Die ausschließliche Verwendung von Polymer-Kondensatoren anstelle von Elektrolyt-Kondensatoren stellt die besonders lange Netzteil-Lebensdauer des BEP-520C von mehr als 12 Jahren sicher.

Die ausschließliche Verwendung von Polymer-Kondensatoren anstelle von Elektrolyt-Kondensatoren stellt die besonders lange Netzteil-Lebensdauer des BEP-520C von mehr als 12 Jahren sicher. Bicker Elektronik

Bei der Konzeption, Auswahl und dem Design-in von Stromversorgungslösungen für industrielle PC-Systeme stehen sich einzelne Kriterien meist diametral gegenüber. Ein Industrie-PC-Netzteil soll idealerweise lüfterlos, leistungsstark, kompakt, zuverlässig, langlebig und besonders robust ausgeführt sein. Gleichzeitig aber steht die Komponente Netzteil in vielen Fällen unter sehr hohem Preisdruck. Dies führt dazu, dass bei wichtigen Komponenten gespart wird, um die Preisvorstellungen des Kunden zu treffen, was letztlich mit einer geringeren Lebensdauer unter realen industriellen Bedingungen und Temperaturen bezahlt wird. Durch komplizierte mechanische Maßnahmen mit zahlreichen Kühlkörpern und Zusatzplatinen lassen sich zwar die thermischen Anforderungen erfüllen, doch derartige Designs sind in der Herstellung aufwendig und damit fehleranfällig, sowie hinsichtlich Schock- und Vibrationsbelastungen äußerst instabil. Unter dem Aspekt des langjährigen und zuverlässigen 24/7-Dauereinsatzes im industriellen Umfeld sind diese Lösungen meist nicht geeignet. Zu den typischen Anwendungsfeldern mit derartigen Bedingungen zählen die Prozessautomation, Schwerindustrie, der Energie-Sektor (Öl, Gas, Bergbau), Offshore-Applikationen sowie die Bereiche Transportation, Logistik, Pharma- und Lebensmittel-Industrie.

Industrie-PC-Netzteil BEP-520C

Bei der Entwicklung des Industrie-PC-Netzteiles BEP-520C mit einer Design-Lifetime von mehr als 12 Jahren strebt der Stromversorgungsspezialist Bicker Elektronik deshalb eine andere Vorgehensweise an: Durch den Einsatz hochwertiger Bauteile an den richtigen Stellen und einem ausgeklügelten Netzteil-Design ist es möglich ein hochwertiges, kompaktes und lüfterloses Netzteil anzubieten, das über den gesamten angegebenen Temperaturbereich nahezu keine Einbußen in der Performance aufweist. Zu Beginn der Entwicklung ging es darum, eine für die Anforderungen geeignete Wandler-Topologie auszuwählen. Ein hoher Wirkungsgrad ist immer Grundvorausetzung für ein lüfterloses Design in einem kleinen Formfaktor mit hoher Leistungsdichte. Um das Gerät so klein wie möglich zu halten ist auch die Größe der magnetischen Bauteile wichtig. Je höher die Schaltfrequenz im Primärkreis ist, desto kleiner kann beispielsweise der Trafo ausfallen. Gefordert war ebenfalls ein Eingangsspannungsbereich von 16…32 VDC (1:2). Eine Realisierung mittels LLC-Topologie erscheint hier durch den geforderten Eingangsspannungsbereich ungünstig. Ein Gegentakt-Wandler ist bei den angestrebten höheren Schaltfrequenzen nachteilig, da ein verlustloses Schalten ohne zusätzliche Maßnahmen nicht möglich ist. Letztlich wurde die „Active Clamping Forward Topologie“ gewählt, die ein fortschrittliches und einstufiges Konzept ermöglicht. Durch das verlustlose Schalten (Zero Voltage Switching, ZVS) kann die Schaltfrequenz deutlich höher gewählt werden, ohne signifikante Verluste in der Effizienz in Kauf nehmen zu müssen. Aufgrund der hohen Schaltfrequenz von etwa 230 kHz lässt sich wiederum ein kleinerer Übertrager realisieren. Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass eine hohe Schaltfrequenz unter Umständen auch negative Auswirkungen auf die elektromagnetische Verträglichkeit haben kann. Dieser Aspekt wurde jedoch schon zu Beginn der Entwicklung beachtet. Durch die Implementierung eines geeigneten Filters und ein entsprechend optimiertes Layout hält das Netzgerät trotz der hohen primärseitigen Spitzen-Schaltströme von bis zu 22 A die geltenden EMV-Normen ein.

