Produkttest

Roline Mini USV Test

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Produkttest und technische Beschreibung einer Mini USV: rotronic Roline UPS (300 VA/165 W).


Produkttest und technische Beschreibung einer Mini USV: Roline UPS (300 VA/165 W), hergestellt bzw. geliefert von der Firma rotronic messgeräte gmbh, 76275 Ettlingen (www.rotronic.ch / www.rotronic.de). USV bedeutet "Unterbrechnungsfreie Strom Versorgung". Diese wird zwischen der 230V AC Netzsteckdose und dem zu schützendem Gerät geschaltet.
Fällt der Strom aus, oder sind zu starke Schwankungen oder Störungen im Stromnetz, übernimmt die USV über eine Notstromversorgung (Akku) das 230 V AC Netz des oder der angeschlossenen Geräte. USV Anlagen gibt es von ganz klein, bis hin zu großen Anlagen bis 500 kW (z.B. von APC) oder sogar bis über 1000 kW (eigentlich jeweils kVA) von Eaton, jeweils über Akkus "befeuert", und sind somit für die verschiedensten Aufgaben geeignet.

Für viele Unternehmen und manchmal auch für Privatleute ist heute eine garantiert unterbrechungsfreie Stromversorgung im Falle eines öffentlichen Stromausfalles entscheidend. Der Verlust von Daten im HighTech-Bereich, oder in der Kommunikation aber auch im privaten Bereich kann enorme wirtschaftliche und unter Umständen auch ganz allgemein negative Folgen haben - und wenn man sich als Privatmensch einfach nur ärgert. Das muss alles heute nicht mehr sein.

Für ein kleines IT Gerät (ein AVM Router/Modem) wollte auch ich ab dem Jahr 2011 eine Sicherheit gegen Stromausfall haben, und suchte nach einer sehr kleinen, leichten und somit handlichen USV, die auch selber praktisch kaum Eigenstromverbrauch hat. So konnte ich im Notfall wenigstens telefonieren und auch ins Internet gehen. Diese USV Geräte - wenn sie so klein sind wie hier vorgestellt - sind gar nicht so einfach zu finden...

...doch ich wurde bei einem Shop fündig, und fand eine kleine USV, welche optisch aussieht wie eine 3 fach Steckdose - nur eben etwas dicker. Die USV gefiel mir aber gleich richtig gut. Es handelte sich um die handliche Mini USV von Roline vom Typ UPS ( mit 300 VA bzw. 165 W).

Die Mini USV, Gehäuse geöffnet
Bild oben: Die USV, hier bereits geöffnet, Gehäuse liegt noch drauf.

Das Gerät ist ca. 2 kg leicht. Vorgesehen ist die USV für sehr kleine Geräte (z.B. kleine Computer) oder z.B. für Telefonanlagen oder auch Router bzw. vergleichbare IT Geräte die wenig Strom benötigen, aber eben gegen Stromausfall abgesichert werden sollen. Wir haben hier zwar eine autarke Stromversorgung, welche noch niemals ausgefallen ist, aber man kann ja nie wissen... Außerdem interessiert mich einfach die Technik einer so kleinen handlichen und modernen USV (USV = Unterbrechungsfreie Strom Versorgung).

Die Technik der Mini USV
Bild oben: Die Technik der Mini USV zeigt sich.

Das Besondere an dieser USV - früher kaum bei USV anzutreffen, heute immer öfter vorhanden - ist auch eine Kaltstartfunktion. Damit kann der Ausgang mit Wechselstrom versorgt werden, ohne das die USV zuvor an ein Stromnetz angeschlossen werden muss. Diese Funktion ist im Prinzip genial, denn so kann man eine USV einfach mitnehmen, um sie später - egal wo man gerade ist, und egal ob gerade Netzstrom vorhanden ist oder nicht - die USV jederzeit aktivieren.

