Was macht ein gutes Schaltnetzteil aus? Das kommt wie so oft auf die Anwendung an. Wir zeigen Ihnen Beispiele aus der Praxis. (Bild: alho007 - stock.adobe.com)
Die Bandbreite der Implementierung elektronischer Stromversorgungen zeigt sich selten deutlicher als bei der Entwicklung kundenspezifischer Lösungen. Diese kommen überall dort zum Zug, wo Anforderungen existieren, die sich nicht durch Lösungen von der Stange abbilden lassen. Wer eine Stromversorgung mit spezifischen, auf das Endprodukt und den Markt zugeschnittenen Merkmalen benötigt, sollte sich im Vorfeld bei einem Spezialisten informieren.
Netzteil für LED-Beleuchtung
Das PSU-0171-02 (Bild 1), ein Netzteil für die professionelle LED-Beleuchtung, arbeitet mit Wechselspannungen von 90 V bis 264 V und gibt eine Gleichspannung von 53 V aus, wobei der Einschaltstrom unter 13 A liegen muss.
Seine konstante Ausgangsleistung liegt bei 500 W. Für maximal 30 s ist eine Spitzenlast von bis zu 600 W möglich. Die dabei auftretende Verlustwärme wird ausschließlich über Kontaktkühlung abgeführt, dadurch entsteht kein zusätzlicher Luftstrom. Die Betriebstemperatur darf zwischen 20 °C und 65 °C liegen. Steuerung und Ausgabe betriebsrelevanter Messwerte erfolgt über den PM-Bus.
Die Stromversorgung weist eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf. Diese resultiert aus der Unterdrückung der Oberschwingungen (Harmonischen) des Stroms. Bei der Auslegung wurde der aktuelle EMV-Standard EN 61000-3-2:2015 Class C zugrunde gelegt.
Oft können Anforderungen an elektronische Stromversorgungen nur durch maßgeschneiderte Lösungen erfüllt werden. Ein gutes Beispiel für eine kundenspezifische Lösunge ist das PSU-0171-02, ein Netzteil für professionelle LED-Beleuchtung, das mit Wechselspannungen von 90 V bis 264 V arbeitet und eine Gleichspannung von 53 V ausgibt, wobei der Einschaltstrom unter 13 A liegen muss. Ein Schaltnetzteil für Digitalisierungs- und Kommunikationstechnik wiederum ist das PSU-0262-10 mit einem Eingangsspannungsbereich von 38 VAC bis 65 VAC und einem Wirkungsgrad von 90 %. Und das PSU-0264-03 für Gebäudesteuerung und Zutrittskontrolle kann über einen Wechselspannungsbereich von 85 V bis 264 V gespeist werden. Für den Einsatz in der Industrie eignet sich der potentialgetrennte DC/DC-Wandler PSU-1141-08.
Die CCM-Leistungsfaktorkorrektur ist mit einer Silizium-Carbid-Diode (SiC) bestückt, deren hoher energetischer Wirkungsgrad eine niedrige Wärmeentwicklung garantieren soll. Zudem legten die Entwickler ein besonderes Augenmerk darauf, Vibrationen und damit Geräusche gar nicht erst entstehen zu lassen.
Wärmemanagement bei Netzteilen für LED-Beleuchtung
Eine Abfuhr der Wärme erfolgt über die Gerätegrundplatte, welche wiederum thermisch an den Kühlkörper angebunden ist. Weil das Gerät in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht ist, war es notwendig, die Bauteile für die entsprechend erhöhte Innenraumtemperatur auszulegen.
Nicht nur die Leistung der Stromversorgung, sondern auch die Eigenwärme der Anwendung hatte einen hohen Wärmeeintrag zur Folge. Nach Klimatests konnten diese Probleme gelöst werden.
Ein Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent, erreicht durch den Einsatz des CCM-PFC mit Silizium-Carbid-Dioden sowie eines LLC-Resonanzwandlers, ist grundlegend für eine geringe Verlustleistung im gesamten Eingangsspannungsbereich und somit für ein erfolgreiches Wärmemanagement ohne mechanischen Lüfter nur durch thermische Kopplung.
Netzteil für die Digitalisierungs- und Kommunikationstechnik
Das Schaltnetzteil PSU-0262-10 wurde speziell für die Digitalisierungs- und Kommunikationstechnik entwickelt (Bild 2).
