Greifarm greift das richtige Netzteil

Es gibt viele verschiedene Netzteile mit unterschiedlichen Spezifikationen. Die passende Stromversorgung zu finden, kann eine knifflige Aufgabe sein.

| von Ron Stull

Eine gängige Anforderung ist die Auswahl eines internen AC/DC-Netzteils für ein Endprodukt im Bereich von wenigen bis mehreren hundert Watt. Am unteren Ende könnte eine Alternative ein externes Netzteil oder ein „Adapter“ sein. Oberhalb von etwa 100 W jedoch ist es normal, sich für ein eingebautes Produkt als zugekauftes Modul zu entscheiden, das möglicherweise auf einem Gehäuserahmen oder einer Leiterplatte montiert ist. Mutige Entscheider könnten sogar eine Eigenentwicklung in Erwägung ziehen, insbesondere wenn die benötigte Leistung nicht dem Standard entspricht.

Was für ein Einbau-Netzteil spricht

Für die Wahl eines internen Netzteils gibt es verschiedene Gründe. Bei kommerziellen Produkten mögen die Verbraucher keine sperrigen Inline-Adapter, aber bei geringer Leistung ist ein Steckernetzteil keine große Zumutung. Im Zuge des technologischen Fortschritts wird immer mehr Leistung aus immer kleineren Gehäusen herausgequetscht, so dass der Adapter kaum größer ist als der Netzstecker selbst. Die Verwendung einer externen Stromversorgung freut auch den Produktentwickler – gefährliche Spannungen bleiben außen vor, was die Sicherheitszertifizierung des Endprodukts erheblich erleichtert.

Überblick: Einbau-Netzteil wählen

Für die Wahl einer internen Stromversorgung sprechen verschiedene Faktoren. Gerade bei Anwendungen mit höheren Leistungen, bei komplexeren Steuerungen oder mit hoher Funktionalität spricht vieles für Einbau-Netzteile. Der Nachfrage der Entwickler steht ein großes Angebot gegenüber. Welche die passendste interne Stromversorgung ist, hängt von vielen Überlegungen wie Sicherheit EMV, Größe oder Kühlung und letztendlich der Anwendung ab. Was es für Entwickler genau zu beachten gibt, erklärt dieser Artikel.

Die Nachteile sind, dass die Kabellänge vom Adapter zum Produkt zu einem Spannungsabfall führt, was möglicherweise zusätzliche Regler im Produkt erforderlich macht. Hinzu kommt, dass es in der Regel keine Möglichkeit für eine intelligente Steuerung der Stromversorgung gibt wie beispielsweise die Abschaltung in den Schlafmodus oder die dynamische Anpassung der Ausgangsspannung. Ein weiteres Problem liegt darin, dass die Einhaltung der EMV-Normen insgesamt immer noch in der Verantwortung des Endproduktherstellers liegt. Folglich müssen Entwickler den Adapter mit seinen Produktionsschwankungen und unbestimmten Kabelverläufen in die EMV-Prüfung einbeziehen, was zu inkonsistenten Ergebnissen führen kann. Aus diesem Grund ist es möglich, Inline-Adapter in Endprodukte einzubauen, um die Einhaltung der Sicherheits- und EMV-Normen zu erleichtern.

Bei höheren Leistungen, oder wenn Steuerung und Funktionalität wesentlich sind, bevorzugen Entwickler oftmals ein Geräte-Netzteil. Die Entscheidung sollte bereits zum frühestmöglichen Zeitpunkt im Produktentwicklungsprozess erfolgen. Dadurch vermeiden Entwicklungsteams die häufige und oft durchaus berechtigte Beschwerde der Stromversorgungsentwickler, dass sie ein eingebautes Netzteil beschaffen müssen, das in den gerade noch verblieben Platz passt. Das kann zu Kostennachteilen und Leistungseinbußen sowie im schlimmsten Fall zur Notwendigkeit einer kundenspezifischen Lösung mit allen damit verbundenen Verzögerungen und Risiken führen.

Neben benötigter Spannungen und Ströme spielen viele andere Überlegungen eine wichtige Rolle, die oftmals von der Endanwendung des Produkts abhängen.

