Mobile elektronische Geräte bestimmen unser Leben und unsere direkte Umgebung, ja unsere Lebensweise immer mehr. Viele dieser nützlichen kleinen Spielzeuge begleiten uns auf Schritt und Tritt, und werden von Batterien gespeist. Und mit allen diesen Geräten wird mindestens ein Ladegerät mitgeliefert, die alle irgendwo eingesteckt werden wollen. Und da bleiben diese auch normalerweise, und verbringen die meiste Zeit im Standby. Im Durchschnitt sind das pro Haushalt zwischen 5 und 12 Ladegeräte.
* Fairchild Semiconductor
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Die EU-Kommission hat dies zum Anlass genommen, neue Richtlinien zu erlassen, um sowohl die finanziellen, als auch die Umwelt-Auswirkungen deutlich zu verbessern. Diese sind als Teil der EuP-Richtlinien derzeit in Arbeit. Eine der 14 Initiativen ist spezifisch auf Ladegeräte und externe Netzteile ausgerichtet. Wenn man von einer geplanten Verkaufszahl von 800 Millionen Stück in 2010 sowie einer bereits installierten Basis von 2,9 Milliarden Geräten (geschätzt) allein in Europa ausgeht, ist der Einfluss von jedem gesparten Milliwatt oder Gramm umweltgefährdender Substanzen offensichtlich. Darüber hinaus ermöglicht dies für die Endverbraucher geschätzte Einsparungen bei den Energiekosten in Höhe von 7,8 Milliarden Euro.
Die erreichbaren Einsparungen sind beeindruckend: Wenn die Ladegeräte auf dem heutigen Stand der Technik stehenbleiben würden, läge der geschätzte Ausstoß von Kohlendioxid (äquivalent) bei circa 26 Millionen Tonnen, und dem stände zusätzlich noch eine Gesamt-Ausgabe von 12,6 Milliarden Euro gegenüber. Würde die beste zur Verfügung stehende Technologie verwendet, könnte Umweltbelastung und Kosten auf circa 22 Millionen Tonnen Kohlendioxid und 10.5 Milliarden Euro reduziert werden. Ein pikantes Detail: Für den Transport der Ladegeräte wird mehr Energie verbraucht und Kohlendioxid erzeugt als diese im eigentlichen Betrieb verbrauchen. Und, circa 58% der Energie, die im Betrieb verbraucht wird, wird im Standby "verheizt", nur 42% wird wirklich genutzt. Wenn man annimmt, dass der Leistungsverbrauch im Standby-Betrieb wesentlich geringer ist als im Ladebetrieb, wird klar, dass die meisten dieser Geräte tatsächlich irgendwo einsteckt und vergessen werden.
Mit jedem gekauften Mobiltelefon wird mindestens ein Ladegerät mitgeliefert. Dies liegt daran, dass die meisten Mobiltelefonhersteller spezielle Stecker verwenden, so dass nur die eigenen Ladegeräte angeschlossen werden können. Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Sicherheit - ältere Generationen von Li-Ion-Batterien lassen sich sehr einfach überladen und können explodieren, wenn die Aufladung nicht richtig erfolgt. Da sich die eigentliche Batterieladeschaltung bisher meist im Ladegerät und nicht im Telefon befand, war das Risiko, ein ungeeignetes Ladegerät zu benutzen, einfach zu hoch. Diese Topologie wurde gewählt, um die von der Ladeschaltung erzeugte Verlustleistung aus dem Telefon herauszuhalten. Heute ist der Wirkungsgrad der eingebauten Ladeschaltungen deutlich besser, so dass ein neuer Standard auf der Basis der Micro-USB-Schnittstelle definiert werden konnte.
Dieser Standard bedeutet, dass diese Schnittstelle eine Spannung von 5V +/- 5 % sowie einen Strom zwischen 500mA und 1500mA liefern kann. Die eigentliche Ladeschaltung für die Batterie befindet sich jetzt im Telefon. Gegenwärtig deckt dieser neue Standard Datenfähige Mobiltelefone ab - einfachere kostengünstige Telefone und sehr kleine Baugrößen, wie Armbanduhr-Telefone, werden derzeit nicht berücksichtigt.
