Schwerpunkte

Netzausfall

Platzsparende Brücke

22. Dezember 2014, 08:34 Uhr   |  Niklas Fritz


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Ziel der Schaltung: kleinere Kondensatoren

Die Problematik adressiert jetzt eine bei inpotron entwickelte Schaltung als Netzausfallbrücke (NAB-Schaltung). Das Ziel war, bei gleicher Kapazität beziehungsweise Überbrückungszeit deutlich kleinere Kondensatoren nutzen zu können. Ausgangs- und Vergleichsbasis für die Neuentwicklung war eine bestehende NAB-Schaltung des Unternehmens (

Bild 1

).

Diese bestehende NAB-Schaltung hält die Spannung über einen Wandler niedriger als im Hauptpfad des Netzteils. Das verringert die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der in der Schaltung eingesetzten Kondensatoren. Ein Effekt mit Vorteilen für die Netzausfallüberbrückung: Weniger spannungsfeste Kondensatoren können kleiner gebaut werden. So lassen sich die gleichen Anforderungen an die Kapazität der NAB-Schaltung mit kleineren Kondensatoren erfüllen. Oder, falls die Anwendung eher mehr Kapazität als eine geringere Baugröße erfordert, können Kondensatoren mit gleicher Größe eine größere Kapazität bieten. Die Zusatzkapazität ist technisch notwendig, weil bei niedrigerer Spannung deutlich mehr Kapazität erforderlich ist, um die für den Netzteilbetrieb erforderliche Energie bereitstellen zu können. Das Ziel der Master-Thesis daher: Es sollte Leistungsverlusten durch die Schaltung und Ladungsverlusten im Kondensator vorgebeugt werden.

Bei der weiterentwickelten Schaltung erfolgt die Anbindung an den Hauptpfad des Netzteils jetzt wahlweise über einen Schalter oder einen Abwärtswandler. Beide Varianten sorgen dafür, dass Strom aus der NAB-Schaltung nur bei Netzausfall fließt. Mit dem Abwärtswandler gelingt dies, indem die Spannung am Ausgang der NAB-Schaltung heruntertransformiert wird. Damit liegt die Spannung in der Zusatzschaltung deutlich unter der Spannung im Hauptpfad. Erst wenn das Spannungsniveau im Hauptpfad unter das Niveau der NAB-Schaltung fällt, springt die Zusatzschaltung mit der in den Kondensatoren gespeicherten Energie ein. Technisch noch schlanker ist die Anbindungsvariante über einen Schalter (Bild 1).

Bild 2a: Oszillogramm der bisherigen NAB-Zusatzschaltung (Hauptpfadspannung: grün; NAB-Spannung: blau; Ausgangsspannung des Netzteils: rot; Eingangsspannung des Netzteils: 110 V; Ausgangsleistung 30 W)
© inpotron

Bild 2a: Oszillogramm der bisherigen NAB-Zusatzschaltung (Hauptpfadspannung: grün; NAB-Spannung: blau; Ausgangsspannung des Netzteils: rot; Eingangsspannung des Netzteils: 110 V; Ausgangsleistung 30 W)

Die verbesserte Wirkungsweise der neuen NAB-Schaltung zeigt sich im Vergleich. Bild 2a zeigt links die Spannungsverläufe bei der bestehenden Schaltung, die wie ein zusätzlicher Kondensator im Hauptpfad wirkt.

Bild 2b: Oszillogramm der neuen NAB-Zusatzschaltung (Hauptpfadspannung: grün; NAB-Spannung: blau; Ausgangsspannung des Netzteils: rot; Eingangsspannung des Netzteils: 110 V; Ausgangsleistung 30 W)
© inpotron

Bild 2b: Oszillogramm der neuen NAB-Zusatzschaltung (Hauptpfadspannung: grün; NAB-Spannung: blau; Ausgangsspannung des Netzteils: rot; Eingangsspannung des Netzteils: 110 V; Ausgangsleistung 30 W)

Die Spannung bleibt stets auf dem gleichen Niveau und die Schaltung folgt der Spannung im Hauptpfad. Auf dem unteren rechten Teilbild (Bild 2b) ist die Wirkung der verbesserten Schaltung zu sehen. Die Spannung fällt zunächst unabhängig von der NAB-Schaltung ab. Erst wenn der kritische Wert erreicht ist, wird die Zusatzschaltung aktiv und der Nachladeeffekt wirksam. Diese Vorgehensweise verhindert, dass Energie verloren gehen kann, wenn kein Netzausfall vorliegt.

Und der Wirkungsgrad?

Ein Einwand gegen diese Lösung scheint zunächst auf der Hand zu liegen: Mit zusätzlichen Schaltungen und Komponenten erhöhen sich die Wärmeverluste. Es besteht das Risiko, dass der Wirkungsgrad des Schaltnetzteils sinkt. Dieses Argument ist sehr ernst, da die Spezifikationen von Maschinen stetig verschärft werden und dies natürlich auch die Netzteile betrifft. Weitere Bedenken betreffen mögliche Leistungs- und Kapazitätsverluste der Kondensatoren. Es muss sichergestellt sein, dass Schaltung und Kondensatoren beim Netzausfall die geforderten Reserven auch tatsächlich bereitstellen können.

Die Ergebnisse zeigen: Die neue NAB-Schaltung minimiert mit ihrem spezifischen Aufbau diese Risiken. Die verbesserte Schaltung senkt die Fläche bei gleicher Überbrückungszeit im Vergleich zu alten Schaltung auf die Hälfte oder gar ein Drittel.

Bei der Realisierung entschied man sich für die Schaltervariante. Diese ist schlanker, eine Lösung über Spannungstransformation wäre teurer und aufwendiger. Durch ihren spezifischen Aufbau ist die neue NAB-Schaltung nur beim Netzausfall »aktiv«. Damit verbessert sich im Vergleich zur bestehenden Schaltung der Wirkungsgrad des Schaltnetzteils. Ein Netzteil mit neuer NAB-Schaltung erreicht mit 49 ms Überbrückungszeit annähernd genau den gleichen Wirkungsgrad wie eine Stromversorgung mit der bisherigen NAB-Schaltung von 56 ms bei 110 V Eingangsspannung des Netzteils und 30 W Ausgangsleistung.

Über den Autor:

Niklas Fritz ist Entwickler bei inpotron und hat die neue Kondensatorschaltung im Rahmen seiner Master-Thesis entwickelt.

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