Sicherheit, EMV und Umweltverträglichkeit stehen an erster Stelle

Ein eingebautes Netzteil muss die benötigten Spannungen und Ströme liefern, aber es spielen noch viele andere Überlegungen eine Rolle. Die vielleicht wichtigsten Eigenschaften sind Sicherheit, EMV und Umweltverträglichkeit. Dabei gibt die Endanwendung des Produkts hier die Leitlinien vor; für eine Reihe von Anwendungen gelten unterschiedliche Standards: Industrie, Haushalt, Test- und Messgeräte, Medizin und Gebäudeautomatisierung zum Beispiel. Soll das Produkt in speziellen Bereichen wie der Bahn Verwendung finden, sind die Normen wieder anders. Selbst innerhalb der Anwendungsbereiche gibt es Variationen wie etwa Patienten- oder Bedienerumgebung in der Medizin zum Beispiel. Ein Trend ist, dass neue Sicherheitsnormen gefährdungsabhängig sind, was einen Hersteller dazu verpflichtet, zusätzliche Überlegungen anzustellen, wie sein Produkt missbraucht werden könnte. Die Wahl eines internen Netzteils stellt zumindest sicher, dass nicht ein ungeeigneter Adapter eingesteckt wird. Die Auswahl der richtigen Zertifizierungen ist extrem wichtig und komplex, aber seriöse Anbieter von Netzteilen können oft aushelfen, wenn kein erfahrener interner Compliance-Ingenieur zur Verfügung steht.

Die Mechanik ist vielleicht die nächste Überlegung, nicht nur Form und Größe, sondern auch Anschlüsse und Kühlungsanordnungen. Open-Frame-Stromversorgungen sind beliebt und kostengünstig und oft mit optionalen Abdeckungen ausgestattet, die notwendig sind, wenn ein Techniker voraussichtlich Zugang zum Inneren des Produkts hat, während es unter Strom steht. Eine weitere Alternative ist das DIN-Schienenformat, das in Verdrahtungsschränken üblich ist (Bild 1).

Schematischer Schaltaufbau eines Einbau-Netzteils
Bild 2: Die Nennströme der Sicherungen (Fuse) in einem System sollten koordiniert sein: Wert Sicherung 1 > Sicherung 2 > Sicherung 3. (Quelle: CUI Inc.)

Interne Stromversorgungsprodukte haben in der Regel Schraubklemmen oder Steckverbinder sowohl für den AC-Eingang als auch für die Ausgänge. In diesem Fall müssen Kabel, Klemmen, Sicherungen, Schalter und alle Einbaustecker für die Anwendung entsprechend ausgelegt und zertifiziert sein. Es können durchaus Störungen auf Wechselstrom-Eingangskabeln außerhalb des Netzteils, aber innerhalb des Produkts aufgenommen werden, so dass möglicherweise EMI-Tests darauf hinweisen, dass ein weiterer, am Chassis montierter Filter in der Nähe des Netzanschlusses erforderlich ist.

Die Erdung erfordert besondere Aufmerksamkeit; wenn der Steckverbinder des Netzmoduls im Inneren des Produkts abgezogen wird, muss immer noch eine separate Erdverbindung zum Gerätechassis am Eingang vorhanden sein, falls sich ein stromführender Draht löst. Generell dürfen alle Erdungsverbindungen nicht steckbar sein, es sei denn, durch das Abziehen des Steckers werden stromführende Verbindungen gleichzeitig und vollständig aus dem Produkt entfernt. Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Erdung durch eine dauerhafte Befestigung erfolgen, die sich nur mit einem Werkzeug lösen lässt und eine Sicherungsscheibe oder eine andere Anti-Vibrations-Technik beinhaltet. Entwickler müssen die Farbcodierung und den Querschnitt der Verdrahtung entsprechend der angewandten Sicherheitsnorm beachten und falls nötig auch die Kabelzugentlastung berücksichtigen.

Eingangssicherungen interner Netzteile akkurat dimensionieren

Interne Stromversorgungen mit verdrahteten AC-Anschlüssen an einem Gehäusestecker müssen am Eingang je nach Bedarf mit einer geeigneten Einzel- oder Doppelsicherung versehen werden. Entwickler sollten sich stets vor Augen halten, dass eine AC-Endgerätesicherung die vorgeschalteten Kabel und Anschlüsse, jedoch nicht das interne Netzteil vor Kurzschlüssen und Überlastungen schützt. Natürlich muss sie den normalen Betriebsstrom mit einem gewissen Spielraum für Einschaltströme durchlassen, aber sie sollte auch so ausgelegt sein, dass sie die externe AC-Verkabelung zum Endprodukt nicht überlastet, bevor die Sicherung nach einem Masseschluss zwischen dem Einbaustecker und der Stromversorgung auslöst. Selbst wenn das externe Kabel für sehr hohe Ströme ausgelegt ist, sollte die Sicherung einen niedrigeren Ausschaltwert haben als alle vorgeschalteten Sicherungen oder Unterbrecher. Dadurch können Entwickler vermeiden, dass ein Fehler zur Abschaltung mehrerer Stromkreise führt. Nur so lässt sich eine korrekte Koordination der Sicherungen erreichen – ein kritisches Anliegen in professionellen Umgebungen (Bild 2).