Es sollte sich später noch herausstellen, dass genau diese Eigenschaft für einen späteren LTE Test (in 2013 und 2014) mit einer Fritzbox 6840 LTE genial ist, denn so konnte ich mit der Fritz-Box im PKW testweise durch die Landschaft fahren, und hatte ausreichend Strom für die Box, die selber nur rund 10 Watt an Aufnahmeleistung benötigt. Das schaffte auch eine so kleine USV min. 1 Stunde, wenn der Akku zuvor voll geladen war. So konnte ich also genial das vodafone LTE Netz im PKW unterwegs testen.

Ebenfalls vorhanden für die Mini USV ist eine serielle Schnittstelle, sowie eine CD mit Software, um angeschlossene Geräte herunter fahren zu können, falls ein Notfall (Stromausfall) auftritt, und die Akkus der USV zu neige gehen. Dann muss ja was passieren, da ja sonst der Stromausfall nur heraus gezögert werden würde.

Preise: Stand 2014: 79,- Euro, wird jedoch kaum noch angeboten.

Technik:

So, nun wird es - für mich als gelernter IT Meister zumindest - interessant. Ich hoffe, auch für einige anderer meiner Leser. Es handelt sich zwar um recht einfache, aber doch sehr effektive Technik, die wohl in Fernost (China?) produziert ist. Nun ja, anders wäre der extrem günstige Preis auch nicht realisierbar. Jeder möchte günstig einkaufen, aber leider vergißt man als Käufer, dass die Produktionskette oft aus Menschen besteht, die entsprechend schlecht bezahlt werden. Nun, das ist leider in einer Marktwirtschaft nicht zu ändern, aber es ist auf jeden Fall sehr schade.

Technik der Mini USV noch detaillierter
Bild oben: Noch detailiertere Technik der Mini USV zeigt dieses Bild.

Da ein Schaltbild dieser USV zumindest mir nicht vorliegt (weiter unten ein selbst entwickeltes, vergleichbares System) und wohl auch nicht so ohne weiteres zu beschaffen ist, musste ich versuchen durch zerlegen (ohne zu zerstören) und analysieren der Technik, sowie messen an einigen Punkten der Schaltung was zur Funktion rauszufinden.

Funktionsweise

Das Gerät leistet zwar nicht sehr viel (300 VA bzw. 165 Watt), hat aber keinen (schweren) Eisentrafo. Statt dessen wird - hier nicht aus einem 12 V Akku, sondern aus einem wirklich sehr kleinen 6 V Akku mit auch nur 5 Ah Kapazität - über einen DC DC Wandler eine Spannung von rund 330 V generiert...

Faktor 55: Aus 6 V DC wird 330 V DC

...dazu wird fast immer (auch hier) ein Gegentaktwandler verwendet, der aus einem galvanisch getrennten (Eingang zu Ausgang) HF-Trafo besteht, welcher min. am Eingang eine Mittelanzapfung hat, welche an +6 V DC des Akku liegt. Die beiden äußeren Wicklungen sind identisch, haben nur wenige Windungen (vermutlich ca. 5 Windungen) und werden mit min. 25 kHz Taktfrequenz welchselweise an Masse gelegt. Und zwar mit einer SNT (Schaltnetzteil) Ansteuerschaltung, mittels PWM, welche oben genannte Gegentaktstufe ansteuert (2 x MOSFet).

Am Ausgang des HF-Trafos (Sekundärwicklung: Ausgangswindungszahl entsprechend der Ausgangsspannung) entsteht die höhere Windungszahl eine entsprechend höhere Spannung mit einer Frequenz von min. 25 kHz. Man kann auch am Ausgang des HF Trafos (Leistungstrafo, aber klein da hohe Frequenz) eine Mittelanzapfung verwenden, und braucht dann nur zwei Dioden zur Gleichrichtung der rund 330 V DC Ausgangsspannung (= ZK = Zwischenkreisspannung). Ansonsten braucht man 4 Dioden. Bedingt durch die sehr hohe Schaltfrequenz des HF-Trafos (Ferritmaterial), kann (und wird) dieser Trafo bei gleicher Leistung min. um den Faktor 10 kleiner und leichter ausfallen, als bekannte 50 Hz Eisen-Netztrafos. Denn umso höher die Frequenz (der Trafo muss das natürlich auch übertragen können), umso kleiner kann der Trafo ausfallen. Die 4 folgenden Transistoren können auch bipolare Typen sein. Es handelt sich bei um eine H-Brücke, genau genommen um zwei Halbbrücken, die dann auch als Vierquadrantensteller bezeichnet wird. So eine Endstufe (mit 4 Transistoren / 4 Vierquadrantensteller) zerhackt diese 330 V DC in eine beliebige Wechselspannung. In der Energietechnik wird eine vergleichbare Endstufe (3 fach Halbbrücke / 6 Transistoren) verwendet, um 400 V Wechsel-Drehstrom aus Gleichspannung zu erzeugen, dies nur am Rande :-)

