Die CPS10-Baureihe der Dimension-Serie hat schlanke Abmessungen von 39 mm Breite.

Die CPS10-Baureihe der Dimension-Serie hat schlanke Abmessungen von 39 mm Breite.
Puls

Auch optisch kleine Unterschiede im Wirkungsgrad ergeben einen Unterschied in den Verlusten, die für die Erwärmung maßgeblich sind. Ein Wirkungsgrad von 90 % wird üblicherweise als gut eingestuft, doch ein Gerät mit 94 % halbiert demgegenüber fast nochmal die Verluste. Selbst die kleine Steigerung um einen Prozentpunkt von 94 auf 95 % ist noch einmal eine Verbesserung um 18 %. Man kann es sich einfach intuitiv vorstellen, dass immer die Differenz zu 100 % die Maßzahl für die Verluste ist.

Der Kundennutzen sind geringere Verluste. Sie sind der Schlüssel, um durch eine geringe Wärmeerzeugung eine hohe Zuverlässigkeit und eine kleine Bauform zu erreichen. Den anderen Komponenten im Schaltschrank kommt die geringere Erwärmung auch zugute und sie arbeiten zuverlässiger.
Systeme sollen immer kleiner werden, da sich damit für den Anwender weitere Möglichkeiten ergeben und er die Kosten reduzieren kann. Platz spart hier Geld.

Deshalb ist es ein Entwicklungsziel von Puls, Stromversorgungen mit einer möglichst hohen Leistungsdichte zu konzipieren. Früher gelang es den Elektronikentwicklern bei Puls, alle sieben Jahre die Leistungsdichte zu verdoppeln. Inzwischen ist das schwieriger geworden, aber eine Reduktion um 35 % hat Puls mit der Serie CPS10 erzielt. Dieser Punkt ist für den Kunden von platzkritschen Applikationen wichtig. Grundsätzlich gilt auch: genügend Platz hat man nie. Deshalb ist es ein Vorteil, wenn man ihn nicht für die Stromversorgung verbraucht. Der Einbau einer kleineren Stromversorgung schafft auch in bestehenden Systemen Platz für Erweiterungen.

Geringes Gewicht

Das CPS10-Stromversorgung ist nicht nur kleiner sondern auch leichter als vergleichbare Geräte am Markt. Die DIN-Schiene war ursprünglich für leichte Komponenten und nicht zum Tragen hoher Gewichte konzipiert. Eine leichte Stromversorgung belastet daher die DIN-Schiene weniger bei Schock- und Vibrationsbeanspruchungen, wie sie beim Transport oder im Betrieb auftreten können.

Damit können diese Stromversorgungen auch auf Land- oder Seefahrzeugen Einsatz finden. Der innere Aufbau ist robust ausgelegt. Das geringe Gewicht steht für einen resourcenschonenden Einsatz von Rohstoffen und Energie, sowohl im Gerät selbst als auch bei der Verpackung.

Das mechanische Design der CPS10-Baureihe.

Das mechanische Design der CPS10-Baureihe.Puls

Für ein langes Leben

Im Vergleich zum Vorgängermodell, dem QS10, verfügt das CPS10 über eine verbesserte Lebensdauer. Puls definiert die Lebensdauer seiner Geräte nach spezifizierten und nachprüfbaren Kriterien. Für alle Produkte der Dimension-Familie gilt eine Mindestspezifikation von 50.000 Stunden bei Volllast und 40 °C Umgebungstemperatur. Die Spezifikation der Lebensdauer erfolgt auf Basis einer Belastungsmessung der verschleißbehafteten Elektrolytkondensatoren. Nach der Bestimmung der Betriebsbedingungen errechnet man gemäß der Herstellerangaben der Elkos die garantierte Mindestlebensdauer. Die Hersteller spezifizieren, dass sich nach dieser Belastung die Werte des Elkos um nicht mehr als bestimmte Werte ändern. Die Elkos und damit die Stromversorgungen arbeiten auch dann noch, aber es gibt keine andere Spezifikation.

Auf einen Blick

Mit einem Wirkungsgrad von 95 % erzeugt das CPS10 so geringe Verluste, dass auch die Baubreite deutlich schrumpfen kann: nur noch 39 mm. Lange Lebensdauer, hohe mechanische Robustheit und der weite Temperaturbereich erlauben den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen, wie im Schiffsbau oder der Windenergie.

In der Praxis sind also längere Lebensdauern zu erwarten. Hochwertige Maschinen und Anlagen sollen lange Zeit ohne Störung funktionieren. Die Stromversorgung ist häufig ein Lebensdauer bestimmendes Teil. Mit einer langen Lebensdauer der Stromversorgung ist ein langes Leben der Maschine oder Anlage möglich.