Die beiden Ausgänge stellen zusammen eine Leistung von 160 W bereit. Ein Wirkungsgrad von 90 Prozent wird über den gesamten Eingangsspannungsbereich von 38 VAC bis 65 VAC gehalten. Sofern am Gehäuse die Temperatur zwischen -10 °C und 65 °C liegt, kommt es zu keiner Leistungsreduktion durch Derating. Beide Ausgänge sind redundant beschaltet und können im laufenden Betrieb gewechselt werden (hot pluggable). Netzausfälle sind im gesamten Eingangsspannungsbereich für die Dauer von maximal 25 ms überbrückbar. Über eine Kommunikationsschnittstelle können alle relevanten Betriebsparameter in Echtzeit abgefragt werden.
Wärmemanagement in der Kommunikationstechnik
Bereits die Konzeption der PSU sah nahezu die doppelte Leistung im Vergleich zum Vorgängermodell bei gleichem Bauraum vor. Um diese Forderung umzusetzen, war ein besonderer Fokus auf die Vermeidung von Verlusten und das Wärmemanagement wichtig. Dank einer brückenlosen PFC-Technologie entsteht deutlich weniger Verlustleistung, so dass die Abwärme trotz der hohen Umgebungstemperatur ohne mechanischen Lüfter, nur durch thermische Kopplung zum Gehäuse mit sehr geringem kapazitivem Anteil abgeführt werden kann.
EMV-Effekte
EMV-Effekte aufgrund der floatenden Masse im Zwischenkreis verlangten im Konzept eine besondere Aufmerksamkeit. Die Einhaltung der geforderten Grenzwerte hinsichtlich der Störaussendung des Produkts in Verbindung mit der Applikation erwiesen sich als technische Herausforderung. Bei der Lösung kommt dabei dem hohen Wirkungsgrad eine zentrale Bedeutung zu. Einen wichtigen Anteil hatten zudem die Fertigungshilfsmittel wie einfach zu bedienende Prüfadapter.
Gebäudesteuerung und Zutrittskontrolle
Das Netzteil PSU-0264-03 (Bild 3), das alle Kriterien der Überspannungskategorie III erfüllt, kann über einen Wechselspannungsbereich von 85 V bis 264 V gespeist werden.
Sein Einschaltstrom liegt über den gesamten Betriebstemperaturbereich unter 10 A. Die vier Ausgänge können zusammen eine elektrische Leistung bis zu 240 W liefern. Als Gerät der NEC-Schutzklasse II ist der Ausgangsstrom gemäß den Vorgaben von UL1310 begrenzt. Zwischen -25 °C und 60 °C am Umgehäuse entstehen ausgangsseitig keine Leistungseinbußen durch Derating.
Wärmemanagement bei Gebäudesteuerungen
In den Schaltschränken von Gebäudesteuerungen und Zutrittskontrollen müssen Netzteile aufgrund der beengten Platzverhältnisse in der Regel senkrecht eingebaut werden. Eine Wärmeabfuhr durch Lüftungssysteme ist normalerweise nicht vorgesehen. Deshalb wurde bei der Entwicklung des Schaltnetzteils besonderes Augenmerk auf einen hohen Wirkungsgrad gelegt. Dieser beträgt auch bei niedrigen Versorgungsspannungen noch mehr als 90 Prozent. Dank einer Effizienz von bis zu 95 Prozent konnte die Temperaturentwicklung so reduziert werden, dass die Verlustwärme rein durch natürliche Konvektion abgeführt werden kann.
Strombegrenzung durch Microcontroller
Die Forderung nach einer Strombegrenzung entsprechend NEC class II für jeden einzelnen Ausgang setzten die Entwickler mit einem Microcontroller für Timing und Strommessung um. Die Softwarekalibrierung nahe an der zulässigen Leistungsgrenze von 100 W je Ausgang erfolgt während des End-Tests. Mit der normativ geforderten Redundanz im Fehlerfall konnte das Unternehmen eine Lösung generieren.
DC/DC-Wandler für den Industrieeinsatz
Bild 4 zeigt einen potentialgetrennten DC/DC-Wandler für den Einsatz in der Industrieelektronik.
Die Stromversorgungseinheit inclusive Class-B-EMV-Filter, primärseitigem Verpolungsschutz und Inrush-current-Limiter erzielt einen Wirkungsgrad von 94 Prozent, der auch bei Teillast von 10 Prozent noch über 92 Prozent liegt. Die primärseitige Versorgungsspannung wird mit einer Zu- und Abschalthysterese von 1 V bei typischerweise 8,5 V zugeschaltet und bei 7,5 V abgeschaltet.
Der aktive Verpolungsschutz führt dazu, dass ein Fehlanschluss keinen Defekt nach sich zieht, und auch negative Surge-Impulse belasten somit den Wandler nicht. Der integrierte Einschaltstrombegrenzer verhindert eine impulsförmige Belastung der speisenden Quelle.
