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Leistungselektronische Maßanzüge

Vielfalt der Stromversorgungen

5. Mai 2021, 12:45 Uhr | Von Herman Püthe, Geschäftsführender Gesellschafter von inpotron Schaltnetzteile

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Netzteil für die Digitalisierungs- und Kommunikationstechnik

Bereits die Konzeption der in Bild 2 dargestellten PSU sah nahezu die doppelte Leistung im Vergleich zum Vorgängermodell vor – bei gleichem Bauraum. Um diese Forderung umzusetzen, war ein besonderer Fokus der Entwicklung auf die Vermeidung von Verlusten und das Wärmemanagement zu legen. Die Wärmeabfuhr bei der geforderten maximalen Umgebungstemperatur unter Einhaltung der Grenzwerte der verwendeten Bauteile wurde über eine thermische Kopplung zum Gehäuse mit sehr geringem kapazitivem Anteil realisiert.

In diesem Projekt setzten die inpotron-Entwickler eine brückenlose (bridgeless) Leistungsfaktor-Korrektur ein. Besondere Aufmerksamkeit widmeten sie den EMV-Effekten aufgrund der floatenden Masse im Zwischenkreis. Die Einhaltung der geforderten Grenzwerte hinsichtlich der Störaussendung des Produkts in Verbindung mit der Kundenapplikation erwiesen sich als besondere technische Herausforderung. Eine zentrale Bedeutung kam auch bei diesem Projekt dem sehr hohen Wirkungsgrad zu.

Netzteil für den Einsatz in der Gebäudesteuerung, Zutrittskontrolle

Bei dem in Bild 3 dargestellten Netzteil erfordert die senkrechte Einbaulage in einem Aluminium-Umgehäuse ohne Lüftungsöffnungen einen hohen Wirkungsgrad, um die Wärmeerzeugung niedrig zu halten. Dieser hohe Wirkungsgrad wurde erreicht und lag auch bei niedrigen Versorgungsspannungen noch bei mehr als 91 Prozent. Die kundenseitige Forderung nach einer Strombegrenzung entsprechend NEC Class II für jeden einzelnen Ausgang setzten die inpotron-Entwickler mit einem Mikrocontroller für Timing und Strommessung um. Während des Endtests erfolgte die Softwarekalibrierung nahe an der zulässigen Leistungsgrenze von 100 W je Ausgang. Mit der normativ geforderten Redundanz im Fehlerfall wurde eine charmante, technologisch besonders anspruchsvolle Lösung generiert.

DC/DC Wandler für den Industrieeinsatz

Bild 4 zeigt einen potenzialgetrennten DC/DC-Wandler für den Einsatz in der Industrieelektronik. Er erzielt in der kompakten Bauform inklusive Class-B-EMV-Filter, primärseitigem Verpolungsschutz und Inrush Current Limiter einen hohen 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 typischen 8,5 V zugeschaltet und bei 7,5 V abgeschaltet. Ein aktiver Verpolungsschutz führt dazu, dass ein Fehlanschluss keinen Defekt nach sich zieht, und auch negative Surge-Impulse belasten somit den Wandler nicht. Sein integrierte Einschaltstrombegrenzer verhindert eine impulsförmige Belastung der speisenden Quelle.

Die Vielfalt der Anwendungen und Märkte erlaubt es, ein breiteres Wissen für die Kundenwünsche aufzubauen. Dieses Wissen muss sich das entwickelnde Unternehmen aktiv aneignen. 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.

Auch die Anforderungen für den Einsatz in Zügen, Gabelstaplern oder LKWs sind sehr spezifisch und unterscheiden sich deutlich von denen für 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.

Technologisch spannende Herausforderungen kommen immer wieder aus den neuen Märkten. Beispiele sind Anwendungen für Smart City oder Industrie 4.0. Hohe Kompaktheit mit Benchmark-Wirkungsgraden bei Umgebungstemperaturen bis zu +85 °C über den gesamten Last- und Eingangsspannungsbereich ohne aktive Belüftung sind dabei heute einfach ein Muss.

Ingenieurtechnisch 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.

Durchaus eine Herausforderung für Schaltungsentwickler von DC-gespeisten Netzteilen liegt auch in der Implementierung von Überbrückungszeiten bis zu 100 ms über den gesamten Eingangsspannungsbereich. Eingangsspannungs- (Uin) Bereiche von 48 V DC bis 270 V AC ermöglichen dem Kunden eine maximale Flexibilität. Natürlich haben die Entwickler diese Aufgabe technisch so umzusetzen, dass es thermisch und funktionell keine Überraschungen gibt.

Die Übermittlung von Echtzeitdaten aus den Netzteilen zur Erfassung von Betriebszuständen, Steuerung der Auslastung oder als Messlatte für eine mögliche Wartung wird von den Kunden immer häufiger gefordert. Die Schnittstellen sind dabei sehr unterschiedlich.

Bei der Entwicklung von LED-Treibern ist die jeweils neueste DALI-Software und Update-Fähigkeit ebenso ein dauerhaftes Thema wie hohe Kompaktheit, Mehrkanaligkeit und Modularität und – last but not least – eine garantiert hohe Zuverlässigkeit. Natürlich sind diese Geräte inrush-free auszulegen und mit OVC III auszustatten. Flickerfreie CC-Treiber sind ebenso selbstverständlich.

Dreiphasige Versorgungsspannungen im Bereich von 250 bis 690 V 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.

Auch Zusatzelektronik für die Kundenapplikation setzt inpotron häufig um – ob es sich nun um eine Polaritätsumschaltung mit linearer, steuerbarer Ausgangsspannung handelt, eine integrierte Motorbrücke für einen Stellantrieb oder eine MC-Schaltung, die bei der Kundenelektronik keinen Platz mehr fand.