Leistungsreserve und Hiccup-Plus-Mode

Das CPS10 verfügt über 20 % Leistungsreserve, die auch bei +60 °C für kurzzeitige Spitzen zur Verfügung steht. Falls der Anwender die Geräte bei +45 °C betreibt oder sie mit Lüftern kombiniert, lässt sich die Dauerleistung auf 120 % erhöhen. Anwender, die nur bis Umgebungstemperaturen von +45 °C arbeiten oder eine Zwangsbelüftung haben, bekommen anstelle eines 240-W-Netzteils eines mit fast 290 W. Bei Anwendungen bis +60 °C Umgebungstemperatur ist es möglich, die Stromversorgung knapper und damit kostengünstiger auszulegen. Überdimensionierte Stromversorgungen für Anwendungen, die zeitweise eine höhere Leistung benötigen, sind nicht notwendig.

Im Gegensatz zum dem klassischen Hiccup-Modus ist das Hiccup-Plus-Verhalten der Netzgeräte eine Kombination aus ausgezogener Kennlinie und einem Hiccup-Verhalten. Wichtig ist, dass der Hiccup erst bei einer durch Überlastung erzwungenen Ausgangsspannung von unter 12 V einsetzt. Und auch dann reicht die stromliefernde Zeit mit zwei Sekunden aus, dass störungsfreie Systeme ohne Probleme starten können. In dieser Phase stellt das 10-A-Gerät sogar über 20 A bereit. Damit können auch schwierige Lasten starten. Sollte die Überlastung unter 12 V länger als zwei Sekunden betragen, wird über einen Timer der Ausgang für 18 Sekunden abgeschaltet.

Anschließend erfolgt ein neuer Startversuch mit wiederum zwei Sekunden aktiver Zeit. Es ist damit möglich, einerseits schwierige Verbraucher mit viel Strom zu starten und andererseits auftretende Störungen gut erkennen zu können. Überlastungen von Kabeln, Leiterbahnen und Verbindungsstellen lassen sich so vermeiden.

Mechanisch robustes Design

Das Dimension CPS10 ist mechanisch robust gefertigt und besitzt ein thermisches Design zur Wärmeableitung. Die mechanische Robustheit entstand durch eine sichere Befestigung von mechanischen Elementen, PC-Boards und schweren Bauteilen sowie durch eine stabile und feste Hutschienen-Halterung. Schocktests mit 30 g für 6 ms und 20 g für 11 ms sowie Vibrationstests mit 2 g im Frequenzbereich von 17,8 bis 500 Hz für zwei Stunden weisen dies nach. Das geht über die Normalanforderungen deutlich hinaus.

Zum Erfüllen der thermischen Anforderungen wurden temperaturempfindliche Bauteile, wie Elektrolytkondensatoren, Varistoren und Optokoppler auf ein Minimum reduziert und in der Nähe des kühlen Lufteintritts oder thermisch geschickt platziert. Der Einsatz in mechanisch anspruchsvollen Anwendungen oder der Transport von fertig installierten Anwendungen sind möglich. Das Design wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Geräte aus.
Geringer Einschaltstrom, breiter Temperaturbereich
Durch eine aktive Einschaltstrombegrenzung liegt der Einschaltstrom der CPS10-Stromversorgung bei 6 A. Dies gilt auch beim Warmstart. Das ist vorteilhaft für den Anwender, da beim Einschalten – egal ob bei Kalt- oder Warmstart – so keine störenden Spitzenströme auftreten. Die integrierten Sicherungen und verwndeten Schalter müssen daher nicht überdimensioniert ausfallen.

Die Temperaturkurve der Dimension-Serie.

Die Temperaturkurve der Dimension-Serie.Puls

Die volle Leistung erreicht die CPS10 in einem Temperaturbereich, der von -25 bis +60 °C reicht.
Zwischen +60 und +70 °C ist eine Leistungsrücknahme von 6 W pro Grad Celsius notwendig. Die 20 % Bonus-Power, was einer Ausgangsleistung von fast 290 W entspricht, stehen bis +40 °C Umgebungstemperatur dauerhaft dem Anwender zur Verfügung. Insbesondere für Outdoor-Anwendungen ist der weite Temperaturbereich bis -25 °C interessant. Die Geräte laufen so bei extrem niedrigen Temperaturen sicher an und lassen sich voll belasten. Die Lastsprünge von Geringlast auf Volllast bei niedrigen Temperaturen, die bei passiven Einschaltstrom­begrenzungen oft Schwierigkeiten verursachen, sind hier kein Problem. Geräte mit -40 °C sind auf Anfrage erhältlich.
Schnittstellen und Standardisierung.

