Durch einen eingebauten Hiccup-Modus schützt sich das Redundanzmodul vor Überlast.

Durch einen eingebauten Hiccup-Modus schützt sich das Redundanzmodul vor Überlast.Gebrüder Frei Elektrotechnik – Elektronik

Redundanz bedeutet, dass mindestens zwei Netzteile mit ausreichend hoher Eigenleistung erforderlich sind. Sollte eines der beiden durch einen Kurzschluss oder Defekt ausfallen, muss das andere in der Lage sein, die Stromversorgung in vollem Umfang zu gewähren. Dies wird als 1+1-Redundanz bezeichnet. In solchen Fällen sind sogar meist separate Zuleitungen der Eingangsspannungen aufgelegt.

Redundante Versorgungen garantieren eine hohe System- und somit auch Maschinensicherheit. Die Vermeidung von Ausfällen gemeinsamer Ursache (Common Cause Failure) lautet ein in der EN ISO13849-1 vorgegebener Punkt. Mit einem redundanten 1+1-System in der Stromversorgung reduziert sich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Gesamtstromversorgung auf 50 Prozent. Kommen beispielsweise für einen größeren Verbraucher mit einem Strombedarf von insgesamt 160 A fünf Netzteile mit je 40 A zum Einsatz, spricht man von einer 1+N-Redundanz. Fällt in diesem System ein Gerät aus, wird die Gesamtlast dennoch sicher versorgt. Häufig werden auch applikationsbedingt auftretende partielle Peakströme mit dieser Konstellation abgebildet. Zwei speisende 20 A-Netzteile können in der Spitze 40 A dauerhaft abbilden.

Kurzfristige Überlast um 100 Prozent

Grundsätzlich kann man von Parallelschaltung sprechen, wobei bei einer typischen 1+1-Redundanz jedes Netzteil auf halber Last genutzt wird. Um rückwärtige Speisungen zu vermeiden, werden diese Quellen entkoppelt. Eine bewährte und günstige Lösung bieten hier auf den ersten Blick Dioden. Allerdings verursachen sie einen Spannungsabfall von 500 bis 800 mV. Insbesondere hohe Lastströme erhöhen die Verluste des Gesamtsystems und führen zu Problemen bei der Entwärmung. Kühlkörper sind erforderlich, was sich wiederum auf Volumen und Kosten auswirkt und eine zusätzliche Anbindung erfordert. Bei 0,6 V und zwei speisenden 40 A-Geräten entstehen hier bei Volllast bereits 48 W Abwärme. Bei klassischer Redundanz beträgt die Verlustleistung noch etwa 24 W.

Die möglichen Energieeinsparungen, vor allem aus thermischer Sicht, und die Kosten, die durch den unnötigen Stromverbrauch entstehen, sind Grund genug, über alternative Lösungen nachzudenken. Synchrongleichrichtungen sind heute bereits in vielen Netzteilen üblich. Hier wird die Gleichrichtung beziehungsweise das Diodenverhalten nicht über Dioden herbeigeführt sondern über das Schalten von MOSFETs.

Das neue Redundanzmodul der Competent-Cosmo-Serie von Frei bietet zwei Eingänge zu je 40 A und einen Ausgang mit 80 A. Es kann kurzfristig um 100 Prozent überlastet werden und eignet sich daher gut für den Einsatz zusammen mit dem 149001-71001-Gerät, einem 3-phasigen Netzteil mit 960 W, welches für zwei Sekunden problemlos 80 A Last bei 24 V bedient. Auch kleinere Leistungen und Netzteile anderer Hersteller können paarweise vorgeschaltet werden. Mit 12 bis 30 VDC taugt der Eingangsspannungsbereich für einen flexiblen Einsatz beispielsweise auch für die Batterieladung. Die verwendeten Push-In-Klemmen bieten durch den Klemmenbereich von 0,75 bis 16 mm2 hohe Freiheitsgrade selbst für kleinere Leistungen. Unabdingbar ist jedoch die korrekte Auswahl des Querschnitts zur Stromtragfähigkeit.

Überlast- und leerlauffest

Durch einen eingebauten Hiccup-Modus schützt sich das System vor Überlast. Visuell sowie durch ein Meldesignal wird der Ausfall einer Speisung dargestellt. Die Schaltschwelle zur Meldung ist als besondere Funktion durch einen zentralen Stufenschalter zwischen 8 und 28 VDC einstellbar. Somit können auch Trafonetzteile dem Redundanzmodul nachgeschaltet werden. Rückspeisungen werden bis 60 V abgeblockt, was gerade bei rauen Anwendungen, wie Trafonetzteilen von Vorteil ist.

Bei einer Nominallast von 80 A im reinen Parallelbetrieb ist mit einer Verlustleistung von etwa 8 bis 10 W zu rechnen. Somit wurde die Verlustleistung um über 80 Prozent  reduziert. Dies zeigt sich vor allem im kleinen Volumen des Gerätes, das lediglich 54 mm auf der Hutschiene beansprucht (Höhe 128,5 mm, Tiefe 45 mm).