Die Anwendungsgebiete von DC/DC-Wandlern sind vielfältig. Ihr Job: Sie wandeln Spannungen, um Spannungsebenen einander anzupassen. Auf langen Versorgungsleitungen heben die Geräte die Spannung an und gleichen so verlustbedingte Spannungsgefälle aus. Außerdem trennen sie Stromkreise galvanisch voneinander und schützen sensible Verbraucher durch deren Entkopplung. Auf diese Weise sind kritische Lasten vor störenden Verbrauchern geschützt. Schaltet beispielsweise ein Motor ein, der im Anlaufmoment einen hohen Strom benötigt, kommt es zu einem kurzen Spannungseinbruch. Gleiches passiert, wenn Lasten mit hohen Eingangskapazitäten zugeschaltet werden. Bei solchen temporären Störungen gestaltet sich die Fehlersuche in der Regel schwierig und zeitaufwendig.
Auf einen Blick
DC/DC-Wandler wandeln – wie es der Name bereits verrät – Spannungen, so dass Spannungsebenen angepasst werden. Für eine schnelle Auslösung von Standard-Leitungsschutzschaltern sollten die Geräte kurzzeitig ein Vielfaches ihres Nennstroms bereitstellen können. Daher setzt Phoenix Contact die aus seiner Quint-Power-Produktfamilie bekannte Selective-Fuse-Breaking-Technology nun auch bei DC/DC-Wandlern ein. So liefern die Wandler für zwölf Millisekunden das Sechsfache des Nennstroms. Vorteil: Fehlerhafte Strompfade lassen sich selektiv abschalten, der Fehler wird eingegrenzt und wichtige Anlagenteile bleiben in Betrieb.
DC/DC-Wandler bieten sich auch in batteriegestützten Versorgungsnetzen oder Lösungen mit ungeregelten Transformatoren an, wenn sensible Verbraucher mit einer stabilen 24 Volt Gleichspannung versorgt werden müssen.
Nennausgangsspannung stufenlos einstellen
In ausgedehnten Anwendungen, wie Buchbindereimaschinen, Walzwerken oder Abfüllanlagen, sind große Distanzen zwischen den einzelnen Stationen zu überbrücken. Zur zentralen Belieferung der Verbraucher mit 24 Volt Gleichspannung eignen sich daher Kabel mit großem Querschnitt. Sind die Leitungen nicht ausreichend dimensioniert, treten Spannungsabfälle auf, die zu einem Ausfall oder Reset der Steuerungen führen können. Große Kabelquerschnitte ziehen jedoch höhere Installationskosten nach sich. Als Alternative frischen DC/DC-Wandler deshalb die Spannung auf langen Leitungen auf.
Leitungsquerschnitte optimal auswählen
Bei der Wahl der Leitungsquerschnitte ist nicht nur die zulässige Kabelerwärmung zu beachten. Die Verlustleistung auf der sekundärseitigen Versorgungsleitung erhöht sich mit zunehmendem Strom und steigender Leitungslänge linear. Als Beispiel sei eine 30 Meter entfernt gelegene Last angeführt, die mit 10 Ampere versorgt werden soll. Dazu wurde ein Kupferkabel mit einem Querschnitt von 1,5 Quadratmillimeter verlegt. Bei einer Ausgangsspannung der Stromversorgung von 24 Volt DC liegen nur knapp 17 Volt DC am Verbraucher an.
So bewirken Stromversorgungen von Phoenix Contact eine Erhöhung der Ausgangsspannung. Daher lässt sich die Produktfamilie Quint Power mit 24 Volt DC Nennausgangsspannung stufenlos von 18 bis 29,5 Volt DC einstellen. Wird die Ausgangsspannung im zuvor genannten Beispiel auf 29,5 Volt justiert, erhält der Verbraucher immerhin noch 22 Volt DC.
Leitungsverluste ausgleichen
In der Praxis kommt es allerdings häufig zu einem Spannungsabfall, der sich nicht mehr durch eine Justierung der Ausgangsspannung auffangen lässt. In diesem Fall erweist sich der Einsatz mehrerer dezentraler Stromversorgungen als sinnvoll, die sich jeweils am Lastschwerpunkt befinden. Bei der Versorgung mit 230 oder 400 Volt AC können Spannungsabfälle auf langen Leitungen aufgrund des niedrigen Stroms vernachlässigt werden.
Moderne Maschinen und Anlagen sind in der Regel modular aufgebaut, um die einzelnen Funktionseinheiten autark testen und nach Anwenderwunsch flexibel zusammenstellen zu können. Statt der 24-Volt-Leitung wird beispielsweise ein dreiphasiges 400-Volt-Versorgungsnetz in der Maschine verlegt, die Stromversorgungen liefern die 24-Volt-Gleichspannung im dezentralen Schaltschrank. Auf diese Weise lassen sich Spannungsabfälle durch ausgedehnte Leitungen vermeiden.
