Oberschwingungen auf ein verträgliches Maß zu begrenzen. So wurden die maximal zulässigen Oberschwingungen ermittelt, bei denen gerade noch keine störende Beeinträchtigung von Transformatoren und Generatoren und keine Gefährdung von Nulleitern in Drehstrom-Kabeln gegeben ist. Gleichzeitig sollten die angeschlossenen Fernsehgeräte, Monitore usw. nicht durch harte Auflagen unzumutbar verteuert werden. Es mußte also ein Kompromiß zwischen den Energieversorgung-Unternehmen und den Stromkunden gefunden werden.

Die jetzt gültige Norm EN 61000-3-2 besagt, daß Geräte mit einem Eingangsstrom entsprechend Bild 2 und einer Eingangsleistung bis zu 600 Watt in Klasse D fallen. Geräte ab 75 Watt Leistungsaufnahme müssen ab dem 1.1.2001 genau festgelegte Grenzwerte einhalten. Fernsehempfänger ab 70 cm und die meisten PCs und Monitore ab 15 Zoll verbrauchen über 75 Watt und fallen damit unter diese Regelung. Die in großen Stückzahlen verkauften Fernsehgeräte mit Bildröhren von 37 bis 55 cm verbrauchen weniger und sind noch nicht betroffen. Erst 4 Jahre später gelten diese Vorschriften auch für Geräte ab 50 W. Leider wurden die Vorschriften immer wieder verschoben und kommen schon fast zu spät. Eine spürbare Verringerung der Oberschwingungsbelastung ist erst etliche Jahre nach Inkrafttreten zu erwarten, da die bestehenden Fernsehgeräte eine Betriebsdauer von 10 Jahren (Bürogeräte 5 Jahre) haben. Auch sind die Grenzen relativ harmlos. Die Strom-Qualität eines bestimmtes Gerätes läßt sich am “Leistungsfaktor” ablesen. Das ist das Verhältnis der Wirkleistung (W) zur Scheinleistung (VA). Normale Fernsehgeräte liegen knapp über 50 %, die neuen Grenzwerte entsprechen etwa 70 % und moderne Lösungen erreichen 90 bis 95 %.

Alle Lösungsvorschläge müssen vor dem Hintergrund der Mehrkosten bewertet werden. Fernsehgeräte und Monitore stehen heute unter einem enormen Preisdruck. Sonderangebote wie 699,- oder 799,- DM für ein 70 cm Gerät sind an der Tagesordnung. Deshalb kann man die Hersteller verstehen, wenn sie sich weigern, auch nur 5,- DM für zusätzliche Bauteile auszugeben. Die 5,- DM werden im Verkaufspreis etwa 15,- DM und ein Preis von 714,-DM ist praktisch nicht durchsetzbar. Der Mehraufwand ginge also voll zu Lasten der Gewinnspanne.

Schaltet man in den Netzeingang des Gerätes eine größere Drosselspule mit Eisenkern, so kann man die einzelnen Stromimpulse in Bild 2 etwas verlängern und die Oberschwingungen unter die Grenze drücken. Nachteile sind Kosten von 3 bis 8,- DM, das Gewicht und die Baugröße der Spule. Das magnetische Streufeld kann die Farbreinheit der Bildröhre stören.

Eine weitere Lösung ist der aktive Power Faktor Controller (PFC). Dies ist ein zusätzliches Schaltnetzteil, das sinusförmigen Strom aufnimmt und eine Zwischen-Gleichspannung von etwa 400 Volt abgibt. Ein zweites Schaltnetzteil, ein üblicher Sperrwandler, erzeugt daraus die stabilisierten Ausgangsspannungen. Diese zweistufige Schaltung ist die seit vielen Jahren bekannte Standardschaltung zur Begrenzung der Oberschwingungen. Nachteile sind die beträchtlichen Mehrkosten, das größere Bauvolumen und der etwa 10 % geringere Wirkungsgrad.

Dieses Schaltnetzteil basiert auf dem Sperrwandler mit TDA 4605, der mit etwa 200 Millionen Stück weltweit zu den erfolgreichsten zählt. Die Schaltung wurde so verändert, daß sie gleichzeitig als PFC arbeitet und nahezu perfekten Sinusstrom mit einem Leistungsfaktor von 94 % aufnimmt. Die geforderten Grenzwerte für Oberschwingungen werden also mit großem Sicherheitsabstand erfüllt. Der Sinus-Sperrwandler ist die bisher erste Schaltung, die ohne zusätzlichen Materialaufwand gebaut werden kann. Bei Geräten für höhere Leistung und weiten Netzspannungsbereich lassen sich sogar deutliche Einsparungen erzielen.

Mit sinusförmigen Strom wird die Verschmutzung des Netzes durch Oberschwingungen vermieden und die elektromagnetischen Störfelder werden reduziert. Wissenschaftlich ist noch nicht erwiesen, ab welcher Feldstärke und Frequenz ein schädlicher Einfluß gegeben ist. Aus der Fülle der Veröffentlichungen läßt sich aber die Tendenz herauslesen, daß die von Oberschwingungen erzeugten Felder physiologisch vielfach ungünstiger sind als bei sauberem Sinusstrom. Z. B. haben die von den pulsförmigen Strömen ausgehenden magnetischen Felder eine viel stärkere Auswirkung auf empfindliche medizinische Implantate. Auch ein sauberes Stromnetz ist ein Beitrag zur sauberen Umwelt.

Dipl.-Ing. Rainer Dangschat
Jahnstr. 8
85652 Landsham
Tel. (089) 9032907
Fax (089) 9037567