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Auswahl der richtigen Stromversorgung

Erstellt von Bianca Aichinger, Product Marketing Manager, RECOM Power GmbH |

Im Laufe eines jeden Projekts stellt sich dem Entwickler irgendwann die Frage nach der passenden Stromversorgung für seine Applikation. Immer kürzere Entwicklungszyklen, strengere Spezifikationen und knappere Budgets erschweren dabei die Auswahl. Der Artikel möchte einen Überblick geben, welche Details man bei der Wahl beachten sollte.

Die Stromversorgung ist das Herzstück jeden elektrischen Systems und doch wird häufig erst im letzten Moment an sie gedacht. Die Entscheidung für das richtige Netzteil scheint einfach: Man nehme ein Gerät mit der passenden Ausgangsspannung und -leistung und zu einem möglichst günstigen Preis. Doch um am Ende eine zufriedenstellende Lösung zu haben, sollte man etwas genauer hinsehen.

Weiter Eingangsbereich für unterschiedliche Nennspannungen

In der Regel werden Netzteile aus dem öffentlichen Netz oder industriellen Versorgungsnetz versorgt. In seltenen Fällen kommt auch ein Stromgenerator zum Einsatz. Die Nennspannungen des öffentlichen Netzes sind weitgehend standardisiert. Während in Europa die Netznennspannung 230VAC/50Hz ±10% beträgt, so gibt es außerhalb Europas zahlreiche andere Standards. In den USA sind 120VAC/50Hz gebräuchlich, während in China 220VAC/50Hz aus der Steckdose kommen. Das gewählte Netzteil sollte im Idealfall alle diese Nennspannungen und deren Randbereiche abdecken. Daraus ergibt sich ein Betriebsbereich von 85VAC bis 264VAC. Jedoch lohnt hier der Blick ins Datenblatt. Denn auch wenn das gewählte Netzteil bei einer Nennspannung von 230VAC einen sehr guten Wirkungsgrad von über 90% aufweist, so kann dieser bei 120VAC plötzlich bei nur noch 70% liegen.

Einfluss des Wirkungsgrads auf die Lebensdauer

Beim Vergleich verschiedener Wirkungsgradangaben klingen ein oder zwei Prozentpunkte mehr nicht nach einer wesentlichen Differenz. Auch wird man damit keine großen Energieeinsparungen erzielen können. Und doch können diese wenigen Prozentpunkte einen großen Unterschied machen. Vergleicht man beispielsweise ein Gerät mit 90% Wirkungsgrad und eines mit 92%, so sieht dies auf den ersten Blick nicht nach einer großen Abweichung aus. Betrachtet man aber die daraus resultierenden Verluste, so sind es bei dem einen Netzteil nur 8% und beim anderen 10%. Das Gerät mit 92% Wirkungsgrad hat somit um ein Fünftel weniger Verluste, welche als Wärme abgegeben werden. Manchmal reicht dieser geringe Unterschied bereits aus, um auf zusätzliche Kühlung verzichten zu können. Dies spart wiederum wertvollen Platz.

Viel wesentlicher ist jedoch, dass eine geringere Wärmeentwicklung sich positiv auf die Lebensdauer des Systems auswirkt. Denn diese hat einen direkten Einfluss auf die Lebenserwartung eines Systems. Der schwedische Chemiker Svante Arrhenius entdeckte 1889 den Zusammenhang zwischen chemischer Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur. Wobei sich aus der Arrhenius-Gleichung die Faustregel ergibt, dass eine Erhöhung der Temperatur um zehn Grad Celsius die Ausfallwahrscheinlichkeit verdoppelt. Oder anders ausgedrückt: Die Lebenserwartung halbiert sich. Daher können schon zwei Prozentpunkte mehr beim Wirkungsgrad dazu beitragen, die Lebenserwartung eines Schaltnetzteils wesentlich zu verlängern.

MTBF - Kalkulierte Zuverlässigkeit

Die Zuverlässigkeit eines Schaltnetzteils steht in engem Zusammenhang mit der MTBF (Mean Time Between Failure). Die Bedeutung der MTBF lässt sich am einfachsten anhand der sogenannten "Badewannenkurve" (Abb. 1) verdeutlichen. Diese gliedert sich in drei Bereiche: die frühzeitigen Ausfälle, die nutzbare Lebensdauer und den End of Life Abschnitt. Die MTBF deckt nur den mittleren Bereich ab; das bedeutet, dass sie sowohl die "Kinderkrankheiten" als auch die Alterungseffekte ausspart. Dadurch ist leicht erklärt, warum die MTBF für Netzteile oft mit mehreren Millionen Stunden angegeben wird.

Die MTBF kann darüber hinaus nach unterschiedlichen Normen ermittelt werden. Am geläufigsten sind dabei MIL HDBK 217F, Bellcore TR-NWT-000332 und die sogenannte "Siemensnorm" SN29500. Die Ergebnisse dieser Berechnungsmethoden unterscheiden sich teilweise gravierend. Deshalb ist es beim Vergleich von MTBF-Werten wichtig darauf zu achten, dass sie nach demselben Standard und unter denselben Konditionen (z.B. Umgebungstemperatur) ermittelt wurden.

