Zurückblickend auf die Geschichte der AC/DC-Netzteile waren diese groß und schwer, hatten oft Mehrfachausgänge und Kreuzregulierungen und waren obendrein teuer. Meistens war es mit einem Standardnetzteil schwierig, die richtige Leistungskonfiguration zu finden. Ein weiteres Kriterium war und ist immer noch ein schwer zu definierender Leistungsabfall bei höheren Umgebungstemperaturen, sobald ein Netzteil in eine Applikation in ein geschlossenes Gehäuse integriert wird. Und schlussendlich mussten zusätzliche Filtermaßnahmen vorgenommen werden, um die speziellen Anforderungen der Applikation und der gültigen EMV-Normen zu erfüllen.

Elektronische Großanzeigetafel im Außenbereich.

Elektronische Großanzeigetafel im Außenbereich. Fotolia

Stromversorgungen im Außeneinsatz

Die Ansprüche an eine leistungsstarke Stromversorgung sind in den letzten Jahren durch stetig steigende Auflagen in Sachen EMV, Effizienz und Kompaktheit enorm gestiegen. Beispielsweise kommen Informationsanzeigen in Skigebieten vielfach nicht mehr ohne komplett gekapselte Gehäuse aus. Die rauen Umgebungstemperaturen und Vibrationen durch Wind und Liftbetrieb verlangen nach robusten Komponenten.  Ferner sollen sich die Anzeigeeinheiten mit einem extrem flachen Design unauffällig in die vorhandene Beschilderung einbetten lassen. Direkte Sonneneinstrahlung bewirkt stark ansteigende Temperaturen in den Monitoren und wenn am Tagesende nach Sonnenuntergang die Außentemperaturen wieder rapide abkühlen, kommt es schnell zur Kondenswasserbildung im Gehäuse der Anzeige und im Netzteil. Ist die in gekapselten Applikationen eingeschlossene Luft nicht vollständig trocken oder findet durch ein undichtes Gehäuse ein Luftaustausch statt, kann die enthaltene Feuchtigkeit bei starker Abkühlung der Außentemperatur an der Gehäuseinnenwand kondensieren. Das Kondenswasser kann einen zuverlässigen Betrieb der verwendeten Elektronik/Stromversorgung beeinträchtigen. Sämtliche im Außenbereich installierte Geräte wie beispielsweise Automaten für Bahnfahrkarten, Autobahnmaut oder Parkgebühr müssen für die Kondenswasserproblematik eine Lösung finden.

Eckdaten

Die neuen Fullbrick-Netzteilmodule der Serie MACS100P von M+R Multitronik eignen sich ideal für technische Anlagen im Außenbereich, die harten Betriebsbedingungen unter Bewitterung und Vibrationen standhalten müssen. Die vollvergossenen All-in-One-Stromversrogungen leisten 100 W am Ausgang, sind platzsparend, kompakt und überlastsicher und kommen ohne zusätzliche EMV-Filter aus. Bei ausreichender Vergrößerung der Kühlfläche setzt ein Derating erst bei Umgebungstemperaturen von 55 bis 65°C ein.

Klassische Netzteiltechnik

Herkömmliche Schaltnetzteile stoßen hier schnell an ihre Grenzen und die Produktdesigner greifen auf vergossene Module zurück. Eine Lackbeschichtung von Platine und Bauteilen schützt zwar vor Feuchtigkeit und Staub, jedoch nicht ausreichend gegen die Hitze bei direkter Sonneneinstrahlung, die besonders die Kondensatoren im Netzteil extrem altern lässt.  Dieses hat einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer (MTBF, Mean time between failures) und Zuverlässigkeit des Netzteils. Je kompakter ein Netzteil wird, umso schwieriger ist auch die damit verbundene integrierte Filterung gegen elektromagnetische Störabstrahlung und zusätzliche externe Filtermaßnahmen sind unerwünscht.

Leistungsverteilung klassisch (oben) und als All-in-One-Lösung (unten).

Leistungsverteilung klassisch (oben) und als All-in-One-Lösung (unten). M+R Multitronik

Sehr vorteilhaft ist unter diesen Betriebsbedingungen der Einsatz von vollständig vergossenen AC/DC-Modulen mit einer Metall-Basisplatte, welche bei direkter Verschraubung mit einer Gehäusewand oder sonstigen Kühlflächen für optimale Wärmeableitung sorgt. Die integrierte Leistungsfaktorkorrektur (PFC) erhöht die Netzteileffizienz, verringert die Störemission und erspart aufwendige Filtermaßnahmen. Insgesamt ist dies alles eine große Herausforderung an die Entwicklung für Stromversorgungen.