Es ist wichtig zu verstehen, dass dieser Standard keine Pflicht ist, sondern eine Vereinbarung, die von der EG vorangetrieben wurde und die bis Juli 2009 schon von 10 Unternehmen unterzeichnet wurde. Hierzu gehören Apple, LG, Motorola, NEC, Nokia, Qualcomm, Research in Motion, Samsung, Sony-Ericsson und Texas Instruments. Da dies die größten Mobiltelefonhersteller sind, dürfte die Vereinbarung Einfluss auf den gesamten Markt haben. Der Vorteil für den Endanwender besteht darin, dass sich dann alle unterschiedlichen Telefone mit einem Ladegerät aufladen lassen, was das Leben etwas vereinfacht. Damit wird sich auch die Lebensdauer der Ladegeräte verlängern und somit zu einer starken Reduzierung des Mülls und der Umwelteinflüsse führen.
Die drei hauptsächlich verwendeten Topologien für Ladegeräte sind der "Ringing choke converter (RCC)", der Flyback-Konverter und ein Derivat von letzterem, der primärseitig geregelt wird. Früher wurden auch lineare Netzteile mit 50Hz-Transformatoren genutzt. Diese werden hier allerdings nicht weiter betrachtet, da sie schwerwiegende Nachteile wie hohes Gewicht, Standby-Stromverbrauch und hohe Kosten aufweisen. Damit sind sie unter Ökodesign-Gesichtspunkten als schlecht einzustufen. Die drei wichtigen Topologien werden in nachfolgender Tabelle miteinander verglichen:
Topologien für Ladegeräte im Vergleich
| Topologie | Wirkungsgrad | Standby-Verlust | Größe & Gewicht | Material-Kosten | Schutz-Funktionen | Regelungs-Qualität |
|---|---|---|---|---|---|---|
| RCC | ++ | + | +++ | + | + | + |
| Flyback | +++ | +++ | ++ | ++ | +++ | +++ |
| PSR | +++ | +++ | +++ | +++ | ++ | ++ |
Der RCC-Konverter ist der beste hinsichtlich Schaltungs-Komplexität und dadurch natürlich auch bezüglich Größe, Gewicht und Kosten, hat aber keinerlei Schutzfunktionen und benötigt einen Regler auf der Sekundär-Seite, um die Batterien gegen Überladung zu schützen, was diese gar nicht mögen. Die Standby-Verluste eines RCC sind hoch, da dieser Konverter zwischen dem kontinuierlichen und diskontinuierlichen Modus hin- und herwechselt. Damit steigt die Schaltfrequenz bei niedriger Ausgangslast an, was zu hohen Schaltverlusten führt.
Die Flyback- und PSR-Konverter sind auf dem Stand der Technik hinsichtlich Wirkungsgrad und Ruhe-Verluste. Der PSR- oder primär-geregelte Konverter verwendet die Spannung der Hilfswicklung des Transformators (die normalerweise zur Versorgung des ICs genutzt wird), um die Ausgangsspannung zu erkennen und zu regeln, was die Anzahl der Bauelemente erheblich reduziert. Da aber die Ausgangsspannung nicht direkt erfasst wird, sind ein hoher Genauigkeitsgrad und eine Überspannungs-Schutzfunktion für den Ausgang nicht einfach zu erreichen.
Die PSR-Schaltung ist mittlerweile der klare Gewinner bei modernen Ladegeräten. Auf Grund der Forderung nach einer geringen Baugröße sollten möglichst wenige Bauteile verwendet werden, was ganz klar für das PSR-Konzept spricht. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Anzahl der Durchbrechungen der Isolierung zwischen der Primär- und Sekundärseite hier auf nur ein einziges Mal reduziert werden konnte, und zwar im Transformator. Dies ist ein bewährtes Design-Konzept. Damit kann der Design- und Qualifikationsaufwand auf Baugruppenebene reduziert werden.
Auf der linken Seite der Schaltung ist ein sehr kleiner EMI-Filter dem Brückengleichrichter und dem Ladekondensator vorgeschaltet. Der PSR-Controller sitzt mitten in der Schaltung und steuert einen Power-MOSFET. Als Controller wird ein FAN102 verwendet, ein eigenständiges Controller-IC. Über dem Controller befindet sich die Hilfsstromversorgungsschaltung. Die Spannung auf der Hilfswicklung wird auch verwendet, um die Ausgangspannung zu messen. Auf der Sekundärseite werden nur ein Gleichrichter und ein Kondensator benötigt.