Die CPS verfügen über einen DC-OK-Ausgang mit einem Relaiskontakt, der schließt, wenn die Ausgangsspannung in Ordnung ist. Zusätzlich gibt es eine Variante mit einem Remote-On/Off-Eingang, über den sich das Netzgerät mit einem Signal ein- und ausschalten lässt. Das Ein-/Ausschalten des Netzteils erfolgt anstelle eines aufwändigen Netzschalters über einen Signalschalter oder durch ein Signal aus einer Steuerung. Durch das Abschalten des Ausgangs senkt sich die Leistungsaufnahme im Leerlauf auf 0,6 W.

Die Idee der DIN-Schienen-Stromversorgung wurde ursprünglich für Schaltschränke der Fabrikautomatisierung erfunden. Der mittlerweile hohe Grad an Standardisierung, die Ausgereiftheit der Produkte und ebenfalls die erlangten Serienstückzahlen von DIN-Schienen-Stromversorgungen machen sie für viele Anwendungen attraktiv. Die erforderlichen Anpassungen der Geräte auch für den Betrieb in Windkraftanlagen, Bahnanwendungen, in der Prozessindustrie, im Schiffsbau, in der Halbleiterfertigung und weiteren Bereichen sind entwicklungs- und zulassungstechnisch zwar aufwändig, treiben aber nicht unbedingt die Kosten für das einzelne Seriengerät hoch. Diese lassen sich teilweise durch die dadurch entstehenden höheren Stückzahlen wieder kompensieren.

Den Geräten selbst kommt diese One-Size-Fits-All-Strategie zugute, denn die Gerätetests erfolgen von verschiedenen Seiten. Die Erfahrungen, Anforderungen und Herausforderungen der oben genannten Branchen steigern die Qualität und Robustheit von Produkten für alle Anwender. Sie tragen, wenn sie korrekt umgesetzt sind, zu einer sprunghaften Verbesserung der Produkte bei.

In Windkraftanlagen

Windkraftanlagen sind rauen Umgebungsbedingungen (wie in den Pitch Control in der Nabe der Windmühle) ausgesetzt. Netzversorgungen sind oftmals schlecht und Service- und Reparaturkosten sind hoch, da Anlagen abseits aufgestellt sein können. Die speziellen Anforderungen sind ein weiter Umgebungstemperaturbereich von -40 bis +70 °C (teilweise auch bis +80 °C). Die Aufstellhöhen betragen bis 4500 Meter. Es bestehen hohe Schock- und Vibrationsanforderungen. Möglichkeiten zur Ferndiagnose/Fernwartung sind wichtig. Es besteht eine hohe Erwartung an die Lebensdauer der Geräte; das umfasst ihre Robustheit gegen klimatische (etwa Feuchte und Temperatur) und andere belastende (etwa Salznebel oder Schadgase) Umgebungsbedingungen.

Den Anforderungen begegnet man mit einem mechanisch robuster Aufbau sowie der Verklebung schwerer Bauteile. Verwendung finden spezielle, für niedrige Umgebungstemperaturen bis -40 °C geeignete Schaltungskonzepte. Entwickler berücksichtigen vorab die zusätzlichen Anforderungen für Aufstellhöhen über 2000 Meter wie Luftstrecken. Ein Schutzlacküberzug auf den Leiterplatten erhöht die Robustheit gegenüber klimatischen und anderen belastenden Umweltbedingungen.

Verwendung finden redundante Stromversorgungssysteme und Puffersysteme für den Notfall, um die Zuverlässigkeit zu sichern. Zudem empfiehlt sich der Einbau von DC-OK-Signalen und anderen Vorwarnmechanismen.

In Bahnanwendungen und Schiffsbau

Die Bahnbranche zeigt sich offen für Konzepte, um von den bisher üblichen teuren Lösungen mehr und mehr wegzukommen. Man hat erkannt, dass sich DIN-Schienen-Stromversorgungen für mittlerweile viele Anwendungen eignen. Ein wichtiger Punkt ist dabei: sie offerieren ein günstigeres Kosten-Nutzen-Verhältnis. Durch einen immer steigenden Komfortanspruch in den Zügen, Straßen- und U-Bahnen sowie an den Bahnsteigen hinsichtlich Kommunikation, Service, Klima und Überwachungskameras entsteht ein zusätzlicher Bedarf an DC-Stromversorgungen.

