Was beim Netzteil-Einbau zu beachten ist Open-Frame- versus U-Chassis-Stromversorgung

Sowohl die Installation von U-Chassis- als auch von Open-Frame-Stromversorgungen kann Vorteile haben.
Sowohl die Installation von U-Chassis- als auch von Open-Frame-Stromversorgungen kann Vorteile haben.

Wenn Elektronik-Entwickler sich zwischen Open-Frame- und U-Chassis-Stromversorgungen für ihre Anwendung entscheiden müssen, dann gilt es, die beiden Bauformen gegeneinander abzuwägen. Denn beide Varianten bieten spezifische Vorteile.

AC/DC-Stromversorgungen in Open-Frame-Bauform sind Produkte, die als PCB-Konstruktion (Printed Circuit Board) in die Applikation eingebaut werden. Das Gehäuse wird in diesem Fall vom Gesamtsystem bereitgestellt. Beim U-Chassis hingegen ist das Netzteil in einem meist aus Aluminium gefertigten, U-förmigen Gehäuse verbaut. Das U-Chassis bringt Vorteile bei der thermischen Anbindung der Leistungshalbleiter mit sich, und auch der Einbau ins Gesamtsystem ist oft einfacher.

Bei der Implementierung von Open-Frame- und U-Chassis-Netzteilen sind diverse Aspekte zu beachten, insbesondere bezüglich der Gerätesicherheit, der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und des thermischen Managements. Daneben müssen auch die Netzteil-Spezifikationen berücksichtigt werden, beispielsweise die im Datenblatt angegebenen Leistungs-Deratings in Abhängigkeit von der Temperatur und der Eingangsspannung.

Gute Netzteile liefern die angegebene Leistung bis zu einer Umgebungstemperatur von +50 °C und ab einer Eingangsspannung von nur 90 V AC, während es andere Netzteile gibt, bei denen das Derating bereits bei einer Umgebungstemperatur von +40 °C beginnt und die Leistung bei Low-Line-Betrieb noch um weitere 20 % reduziert wird. Für anspruchsvolle Applikationen sind solche Einschränkungen nicht hinnehmbar.

Gerätesicherheit

Beim Einbau eines Open-Frame-Netzteils (Bild 1) in ein Systemgehäuse ist es unerlässlich, die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zwischen Gerät und Gehäuse zu betrachten. In einem Schutzklasse-I-System sind dabei 3 bzw. 4 mm Abstand zwischen geerdeten, metallischen Teilen und der Netzteil-Primärseite erforderlich – abhängig davon ob es sich um ein Industrie- oder ein Medizinsystem handelt. Dies erfordert unter Umständen den Einsatz von Isolationsfolie zwischen Netzteil und Gehäuse.

Wird ein Schutzklasse-I-Netzteil eingesetzt, stellt die Schutzleiterverbindung zum Gerät einen wesentlichen Teil der elektrischen Sicherheit dar. Die Verbindung zur Systemerde muss daher sichergestellt werden. Diese Verbindung wird in der Regel über eine Befestigungsbohrung, über den AC-Steckverbinder oder über einen Faston-Stecker auf der Leiterplatte realisiert.

Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass mehr als eine Erdverbindung zur Einhaltung der EMV und der Störfestigkeit nötig ist. Wenn ein Schutzklasse-II-Netzteil eingesetzt wird, müssen bei der Verwendung eines Metallgehäuses die Luft- und Kriechstrecken größer sein. In diesem Fall bestehen die eingesetzten Gehäuse aber oft aus nichtleitendem Material.

U-Chassis-Netzteile (Bild 1) erleichtern das Einhalten der Sicherheitsvorgaben, da das Chassis mit dem Netzteil-Schutzleiter verbunden ist und ein direkter Kontakt zur Systemerde hergestellt werden kann. Die an die Sicherheitsabstände zwischen der Leiterplatte und dem U-Chassis gestellten Anforderungen müssen bei der Entwicklung und dem Einbau berücksichtigt werden. Wenn die Enden des U-Chassis und die Oberseite offen zugänglich sind, ist es notwendig, die einzuhaltenden Luft- und Kriechstrecken zu betrachten.

Die U-Chassis-Konstruktion bietet zusätzliche Vorteile durch ein einfacheres Handling und eine einfachere Installation. Der Anwender erhält eine robuste Konstruktion mit zur Befestigung vorgesehenem Gewinde. Dadurch wird der Montageaufwand auf einfache Schraubverbindungen reduziert. Es ist aber da¬rauf zu achten, dass die maximal erlaubte Einschraubtiefe bei der Montage nicht überschritten wird, um die erforderlichen Luft-und Kriechstrecken nicht zu unterschreiten.

Ein weiterer Vorteil des U-Chassis ist die Möglichkeit der zusätzlichen Kühlung der Leistungsbauteile durch die thermische Anbindung an das Systemgehäuse. Damit lassen sich die Temperatur der Halbleiter und als Folge davon auch die Temperatur innerhalb des U-Chassis verringern.