Üblicherweise verwendet man noch eine Speicherdrossel zwischen den Gleichrichterdioden und dem Speicherelko, welche die 330 V ZK speichert, bzw. siebt, also glättet. Damit kann der Wirkungsgrad im Teillastbereich verbessert werden. Der Ausgang (die 330 V DC) sollte (eigentlich) geregelt sein. Je nach Belastung wird somit am Eingang die Pulsbreite (PWM, Puls Wide Modulation) verändert. Damit ist die DC Spannung (ZK = Zwischenkreisspannung) von 330 V immer konstant, egal wie diese gerade belastet wird, und ob gerade ein ganz voller oder ein fast leerer Akku am Werk ist. Auf so eine Regelung wird jedoch in vielen Fällen, wenn es einfach, schnell und günstig sein soll, verzichtet. Die Regelung wird dann (alleine oder zusätzlich) in der zweiten Stufe ausgeführt, dort wo aus der 330 V DC die 230 V AC generiert wird...

Weitere Technik der Mini USV, hier die Controllerseite

Bild oben: Die Controllerseite der Mini USV Technik. Rechts sieht man zwei Transistoren auf dem Kühlblock, dahinter sind noch zwei weitere, also 4 Stück. Das ist die 6 V Gegentaktendstufe (Vierquadrantensteller), welche die 6 V DC mit oberhalb 25 kHz (nicht gemessen, nur geschätzt) auf den Wandlertrafo gibt, welcher links daneben ist mit gelben Isoband. Links neben dem Trafo sieht man die 4 Gleichrichterdioden, der zugehörige Siebelko ist noch weiter links. Zwischen dem Siebelko und den Gleichrichterdioden sieht man weitere 4 (ungekühlte) Transistoren, welche mit 50 Hz schalten und die 330 V DC zu 230 V AC umwandeln. Auch diese Endstufe ist ein Vierquadrantensteller.

Hintergrundinfos zur erzeugten 230V Ausgangsspannung:

Über eine Sinusspannung brauchen wir hier also (bei dieser einfachen aber wirkungsvollen und vor allem günstigen USV Schaltung) nicht zu reden. Eine "saubere" Nachbildung einer Sinus-Netzspannung ist zwar nicht wirklich viel komplizierter, aber eben auch kein einfacher Weg. Dazzu ist nur eine andere Ansteuerschaltung nötig, und am Ausgang ein paar zusätzliche Filter (Spulen, Kondensatoren). Man verwendet hier aber eine sog. "trapezförmige" und damit schon gar nicht so schlechte Wechselspannung als Ausgangsspannung dieser Mini USV Anlage, welche vom Kurvenverlauf (Oszilloskop) schon nicht so sehr weit vom idealen Sinusverlauf abweicht.

Der sehr kleine 6 V Bleigelakku mit 5 Ah der Mini USV
Bild oben: Kaum zu glauben, aber wahr: Der sehr kleine Akku der Mini USV (nur 6 V bei 5Ah). Kleiner geht es wirklich nicht.