Ausschließlich Polymer-Kondensatoren

Direkter Vergleich der relativen Lifetime von Elektrolyt-Kondensatoren und Polymerkondensatoren über die Temperatur.

Direkter Vergleich der relativen Lifetime von Elektrolyt-Kondensatoren und Polymerkondensatoren über die Temperatur. Bicker Elektronik

Um der Forderung nach gleichbleibender Performance über den gesamten Temperaturbereich und einer hohen Lifetime nachzukommen, wurden ausschließlich hochwertige Kondensatoren auf Polymer-Basis verwendet – was in diesem Netzteil-Segment ein Novum darstellt (Bild 1). Polymer-Kondensatoren sind hinsichtlich elektrischer und thermischer Belastungen wesentlich robuster und verfügen über hohe Stabilität, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen leiden herkömmliche Elkos (Elektrolyt-Kondensatoren) darunter, dass der unter anderem für die Ausgangswelligkeit zuständige Reihenersatzwiderstand (ESR) auf den 10- bis 100-fachen Wert ansteigen kann. Gleichzeitig sinkt die Kapazität der Elkos um bis zu 35 %. Insbesondere beim Einsatz günstiger Standard-Kondensatoren kann dies zu Anlaufproblemen eines Netzteiles bei niedrigen Temperaturen führen. Hier bieten Kondensatoren auf Basis besonders leitfähiger Polymere mit ihren hervorragenden Temperatureigenschaften wesentlich bessere Voraussetzungen. Die Lifetime im typischen Betriebsbereich (50- bis 75-%-Last und Tu = 45 °C) ist etwa um den Faktor 2,5 bis 6 höher als beim Einsatz herkömmlicher Standard-Elektrolyt-Kondensatoren. Ein Vergleich der relativen Lebensdauer der beiden Kondensatortechnologien über die Temperatur ist in Bild 2 dargestellt.

Einfacher mechanischer Aufbau

Wie schon erläutert, sollte ein besonderes Augenmerk auf einen möglichst einfachen mechanischen Aufbau gelegt werden. Erreicht wird dieses Ziel durch den größtmöglichen Einsatz von SMD-Bauteilen, Single-PCB (nur eine Hauptplatine ohne vertikale Zusatzmodule) und ausnahmsloser Kühlung über die Leiterplatte und das Gehäuse. Letzteres setzt die konsequente Platzierung der Leistungsbauteile auf der Platinenunterseite und deren optimale thermische Anbindung an das Gehäuse voraus. Gegenüber dem herkömmlichen Aufbau mit Kühlkörpern kann somit eine Gewichtsersparnis von mindestens 20 % und eine deutliche Reduktion der Anzahl von mechanischen Bauteilen erreicht werden. Diese Maßnahmen und ein niedriges Höhenprofil bringen entscheidende Vorteile beim Einsatz in Applikationen mit starken mechanischen Belastungen (Schock und Vibration). Daneben sind beispielsweise für Eisenbahn, See- oder Fahrzeuganwendungen die galvanische Trennung und die Einhaltung entsprechender Luft- und Kriechstrecken zwischen Primär- und Sekundärbereich des Netzgerätes normativ erforderlich und für den langjährigen und sicheren Einsatz unabdingbar.

ECK-DATEN

Bicker Elektronik bietet seinen Kunden mit den laborgeprüften Power-plus-Board-Bundles hochwertige Komplettlösungen für extreme Temperaturen: Industrie-PC-Netzteil BEP-520C plus Rugged-Mainboard plus Zubehör in Industrie-Qualität und Fixed-BOM. Die Design-in-Beratung vor Ort, anwendungsspezifische Systemlösungen und der Service runden das durchdachte Gesamtpaket aus einer Hand ab. Systementwickler können hierdurch in der Praxis Zeit und Geld sparen und erhalten mit hochwertigen Netzteilen wie dem BEP-520C eine zukunftssichere und besonders langlebige Lösung Made in Germany.

Komplettlösungen für extreme Temperaturen

Das BEP-520C verfügt neben einer hohen Isolationsspannung und galvanischer Trennung zwischen Ein- und Ausgabe über zahlreiche weitere Schutzschaltungen und eine aktive Einschaltstrombegrenzung. Die geregelten ATX-Ausgänge +3,3 V, +5 V, +12 V, -12 V, +5 Vsb benötigen keine Grundlast und sind somit „Intel Haswell/Skylake ready“. Das Kabelmanagement-System ermöglicht zudem den flexiblen Einsatz kundenspezifischer Kabelbäume.