Die speziellen Anforderungen an Stromversorgungen in der Bahnelektronik sind: die Eingangsspannung beträgt meist 110 VDC anstelle von 230 VAC inklusive eines weiten Toleranzbereichs von ±40 % (66 bis 154 VDC). Gefordert ist ein Umgebungstemperaturbereich von -40 bis +70 °C inklusive schneller Temperaturwechsel sowie hohe Schock- und Vibrationsanforderungen. Wichtig ist die Einhaltung der Brandschutzrichtlinie (brandschutztechnische Bewertung). Nicht zuletzt gehören eine hohe EMV-Störfestigkeitsanforderungen und Verpolschutzanforderungen am Eingang zu den Forderungen.
Die Umsetzung erfolgt durch eine Sondervariante mit Schutzüberzug auf den Leiterplatten, einen mechanisch robuster Aufbau und die Verklebung von schweren Bauteilen und einer Auswahl von den für den DC-Eingangsspannungsbereich geeigneten Schaltungskonzepten.

Die Produktserien sind: die Dimension für anspruchsvolle Aufgaben mit vielen Features (80 bis 1000 W), die Piano für kostengünstige Basisfunktionalität (120 bis 240 W) und die Miniline für den unteren Leistungsbedarf (15 bis 100 W).

Die Produktserien sind: die Dimension für anspruchsvolle Aufgaben mit vielen Features (80 bis 1000 W), die Piano für kostengünstige Basisfunktionalität (120 bis 240 W) und die Miniline für den unteren Leistungsbedarf (15 bis 100 W).Puls

Viele Einsatzmöglichkeiten gibt es auf Schiffen; speziell auf Kreuzfahrtschiffen. Die Anwendungen reichen von der Schiffs- und Motorsteuerung bis hin zur Kabinensteuerung. Hier bestehen hohe klimatische und mechanische Anforderungen, die jeweils vom Einsatzort des Schiffs abhängen sowie hohe Brandschutzanforderungen. Es muss sichergestellt sein, dass die Stromversorung die Notfunksysteme nicht stört.
Weitere Punkte sind hohe Vibrationsanforderungen bis 2,3 g und zusätzliche Dauerbelastungstests bei Resonanzstellen, die Dauertemperaturprüfung an der oberen und unteren spezifizierten Temperatur­grenze sowie zusätzliche Temperaturwechselprüfungen mit möglicher Betauung.

In dem Bereich gibt es schärfere Grenzwerte bei den EMV-Störaussendungen, um Notfunksysteme nicht zu stören. Die Umsetzung umfasst einen mechanisch robuster Aufbau und eine Verklebung schwerer Bauteile sowie EMV-Abschirm- und Filtermaßnahmen für selektive Frequenzbereiche.

In der Halbleiterindustrie und Halbleiterfertigung

In der Industrie bei der Fertigung dürfen Versorgungsfehler und kurzzeitige Netzspannungsschwankungen nicht auftreten, da sie langwierige und kostspielige Prozesse zur Folge haben können. Daher zählen zu den Anforderungen eine stabile Ausgangsspannung auch bei Netzspannungseinbrüchen auf die halbe Netzspannung für eine Dauer bis zu 200 ms. Dem Faktor begegnete man mit dem Einbau eines weiten Eingangsspannungsbereichs und diverser Schaltungsdetails. Eine Prüfung nach SEMI-F47-Norm erfolgt bei den Geräten.

In schadgasbelasteten Umgebungen gibt es besondere Eigenheiten: Stäube und Feuchtigkeit muss man hier durch entsprechende Schaltschränke, die mit Filtermatten oder Membranen ausgestattet sind, fernhalten. Für Schadgase beispielsweise H2S, SO2, CI2 NOX gelten diese Forderungen allerdings nicht.

Die DIN-Schienen-Stromversorgung CPS10 entspricht mehreren Normen.

Die DIN-Schienen-Stromversorgung CPS10 entspricht mehreren Normen.Puls

Schadgase beschleunigen die Alterung (Korrosion) und können mittelfristig zu Fehlfunktionen und/oder zum Totalausfall der Elektronik führen. Besonders kritisch im Fokus stehen dabei klassische Verbindungsstellen zum Beispiel Steckverbinder, Relaiskontakte und Lötstellen. Die Verwendung bestimmter Materialien (beispielsweise von Silber), beschleunigt die Reaktion mit Schadgas. Gefordert sind ein Nachweis der Brauchbarkeit von Geräten für einen Zeitraum von mindestens zehn Jahren in solchen Umgebungsbedingungen sowie Umweltsimulationstests nach der Norm IEC 60068-2-60 (Methode 3 der 4) oder nach ISA‑S71.04 (G3) unter reellen Betriebsbedingungen (zyklischer Betrieb der Geräte).

Die Umsetzung der Richtlinien sieht eine Auswahl geeigneter Bauteile und bestimmte Fertigungsprozesse vor. In extremen Fällen eignen sich für den Einsatz schutzlackierte Baugruppen. Wichtig dabei ist, dass es sich nicht um Silikonlacke beziehungsweise Silikonüberzüge handelt, da diese gastransparent aufgestellt sind.