Open-Frame- und U-Chassis-Netzteile verfügen normalerweise über eine oder bei medizintechnischen Anwendungen oftmals auch über zwei Eingangssicherungen. Diese sind ebenfalls substanzieller Bestandteil der Systemsicherheit und sorgen im Falle eines schwerwiegenden Gerätefehlers für den notwendigen Brandschutz: Die Sicherungen sind in den Netzteilen in der Regel fest eingebaut und nicht zum Austausch vorgesehen, da der einzige Grund für den Sicherungsausfall ein Fehler im Netzteil ist.

Da beide Netzteil-Bauformen zusätzliche Netzverdrahtung im Gesamtsystem benötigen, sind weitere Sicherungen erforderlich, um bei Fehlern an Steckern, Schaltern, Anzeigen oder der Verdrahtung den Schutz dieser Teile gewährleisten zu können. Die Ausgangskabel müssen entsprechend der maximalen Leistung des Netzteils inklusive der Toleranzen im Überlastfall ausgelegt sein.

So lässt sich der sichere Betrieb auch im Fall des Fehlverhaltens des Geräts sicherstellen. Darüber hinaus sind noch thermische Aspekte zu beachten. Denn für bestimmte kritische Komponenten sind maximal erlaubte Temperaturen in der Sicherheitszulassung der Geräte definiert.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Open-Frame-Netzteile benötigen zur Erfüllung der EMV-Vorgaben in der Regel zwei manchmal sogar drei Verbindungen zum Schutzleiter. Wie bereits beschrieben, muss bei Schutzklasse-I-Geräten eine dieser Verbindungen als sicherheitsrelevante Schutzleiterverbindung ausgeführt sein. Sie ist auf der Primärseite des Gerätes platziert und stellt darüber hinaus auch die Verbindung der Y-Kondensatoren des Netzfilters von L-Leiter (stromführender Leiter) bzw. N-Leiter (Neutralleiter) zur Erde dar.

Die Y-Kondensatoren dämpfen zusammen mit der Common-Mode-Drossel des Eingangsfilters die durch die schnellen Spannungsänderungen bei den Schaltvorgängen in den Leistungsstufen des Netzteils entstehenden Störungen. Die andere oder die beiden anderen Verbindungen sind in der Regel auf der Sekundärseite angebracht und verbinden die Kondensatoren des ausgangsseitigen Common-Mode-Filters mit Erde.

Die Filterelemente zur Gegentakt-unterdrückung, die zur Reduktion der durch schnelle Stromänderungen hervorgerufenen Störungen vorgesehen sind, sind im Netzteil zwischen den L- und N-Verbindungen eingebaut.

Die Kondensatoren zur Gleichtaktunterdrückung am Ausgang sind ein wesentlicher Bestandteil der EMV-Befilterung eines Netzteils und müssen verbunden werden, um eine optimale EMV zu erzielen. In Applikationen mit Metallgehäuse stellt dies normalerweise kein Problem dar. Bei Schutzklasse-I- oder Schutzklasse-II-Anwendungen in Kunststoffgehäusen muss darauf geachtet werden, die für die EMV-Konformität notwendigen Punkte miteinander zu verbinden. Die Punkte, die dabei mit dem Schutzleiter oder miteinander verbunden werden müssen, sind in der Regel im Netzteil-Datenblatt gekennzeichnet (Bild 2).

Die beste Art und Weise, die notwendige Verbindung herbeizuführen, ist bei einem Open-Frame-Netzteil die Montage auf einer metallischen Grundfläche, die mit nichts anderem zusätzlich verbunden werden muss, aber trotzdem eine niederimpedante Kontaktierung mit geringem parasitären Einfluss auf die mit ihr verbundenen Kondensatoren bietet. Wo eine solche Montagemöglichkeit nicht besteht, muss eine andere Methode für die Kontaktierung angewandt werden, beispielsweise über ein geeignetes Kabel.

In Netzteilen mit U-Chassis sind alle Verbindungen zum Schutzleiter intern bereits erstellt, wodurch sich die Installation vom EMV-Gesichtspunkt her vereinfacht. Eine gute elektrisch leitende Verbindung vom Chassis zum Systemgehäuse mittels mehrerer Montageverschraubungen ist zur Minimierung der parasitären Einflüsse zwingend erforderlich (Bild 3).

Die Eingangs- und Ausgangskabel sollten getrennt voneinander platziert und auch die räumliche Nähe zum offenen Gerät sollte vermieden werden. So lässt sich die Einkopplung von Störungen in das Gesamtsystem verhindern, die durch Schaltelemente verursacht werden. Damit können die eventuell auftretenden Probleme bei der leitungsgebundenen und abgestrahlten EMV verringert werden.