Oft ist es nötig, den zentralen Schaltschrank abseits der Anlage in einem klimatisierten Raum aufzustellen. Andere Applikationen erfordern die Installation der 24-Volt-DC-Stromversorgung in einem zentralen Schaltschrank, weil die berührgefährlichen 230 oder 400 Volt AC nicht an leicht zugänglichen Maschinenteilen montiert sein sollen. DC/DC-Wandler heben hier die Spannung am Ende der langen Leitungen auf den gewünschten Wert an. Sie korrigieren Eingangsspannungen auf eine geregelte 24-Volt-DC-Ausgangsspannung. Wird der DC/DC-Wandler nah am Endverbraucher verbaut, gleicht er Leitungsverluste vollständig aus.
Funktionen präventiv überwachen
Die Quint DC/DC-Wandler von Phoenix Contact arbeiten mit Eingangsspannungen von 18 bis 32 Volt DC und stellen dabei Ausgangsspannungen von 18 bis 29,5, von 5 bis 18 oder von 30 bis 56 Volt DC zur Verfügung. Erstmals ist die aus der Baureihe Quint Power bekannte Selective-Fuse-Breaking-Technology nun auch für DC/DC-Wandler verfügbar.
Zur Info
Mit Kleinspannungstransformatoren lassen sich Leitungsschutzschalter innerhalb weniger Millisekunden auslösen, da die Geräte den erforderlichen hohen Strom bereitstellen. Die Trafos sind jedoch in den letzten Jahren häufig durch primär getaktete Schaltnetzteile ersetzt worden, auf deren Vorteile, wie eine geregelte Ausgangsspannung oder höherer Wirkungsgrad, die Anwender nicht verzichten möchten. Bislang waren DC/DC-Wandler allerdings nicht in der Lage, im Kurzschlussfall einen derart hohen Strom zu liefern. Die DC/DC-Wandler Quint vereinen nun die Vorteile eines Schaltnetzteils mit dem hohen Kurzschlussstrom eines Trafos. Durch die Verwendung der SFB-Technologie ermöglichen sie das magnetische Auslösen von Leitungsschutzschaltern. Dafür stellt beispielsweise das 20-Ampere-Modul 120 Ampere für 12 Millisekunden zur Verfügung. Weitere angekoppelte Lasten laufen trotz des aufgetretenen Kurzschlusses unterbrechungsfrei weiter.
Die dynamische Leistungsreserve löst Standard-Leitungsschutzschalter innerhalb weniger Millisekunden zuverlässig aus. Dazu liefern die Geräte für zwölf Millisekunden den sechsfachen Nennstrom. Fehlerhafte Strompfade werden selektiv abgeschaltet, der Fehler ist eingegrenzt und wichtige Anlagenteile bleiben in Betrieb. Aufgrund der kontinuierlichen Überwachung von Ausgangsspannung und -strom ist eine umfassende Diagnose möglich. Diese präventive Funktionsüberwachung visualisiert kritische Betriebszustände und meldet sie der Steuerung, bevor Fehler in der Anlage auftreten. Mit der statischen Leistungsreserve Power Boost starten selbst Lasten mit hohem Einschaltstrom zuverlässig.
Phoenix Contacts Produktportfolio umfasst derzeit fünf DC/DC-Wandler der Quint-Familie mit Nennströmen von 5 bis 20 Ampere. DC/DC-Wandler aus der Produktlinie Mini im modularen Elektronikgehäuse zeichnen sich unter anderem durch ihre schmale Bauform von 22,5 Millimeter aus. Sie sind für Nennströme von 0,7, 1 oder 2 Ampere ausgelegt. Eingangsspannungen von 12 bis 24 Volt oder 48 bis 60 Volt werden am Ausgang zu Nennspannungen von 12, 24 oder 48 Volt gewandelt. Codierte Combicon-Steckverbinder sorgen für den schnellen und wartungsfreundlichen Anschluss.
Auf hohe Robustheit setzen
Aufgrund des Temperaturbereichs von minus 25 bis plus 70 Grad Celsius eignen sich die Quint DC/DC-Wandler für Anwendungen mit hohen Ansprüchen an die Temperaturbeständigkeit. Eine Schockbelastung bis 30 g gemäß IEC 60068-2-27 sowie die Resistenz gegen Vibrationen bis 2,3 g nach IEC 60068-2-6 stellen die einwandfreie Funktion der Geräte auch unter starker mechanischer Beanspruchung sicher.
Anja Moldehn
(eck)