Gemeinsam ist diesen Methoden allerdings, dass sich die MTBF des Schaltnetzteils aus der Summe der Werte der Bauteile ergibt. Deshalb hat auch der "Component Count" einen entscheidenden Einfluss auf den MTBF-Wert. So haben einfach aufgebaute Schaltnetzteile oft einen deutlich höheren MTBF-Wert. Das muss im Umkehrschluss aber nicht heißen, dass sie wirklich zuverlässiger sind.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die MTBF einen guten Vergleichswert der Zuverlässigkeit ähnlicher Geräte darstellt, aber keinerlei Aussage über die Lebenserwartung zulässt. Dies ist nur durch ausgiebiges Testen möglich.

Geprüfte Zuverlässigkeit

Eine erste Aussage lässt sich nach einem 96 Stunden Test treffen. Dieser HAST Test (Highly Accelerated Stress Test) wird in einer Klimakammer unter definierten Umgebungsbedingungen (z.B. +85°C / 95% rel. Feuchte) als sogenannter Storage Test (d.h. die Prüflinge sind nicht in Betrieb) durchgeführt. Vorher und nachher werden die Prüflinge entsprechend ihrer Datenblattparameter vermessen. Aufgrund der Unterschiede kann ein Rückschluss auf die Lebensdauer getroffen werden. 96 Stunden unter den oben genannten Bedingungen entsprechen beispielsweise einem 24/7 Betrieb von 7¼ Jahren. Zusätzlich wird oft auch ein 1000 Stunden Test, wahlweise als Storage Test (z.B. +85°C / 50% rel. Feuchte) bzw. Life Test (d.h. die Prüflinge werden im Betrieb getestet, bei maximal zulässiger Umgebungstemperatur), durchgeführt um die Ergebnisse zu verifizieren.

Stabiler Wirkungsgrad auch im niedrigen Lastbereich

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Verhalten bei verschiedenen Lastbedingungen. Häufig findet sich in Datenblättern, wenn überhaupt, nur eine Angabe eines Wertes unter Volllast. Doch ist das wenig aussagekräftig, da Schaltnetzteile so konzipiert sind, dass sie ihren besten Wirkungsgrad in der Nähe ihrer Nennleistung erreichen. Mit sinkender Last sinkt auch deren Wirkungsgrad, bis er im Leerlauf gegen Null tendiert. Gut konzipierte Netzteile hingegen bieten einen konstant hohen Wirkungsgrad, gerade auch im wichtigen mittleren und niedrigen Lastbereich.

Zuverlässige Hutschienen-Netzteile für 1-phasige oder 2- und 3-phasige Netzumgebungen

Mit der Erfahrung von vielen Millionen produzierten DC / DC- und AC / DC-Wandlern hat Recom eine Reihe von DIN-Schienen-Netzteilen entwickelt, die für maximale Lebensdauer ausgelegt sind. Um entsprechende Sicherheitspuffer zu schaffen, wurden nur Komponenten höchster Qualität verwendet, deren Betriebstemperatur weit über den für Netzteile angegebenen Werten liegt.

Die Hutschienen-Netzteile der REDIN Serie zeichnen sich durch ihre besonders schmale Bauform aus und sind zusätzlich mit einem Seitenmontagesystem ausgestattet. Dies ist besonders bei Schaltschränken mit geringer Einbautiefe von entscheidendem Vorteil. Durch ihren weiten Eingangsspannungsbereich von 85VAC bis 264VAC eignen sie sich für den weltweiten Einsatz. Aufgrund des hohen Wirkungsgrades von 93% wird nur wenig Abwärme generiert, wodurch die Netzteile ohne zusätzliche Kühlung bei Betriebstemperaturen von -25°C bis +70°C eingesetzt werden können. Die Module sind mit aktiver PFC ausgestattet und der Power Faktor liegt bei über 0.95. Sie eignen sich für n+1 Parallelbetrieb, um entweder für Redundanz zu sorgen oder um den Ausgangsstrom dauerhaft zu erhöhen. Die Module sind mit intelligenten Überlast- und Kurzschlussschutz ausgestattet, welche das Gerät abschalten sobald die maximal zulässige Temperatur erreicht wird, um permanente Schäden zu vermeiden. Die Netzteile sind zertifiziert nach IEC/EN/UL60950 und UL508.

Darüber hinaus ist für den Betrieb an 2- oder 3-phasigen Netzumgebungen die REDIN/3AC Familie neu am Markt. Sie ist auf äußerste Standfestigkeit selbst im rauen Umfeld der Prozess-Automatisierung ausgelegt, und läuft auch bei Ausfall der dritten Phase zuverlässig unter Netzspannungen von 320 bis 575VAC. Die Serie liefert wahlweise 120W; 240W; 480W oder 960W bei nominal 24Vdc mit nur 40mV Rippelstrom, bzw. 22,5-29,5Vdc justiert mittels Präzisionspotentiometer. Zur Leistungserhöhung lassen sich die Geräte ohne weitere Vorkehrungen parallel schalten, für einen Lastausgleich sorgt die droop-mode Regelung mit Strombegrenzung.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Selecting the right power supply
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