Leichtgewichtige Netzteile für hochsensible Verstärker Wenn Gammastrahlen die Lichtmauer durchbrechen

Es kommt gar nicht so selten vor: Ein Gerät wird konzipiert und am Schluss stellt sich heraus, dass ein – normales — getaktetes Netzteil doch die empfindliche Elektronik stört, ein Linearregler aber zu groß oder zu schwer ist oder zu viel Energie verschlingt. Kniel System-Electronic hat deshalb ein Low-Emission-Netzteil entwickelt, das die Vorteile von Primärschaltreglern mit denen von Linearreglern kombiniert. Es eignet sich so zur störungsfreien Versorgung hochsensibler Messtechnik – wie die Präzisionssensorik des MAGIC-Teleskops auf La Palma.

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Schaltnetzteile erzeugen normalerweise beim hochfrequenten Takten des Stroms gleichzeitig hochfrequente Störanteile. Trotz Filter und Entstörmaßnahmen reagieren empfindliche Messgeräte darauf mit Messfehlern und Störungen. Bei Linearreglern ist dies zwar nicht zu befürchten, allerdings muss man dann schlechte Wirkungsgrade, große Geräteabmessungen und ein hohes Gewicht der Stromversorgung in Kauf nehmen.

Kein Wunder also, dass sich so genannte Low-Emission-Netzteile in immer mehr Anwendungsbereichen durchsetzen. Sie kombinieren die Vorteile von Primärschaltreglern mit denen von Linearreglern und eignen sich auch für hoch sensible Messtechnik.

So genannte Lichtquanten zeugen von gewaltigen Explosionen im Weltall. Sie sind etwa 1000 Milliarden Mal energiereicher als das sichtbare Licht. Auf der Kanareninsel La Palma will ein europäisches Forscherteam die Quellen dieser Gammastrahlen aufspüren. Hier steht auf dem Roque des Muchachos, dem höchsten Vulkan der Insel, das MAGIC-Teleskop. Die Buchstaben des Namens stehen für „Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescope“ und mit einer Spiegelfläche von 247 m² ist es das größte Cherenkov-Teleskop der Welt. Es hat einen Durchmesser von 17 m und besteht aus 1000 diamantgeschliffenen Aluminium-Spiegeln mit einer Größe von je 50 × 50 cm. Jeweils vier Spiegel sitzen auf einer steuerbaren Platte, um eine variable Ausrichtung zu gewährleisten. Die Instrumente des Teleskops sind in der Lage, kosmische Gammastrahlung zwischen 30 GeV und 30 TeV indirekt zu beobachten. (1 GeV = 1 Gigaelektronenvolt = 1.60217646 × 10-10 Joules.)

Der Cherenkov-Effekt oder die Schallmauer des Lichts

Bei der Suche nach Gammastrahlung macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass Gammastrahlen zwar von der Erdatmosphäre absorbiert werden, dabei aber die so genannte Cherenkov-Strahlung abgeben. Diese Strahlung entsteht immer, wenn sich geladene Teilchen in einem Medium schneller bewegen als das Licht in diesem Medium. Das Cherenkov-Licht ist somit vergleichbar mit dem Überschallknall, den Flugzeuge erzeugen, wenn sie sich schneller als der Schall fortbewegen. Die kurzen und schwachen Lichtblitze der Cherenkov-Strahlung erreichen die Erdoberfläche und lassen sich in klaren mondlosen Nächten mit besonders empfindlichen Sensoren bzw. Kamerasystemen beobachten.

Da diese Messtechnik hohe Anforderungen an die Versorgungsspannung stellt, werden in der beschriebenen Anwendung dafür ausschließlich Low-Emission-Netzteile von Kniel aus Karlsruhe eingesetzt. Siegfried Schmidl, verantwortlicher Projektleiter beim Max-Planck-Institut für Physik in München, erläutert die Zusammenhänge: „Die Linearität der Spannung ist in der Teilchenforschung von signifikanter Bedeutung, da die zu messenden Teilchen sehr kleine Signale erzeugen und dadurch jeder größere Ripple oder Spike eine Verfälschung der Messung zur Folge hätte. Erschwerend kommt noch hinzu, dass auch die exponierte Lage hohe Anforderungen an die eingesetzten Stromversorgungen stellen. Sie müssen witterungsbeständig, temperaturunabhängig und obendrein auch noch möglichst leicht sein.

