Eckdaten

Der vorliegende Beitrag befasst sich mit den Anforderungen an lineare Regler in Industrie- oder Fabrikautomationssystemen, sowie mit den Vorzügen dieser Regler.

Automatisierungssysteme für die Industrie und für Fabriken sind in den zurückliegenden Jahrzehnten immer robuster, intelligenter und vernetzter geworden. All dies hat den Platzbedarf für die Halbleiter-Bauelemente in diesen Systemen drastisch ansteigen lassen und ein Konglomerat unterschiedlicher Designs und Systemstrukturen hervorgebracht. Die Ingenieure waren deshalb gefordert, erprobte Designs beizubehalten und mit modernen oder neueren Designs zu verbinden, um die Voraussetzungen für bessere Funktionalität zu schaffen.

Obwohl die Designs immer besser werden und man enorm viele Systeme aktualisiert, haben sich die Umgebung und die Einsatzbedingungen der Systeme nicht wesentlich verändert. Die in industriellen Umfeldern eingesetzten Systeme müssen mit hohen Temperaturen und Spannungen sowie verschiedenen externen Einflüssen zurechtkommen, die Verschleiß und Belastung mit sich bringen.

Automatisierte Industriesysteme stellen hohe Anforderungen an Stromversorgungen.

Bild 1: Automatisierte Industriesysteme stellen hohe Anforderungen an Stromversorgungen. Bild: Texas Instruments

Bild 2: Standardmäßiges, mit 24 V betriebenes SPS-System.

Bild 2: Standardmäßiges, mit 24 V betriebenes SPS-System. Texas Instruments

Das Power-Management für Mikrocontroller, Sensoren und andere Bauelemente auf der Leiterplatte muss unter den geschilderten Einsatzbedingungen uneingeschränkt funktionieren. Effizienz und Zuverlässigkeit der Stromversorgung über sehr lange Zeiträume, möglicherweise über Jahrzehnte sind weitere Forderungen an Stromversorgungen. Zudem müssen viele heute entwickelte Designs direkt oder indirekt mit einer Vielzahl von Systemen oder Maschinen früherer Generation oder Systemen in denen hohe Spannungen vorkommen, interagieren. Deshalb ist es sehr wichtig, alle Störungen und Vorkommnisse, die schädlich für empfindliche elektronische Bauelemente sein können, zu identifizieren und zu berücksichtigen.

Im Bereich des Power-Managements kommt grundsätzlich eine umfangreiche Palette unterschiedlicher Topologien infrage. In Automatisierungssystemen hingegen findet man üblicherweise bereits eine hohe Gleichspannung von meist 12 oder 24 V vor, die für einen Motor benötigt oder in den Steuerungsleitungen des Systems genutzt wird. Viele Systeme profitieren bei der Erzeugung einer niedrigeren Spannung vom Einsatz hocheffizienter Gleichspannungswandler-Architekturen. Trotzdem besteht ein großer Bedarf an Linearreglern. Diese übernehmen die Spannungsregelung für andere Halbleitersysteme, die für Mess- und Sensoraufgaben sowie für die Steuerung wichtiger Motorfunktionen nötig sind.

Hohe Spannungen

Ein gängiges industrielles Automatisierungssystem besteht aus einer CPU oder einer zentralen Steuerung, analogen und digitalen Ein- und Ausgängen zur Interaktion mit den verschiedenen Subsystemen, einem Kommunikationsprotokoll, das sehr lange Leitungen unterstützt, und I/O-Modulen zur Erweiterung des Funktionsumfangs. Bild 2 zeigt in stark vereinfachter Form eine sehr verbreitete SPS-Konfiguration (speicherprogrammierbare Steuerung), wie sie zurzeit in vielen automatisierten Strukturen eingesetzt wird.

In den meisten Fällen lassen sich die Baugruppen in jedem Abschnitt direkt an der Haupt-Versorgungsspannung betreiben, während andere die 24-V-Leitung nutzen und diese Spannung bei Bedarf herabregeln. Der Entwickler muss hierzu alle möglichen Komponenten berücksichtigen, die bereits angeschlossen sind oder möglicherweise noch angeschlossen werden, damit die Stromversorgung über entsprechende Reserven verfügt. Je mehr Komponenten an den Stromversorgungs-Bus angeschlossen werden, umso größer wird außerdem das Störaufkommen auf der Leitung und in den Subsystemen. Während die SPS selbst mit 12 oder 24 V arbeitet, kann es immer vorkommen, dass eine Komponente oder Leiterplatte des Systems oder eine angeschlossene Peripheriefunktion eine Spannung benötigt, die höher ist. In einem solchen Fall muss die verwendete Stromversorgung in der Lage sein, diese höheren Spannungen, die oftmals 40 V oder auch mehr betragen, bereitzustellen.

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