In bisherigen Designs wurde die Leistungsverteilung gern über DC/DC-Wandler und Point-of-Load-Konverter (POL) realisiert, um die Systemgeschwindigkeit und Effizienz zu maximieren. Zusätzlich im Gerät installierte und mit Lüftern gekühlte, hocheffiziente AC/DC-Netzteile versorgten die Elektronik mit 48 VDC. Ein nachgeschalteter DC/DC-Wandler konvertierte die 48 V zu niedrigeren Spannungen, mit denen die Leistungselektronik versorgt wurde. Für Anwendungen die unter hohen Umgebungstemperaturen und Temperaturschwankungen zuverlässig arbeiten müssen sind die sogenannten All-in-One-Module im Brick-Gehäuse allerdings besser geeignet, als die klassische, mehrstufige und verteilte Verschaltung von Netzteilmodulen.

AC/DC-Netzteile als All-in-One-Blockmodul

Als vollvergrossener Modulblock widerstehen AC/DC-Netzteile der Serie MACS100P starken Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen im Außenbereich.

Als vollvergrossener Modulblock widerstehen AC/DC-Netzteile der Serie MACS100P starken Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen im Außenbereich. M+R Multitronik

Moderne Technologien im Power-Design und hochentwickelte Komponenten machen es möglich, bisher sehr platzeinnehmende AC/DC-Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler auf die Größe eines Full-Bricks zu schrumpfen. Speziell entwickelte Permalloy-Kerne erhöhen dabei die Leistungsdichte in den Induktivitäten. Neue Trägermaterialien und innovative Transformator-Wickeltechniken reduzieren die Bauteilegrößen und  verbessern das Temperatur-Management. Somit leisten die weiterentwickelten und integrierten Hybrid-Schaltungen einen großen Beitrag  zu dieser neuen Generation von AC/DC-Modulen.

Das anschlussfertige 100-W-Netzteil von M+R Multitronik in einem kompakten und äußerst flachen Fullbrick-Gehäuse mit den Abmessungen von 116 × 61 × 17 mm3 wiegt gerade mal 236 Gramm und ist zu einem erschwinglichen Preis erhältlich. Vollvergossen ist das All-in-One-Blockmodul der Serie MACS100P sehr widerstandsfähig und resistent gegen Feuchtigkeitsbildung, erreicht einen Wirkungsgrad von > 90 %  und kann zur optimalen Wärmeableitung mit seiner Kühlplatte direkt an metallische Gehäuseflächen der Applikation geschraubt werden. Mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von 90-264 VAC ist das Netzteilmodul weltweit betreibbar. Die unterschiedlichen Einzelausgangsspannungen von 12, 24, 28, 36 oder 48 VDC und der extrem weite Betriebstemperaturbereich von -25 °C bis 85 °C ermöglichen den Einsatz in einer Vielzahl von Applikationen.

Unterhalb der Derating-Temperaturen ist die Verlustleistung der MACS100P-Serie bei 115 V konstant etwas größer als bei 230 V. Durch eine bessere Wärmeableitung setzt das Derating erst bei deutlich höheren Umgebungstemperaturen ein.

Unterhalb der Derating-Temperaturen ist die Verlustleistung der MACS100P-Serie bei 115 V konstant etwas größer als bei 230 V. Durch eine bessere Wärmeableitung setzt das Derating erst bei deutlich höheren Umgebungstemperaturen ein. M+R Multitronik

Überlastschutz und Effizienz

Das Diagramm „Verlustleistung über Umgebungstemperatur“ zeigt, dass Module der Serie MACS100P unterhalb eines einsetzenden Derating bei einer Eingangsspannung von 230 VAC mit konstant 10 W Verlustleistung etwas effizienter arbeiten als bei 115 VAC mit 14 W. Mit einer zusätzlichen und ausreichenden Kühlmaßnahme setzt bei beiden Eingangsspannungen ein Derating erst bei deutlich höheren Umgebungstemperaturen ein. Der Unterschied zwischen „mit Kühlung“ und „ohne Kühlung“ beträgt etwa 30 Kelvin. Zur Verbesserung der Wärmeableitung bietet M+R Multitronik für Fullbrick-Netzteile passende Kühlkörper an.

Ein integrierter Überstromschutz bewahrt die MACS100P-Module im Fehlerfall vor Schäden. Bei einer Überlast von 130 bis 200 % der Nominallast geht die Schutzschaltung in den sogenannten Hick-Up-Modus (Ausgangsspannung pulsiert). Bei dauerhaftem Kurzschluss wird der Ausgang abgeschaltet und geht automatisch in den normalen Betrieb zurück, sobald die Kurzschlusssituation behoben ist.

Benötigt der Anwender in der Leistungsverteilung weitere Kleinstspannungen, lassen sich diese kostengünstig über POL-Wandler (Point-of-Load) realisieren. Auch hier ist M+R Multitronik der richtige Partner und liefert neben den benötigten Komponenten auch technischen Support.