Das geringe Gewicht ist obligatorisch, da die Stromversorgungen quasi wie in einem „Rucksack“ direkt an den beweglichen Paneelen montiert sind.“ Linearregler, die zwar die benötigte Spannungsqualität liefern, kamen darum für die Applikation praktisch nicht in Frage, da sie nicht nur deutlich größer, sondern auch wesentlich schwerer als die jetzt eingesetzten Low-Emission Netzteile sind.

Schaltnetzteile mit Linearregler-Qualität

„Auf Grund dieser Vorgaben haben wir uns nach eingehender Begutachtung des Marktes und umfangreicher Tests, für die Low-Emission Netzteile aus Karlsruhe entschieden. Sie bauen vergleichsweise klein, sind leicht und ihre Ausgangsspannung hat eine ähnlich gute Qualität wie die von Linearreglern,“ ergänzt Schmidl. Dabei ist die Funktionsweise der störfesten Netzteile vom Prinzip her einfach zu verstehen:

Bei konventionellen Schaltnetzteilen liegt die Quelle der hochfrequenten Störungen im Funktionsprinzip begründet. Kompakte Ausführung und hohe Regelgüte erfordern möglichst hohe Schaltfrequenzen. Hierbei entstehen immer hochfrequente, periodische Störimpulse. Je höher die Schaltfrequenz und je steiler der Anstieg der An- und Abschaltflanken von Strom und Spannung ist, um so größer wird der HF-Anteil im Störspektrum.

Die Low-Emission-Netzteile funktionieren prinzipiell wie Schaltnetzteile, vermeiden aber Hauptursachen für die Entstehung von HF-Störungen. So arbeiten die Netzteile zum einen nach dem Resonanzprinzip mit einer optimierten Schaltfrequenz, zum anderen reduzieren weiche Schaltflanken zusätzlich die Bedingungen zur Entstehung von HF-Anteilen. Die so erzeugte Ausgangsspannung ist daher ohne Weiteres mit der eines Linearreglers zu vergleichen. Aufwändige Entstörmaßnahmen entfallen, denn was nicht entsteht, muss auch nicht beseitigt werden. Die Vorteile der Schaltregler wie galvanisch getrennte Ein- und Ausgänge und ein Wirkungsgrad von 75 bis 84 Prozent bleiben erhalten. Die Koppelkapazitäten zwischen Primär-, Sekundärseite und Erde sind minimal.

Störungsfreier Betrieb bei niedrigem Energieverbrauch

Als Gütekriterium solcher Netzteile kann der Störstrom gegen Erde dienen, je kleiner der Störstrom, um so geringer die Beeinflussung empfindlicher Geräte. Ein Vergleich zwischen Low-Emisson- und herkömmlichem Schaltnetzteil zeigt deutlich die Vorteile. Die Low-Emission-Schaltregler können dadurch in fast allen Fällen herkömmliche Längsregler ersetzen. Im statischen Betrieb sind die Ausgangsdaten vergleichbar, im dynamischen Betrieb verhalten sich die smarten Netzteile ähnlich wie Schaltregler. „Ein störungsfreier Betrieb der empfindlichen Sensorik des MAGIC-Teleskops ist so bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch sichergestellt“, freut sich Schmidl.

Da sie sehr kompakt bauen, benötigen sie nur vergleichsweise wenig Einbauplatz und beeinträchtigen durch ihr geringes Gewicht auch bei der Montage in luftiger Höhe, Konstruktion und Beweglichkeit des Teleskops nicht. Wären die Stromversorgungen schwerer, hätte dies unweigerlich Auswirkungen auf die komplette Konstruktion gehabt. „Auch die beim Außeneinsatz zwangsläufig rauen Umgebungsbedingungen beeinträchtigen die Funktion der Stromversorgungen nicht. Sie haben sich beim Teleskop-Einsatz damit bestens bewährt,“ so Schmidl abschließend.

Dieter Bretschneider, Geschäftsführer Kniel System-Electronic und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

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