Zusammengenommen beeinflussen die besprochenen Überlegungen zum AC-Anschluss die Wahl des internen Netzteils, wobei der kostengünstigste Open-Frame-Typ nicht unbedingt die günstigsten Gesamtsystemkosten ergibt, wenn er nur eine geringe EMV-Konformität aufweist und eine zusätzliche Filterung erforderlich ist.

Von wesentlicher Bedeutung sind Überlegungen zur Kühlung. Sie sollten früh im Entwicklungsprozess getroffen werden. Möglichkeiten gibt es einige, passend ist oft nur eine.

Die Kühlmethode bestimmt den Typ der Stromversorgung

Überlegungen zur Kühlung sind von wesentlicher Bedeutung; interne Netzteile können Lüfter-, Konvektions- oder Grundplatten-gekühlt sein, wobei die Wahl vom Endprodukt und seiner Anwendung abhängt. In manchen Umgebungen scheiden Lüfter aus wie zum Beispiel in der Medizintechnik aus Lärmschutzgründen oder in Anwendungen, in denen ein Austausch schwierig wäre. Allerdings sind Lüfter-gekühlte Netzteile im Allgemeinen kleiner als andere Typen. Wählen Entwickler ein derartiges Netzteil, müssen sie die Zu- und Abluftpfade sorgfältig identifizieren, um tote Winkel zu vermeiden, insbesondere, wenn andere Systemlüfter in Betrieb sind. Hersteller wie CUI geben in den Datenblättern für ihre Produkte empfohlene Luftstromrichtungen und Lüftergrößen an. Anwender sollten diese dann bei der Auslegung des Netzteils in einem System auch berücksichtigen (Bild 3).

Konvektionsgekühlte Netzteile sind lageabhängig und sollten unter Berücksichtigung anderer wärmeerzeugender Komponenten angebracht werden, um eine gegenseitige Überhitzung zu vermeiden. Die Hersteller können die Anordnung des Endprodukts nicht vorausahnen und geben daher die Netzteile für eine Betriebsumgebungstemperatur an. Dies ist die lokale Umgebungstemperatur im Gehäuse des Endprodukts, die wesentlich heißer sein kann als die Außentemperatur und nur durch Simulation und/oder Messung in einem kompletten System unter definierten Belastungsbedingungen genau bekannt ist.

Bodenplatten-gekühlte Versorgungen sind auch für abgedichtete Gehäuse erhältlich und eliminieren Unsicherheiten im Wärmestrompfad. Es muss jedoch eine flache „kalte Wand“ vorhanden sein, an der die Stromversorgung mehrfach befestigt werden kann. Möglicherweise sollten Entwickler an der Schnittstelle eine Wärmeleitpaste verwenden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Wärmeleitfolien aus Silikon.

Stilisierter Aufbau eines Netzteils auf einer Leiterplatte
Bild 3: Empfehlungen hinsichtlich Lüftergröße, Ausrichtung und Abstand sollten beachtet werden, um tote Winkel der Kühlluft zu vermeiden. (Quelle: CUI)

Experten können bei der Auswahl des Netzteils unterstützen

Es gibt eine große Auswahl an internen Stromversorgungen, und welche die beste ist, hängt von verschiedenen Überlegungen zur Anwendung ab. Um Kosten und Risiken zu minimieren, sollte der Stromversorgungs-Typ so früh wie möglich unter Berücksichtigung der Einhaltung von Normen, der Anwendung, der Kühlumgebung und der einfachen Integration in die Verkabelung und Mechanik des Endprodukts bestimmt werden. Mit einer vollständigen Palette an Produktoptionen kann CUI in all diesen Bereichen fachkundige Beratung bieten

Autor

Ron Stull arbeitet bei CUI als Power Systems Engineer.

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