Der Controller ist auch in einer Version mit integriertem MOSFET erhältlich, was weitere Platzeinsparungen ermöglicht. Die PWM-Frequenz ändert sich innerhalb eines kleinen Fensters, was ein besseres EMI-Verhalten gewährleistet. Die Anlauf- und Betriebsströme sind sehr gering, wodurch sich eine niedrige Leistungsaufnahme während des Betriebs und damit ein besser Wirkungsgrad ergibt. Der Strom wird über eine Peak-Mode-Steuerung geregelt, was eine inhärente Strombegrenzung zwischen den einzelnen Perioden ermöglicht und die Systemzuverlässigkeit verbessert. Viele verschiedene Schutzfunktionen sind bereits in den Controller integriert, wie ein Überspannungs- und Übertemperaturschutz. Eine konfigurierbare Kabelkompensation erlaubt eine Korrektur des Spannungsabfalls über dem Kabel zwischen dem Ladegerät und dem Mobiltelefon.
Derartige Ladegeräte arbeiten je nach Netzspannung mit einer Standby-Leistung von 70 mW oder weniger. Bild 2 zeigt den Wirkungsgrad bei einem Ausgangsstrom von 700 mA über den vollen Netzspannungsbereich: Der Wirkungsgrad liegt für den ganzen Bereich bei über 80 %, wodurch die eigene Leistungsaufnahme für eine mit der Netzspannung verbundene Schaltung bei weniger als 700 mW liegt.
Bild 3 zeigt das Verhalten auf der Ausgangsseite, wo sowohl die Spannungs-, als auch die Stromgrenzwerte in einem +/- 5 % Toleranzfenster eingehalten werden. Die Batterie wird dadurch mit einem Konstantstrom geladen (vertikaler Teil des Diagramms) und erst wenn die Spannung einen bestimmten Wert übersteigt, schaltet die Ladeschaltung auf Konstantspannung um. Dadurch geht der Strom zurück, sobald die Batterie nahezu voll ist. Dies ist der entscheidendste Punkt der Batteriespezifikation, da ein Überladen der Batterie aufgrund einer zu hohen Spannung zu den anfangs unerwünschten Effekten führen kann.
Im Rahmen einer EuP-Analyse spielen aber nicht nur die Verluste und Wirkungsgrad eine Rolle, der Materialbedarf ist für die Bestimmung der Lebenszykluskosten ebenfalls ganz erheblich. Eine weitere Forderung an Ladegeräte, die hier eine wichtige Rolle spielt, ist eine geringe EMI, um sowohl hörbare Geräusche als auch Emissionen, die andere Geräte stören können, zu verhindern. Eine Topologie, die von vornherein solche unerwünschten Signale verringert, hat daher Potential für bessere Lebenszykluskosten, da der Filter insbesondere am Eingang kleiner und leichter ausfallen kann. Und das hilft auch nochmals beim Wirkungsgrad.
Mit verringerten Standby-Verlusten und Schaltverlusten ist es offensichtlich, dass die Standby-Verluste unter fast allen Bedingungen unter 70 mW liegen, was einem Drittel der Ziele der EU-Standby-Initiative entspricht. Wenn ein solches Ladegerät in irgendeiner Steckdose vor sich hin warten würde, zum Beispiel 5 Jahre lang, würde die eingesparte Energie von 230 mW eine Einsparung ergeben von: 230mW * 5 Jahre * € 0,21 / kWh = € 2,11. Dies entspricht vermutlich in etwa den Materialkosten solch eines Ladegeräts.
Öko-freundliche Ladegeräte sind heute möglich, selbst wenn die Implementierung der besseren Technik nicht immer auch auf Komponenten-Ebene billiger ist – die Einsparpotentiale sind vor allem im Rahmen einer Lebenszykluskosten-Diskussion zu verstehen. Und was die potentiellen Einsparungen an Verlustleistung im Betrieb angeht, scheinen die Vorteile der PSR-Technik nicht riesig, bei der enormen Anzahl von Mobiltelefonen multipliziert sich das aber sehr schnell auf. Das ist bares Geld in den Taschen der Verbraucher.
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