Der Kurvenverlauf ist in jedem Fall deutlich besser, als bei einer ganz "einfachen" rechteckförmigen Wechselspannung, welche allerdings heute praktisch nicht mehr generiert wird. Übrigens, extrem viele - fast alle - einfachen Wechselrichter, z.B. von 12V DC auf 230 V AC, egal ob 150 Watt, oder 1500 Watt und mehr, liefern ebenfalls eine trapezförmige Ausgangsspannung. Sinuswechselrichter sind in jedem Fall deutlich teurer, auch heute noch. Wenn so eine trapezförmige Ausgangsspannung allerdings irgend einem Gerät schaden würde, wäre davon schon längt was bekannt geworden.

Im folgenden noch ein selbstentwickeltes Schaltbild, welches in wesentlichen Teilen mit dieser gekauften USV überein stimmen sollte.

Ein Schaltbild welches dieser Mini USV entsprechen sollte (selbstentwickelt).

Bild oben: Im oberen Drittel ist das Netzteil (mit Lademöglichkeit des Akkus) mit 230 V AC Eingang und 230 V AC Ausgang, sowie auch die Überwachung, ob die 230 V AC ausgefallen ist. Eine "Rückversicherung" ob die Elektronik in so einem Fall auch wirklich arbeitet, habe ich dort jedoch (noch) nicht eingearbeitet. Ebenfalls in dem oben eher einfachen Nachbau (das Schaltbild) ist keine Syncronisierung mit dem Netz integriert. Somit kann die Umschaltung vom Netz in den Notstrombetrieb, und auch umgekehrt zu plötzlichen Phasenwinkelumschaltungen führen, was jedoch im allgemeinen nicht weiter tragisch ist in diesem Leistungssegment.

Allerdings habe ich am Ausgang (Bildmitte) des DC DC Wandlers einen Meßwiderstand integriert, dessen Spannungsabfall ein Maß für die Belastung ist, und auch gemessen und ausgewertet wird. Ein Dauerkurzschlussschutz ist das jedoch nicht.

In der Mitte ist der DC DC Wandler, hier jedoch in einer 12 V Version, auf ca. 320 V DC. Unten dann der Zerhacker, welcher aus 320 V DC die 230 V AC (hier noch als sinusähnlich, also trapezförmig) macht.

All diese "Nachteile" (die fehlenden techn. Rückversicherungen/Überprüfungen) sind in der Rotronic USV natürlich integriert.

Hintergrundinfos (SNT / Schaltnetzteil):

Höhere Frequenzen (15 kHz und mehr) werden üblicherweise sowieso nicht als Sinusspannung übertragen, sondern immer als PWM modulierte Wechselspannung. So wie auch bei oben beschriebener Technik der USV, welches aus 6 V DC eine 330 V DC Spannung erzeugt, meist bei Frequenzen um 25 kHz oder auch deutlich mehr. Nachgeschaltet ist bei der USV dann noch die zweite Stufe, welche aus der 330 V DC dann die 230 V AC generiert.

Hintergrundinfos 230 V AC Spannung:

Warum ist die Wechselspannung - z.B. aus den 230 V AC Netzsteckdosen - eigentlich sinusförmig? Nur weil das so schön aussieht? Wohl kaum. Wer schaut sich den Kurvenverlauf schon an? Nur weil dieser Kurvenverlauf extrem wenig Störungen verursacht? Nein, leider auch nicht. Es ist ein Zufallsprodukt, denn letztlich kommt der Strom immer aus einem echten (mechanischen) Stromgenerator, welcher eben physikalisch bedingt durch die Drehbewegung des Rotors immer einen solchen Kurvenverlauf erzeugt. Rein techn. notwendig ist so ein sinusförmiger Kurvenverlauf jedoch bei praktisch keinem Gerät. Auch "besonders empfindliche" Geräte, wie z.B. Computer vertragen in aller Regel problemlos jede beliebige Kurvenform, also auch eine trapezförmige Wechselspannung. Nur sehr wenige sehr große leistungsstarke Schaltnetzteile, welche eine besonders hohe Leistungsabnahme aus dem 230 V AC Netz haben, oder spezielle Lichtsteuergeräte (Dimmer) arbeiten in aller Regel nur an einer Sinusspannung in der Weise, wie man es erwartet.