Verschiedene Anforderungen für vielfältige Anwendungen
Durch die Vielfalt der Anwendungen und Märkte ist es für die Entwickler nötig, sich ein breiteres Wissen für Kundenwünsche aufzubauen. Denn die Normungswelt für – zum Beispiel – medizinische Produkte ist nun einmal konträr zu einer industriellen, möglicherweise obendrein noch explosionsgeschützten Anwendung. Auch KNX-Netzteile unterliegen anderen normativen Gesetzgebungen als Netzteile für die Gebäudetechnik, LED-Treiber oder für Messsysteme. Die Anforderungen für den Einsatz in Zügen, Gabelstaplern oder LKWs sind ebenfalls sehr spezifisch und unterscheiden sich deutlich von denen an industrielle Produkte. Hinzu kommen regionale Unterschiede: Produkte für den Einsatz in den USA können durchaus signifikante Unterschiede zu Geräten mit gleicher Aufgabenstellung, jedoch für den Einsatz in Europa, China oder Japan aufweisen.
Technologien für neue Märkte
Technologisch anspruchsvolle Herausforderungen kommen immer wieder aus den neuen Märkten. Beispiele sind Anwendungen für Smart City oder Industrie 4.0. Hohe Kompaktheit mit Benchmark-Wirkungsgrade von 95 Prozent bei Umgebungstemperaturen bis zu +85 °C über den gesamten Last- und Eingangsspannungsbereich ohne aktive Belüftung sind dabei heute ein Muss.
Ausfallsicherheit
Interessant sind auch Stromversorgungen, die ein hohes Maß an Ausfallsicherheit gewährleisten müssen. Diese sind typischerweise mit zwei Spannungseingängen zur Sicherstellung der Versorgungsredundanz ausgestattet. Zudem muss die DC-Speisung eine sehr hohe Störfestigkeit aufweisen; üblich sind bis zu 2 kV symmetrisch und 4 kV asymmetrisch. Die Entkopplung wird dabei mit aktiven Elementen (MOSFETs) realisiert, die gegen negative energiereiche Impulse zu schützen sind.
Eine Herausforderung für Schaltungsentwickler von DC-gespeisten Netzteilen liegt auch in der Implementierung von Netzausfall-Überbrückungszeiten bis zu 100 ms über den gesamten Eingangsspannungsbereich.
Eingangsspannungs-Bereiche
Eingangsspannungs-Bereiche von 48 VDC bis 270 VAC ermöglichen eine hohe Flexibilität. Für den Netzteil-Entwickler ist diese Aufgabe technisch natürlich so umzusetzen, dass es thermisch und funktionell keine Überraschungen gibt.
Übermittlung von Echtzeitdaten
Die Übermittlung von Echtzeitdaten aus den Netzteilen zur Erfassung von Betriebszuständen, Steuerung der Auslastung oder als Messlatte für eine mögliche Wartung wird immer häufiger gefordert. Die Schnittstellen sind dabei sehr unterschiedlich.
Entwicklung von LED-Treibern
Bei der Entwicklung von LED-Treibern ist die jeweils neueste Dali-Software und Updatefähigkeit ebenso ein dauerhaftes Thema wie hohe Kompaktheit, Mehrkanaligkeit und Modularität und vor allem eine garantiert hohe Zuverlässigkeit. Natürlich sind diese Geräte inrush-free auszulegen, so dass sie keinen energiereichen Einschaltstromstoß durch DC-Zwischenkreisspeicherkondensatoren bei Zuschalten der Netzspannung erzeugen, da keine Elkos im Zwischenkreis vorhanden sind. Dabei muss die Überspannungskategorie OVC III eingehalten werden. Flickerfreie CC-Treiber sind ebenso selbstverständlich.
Keine Einbußen beim Wirkungsgardd
Dreiphasige Versorgungsspannungen im Bereich von 200 bis 690 VAC sind ebenso zu beherrschen wie ein DC-Eingangsspannungsbereich von 6 bis 60 V. Damit nicht genug: Ganz gleich, wie hoch oder wie niedrig die Eingangsspannung ist, beim Wirkungsgrad werden keine Einbußen toleriert. Werte von > 92 Prozent über alle Messpunkte sind möglich und technisch umsetzbar.
Zusatzelektronik für die Kundenapplikation
Zusatzelektronik für die Kundenapplikation setzt Inpotron häufig um – ob es sich nun um eine Polaritätsumschaltung mit linearer, steuerbarer Ausgangsspannung handelt, eine integrierte Motorbrücke für eine Stellantrieb oder eine MC-Schaltung, die bei der Kundenelektronik keinen Platz mehr fand.
