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Stromversorgung mit ferroresonantem Transformator
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Eine Stromversorgung aufgebaut mit ferroresonantem Transformator kennzeichnet u.a. ein spezielles Überlastverhalten, hohe Netzeffizienz sowie spezifische Ausgangsspannungen. In einem Netz bildet das Power Supply mit dem „Ferro-Konzept“ eine sichere Spannungsquelle.

Der Beitrag stammt aus dem Hause Alpha Technologies, Schwabach

Die aktuellen Kommunikationstechnologien stellen hinsichtlich der Stromversorgung spezielle Anforderungen. Anders als übliche EDV-Peripherien und Telekom-Einrichtungen benötigen beispielsweise Breitband-Kommunikationsanlagen ganz besondere Netzteile mit spezifischen Ausgangsspannungen und Leistungsmerkmalen.
Breitbandnetze, die neben der Übermittlung von digitalen EDV-Daten zunehmend für den Transport von Voice- und Video-Signalen benutzt werden, bestehen großteils aus Glas- und Koaxialleitungen. Die Kupferleitung (Koax) wird in der Hauptsache für die letzten 2 km eingesetzt, während das Glas die Verbindung über lange Strecken herstellt.
Um die Netze nachhaltig vor Netzstörungen zu schützen, müssen Stromversorgungen mit einer sehr hohen Störungsdämpfung und Schutzwirkung ausgerüstet sein. Darüber hinaus ist die Maximierung der Betriebs-Zuverlässigkeit und -Verfügbarkeit unabdingbar. Kommunikationsnetze verlangen eine sichere Stromversorgung.
Der ferroresonante Transformator
Als Kernstück einer zuverlässigen Stromversorgung bietet der ferroresonante Transformator die Eigenschaften, die z.B. moderne Breitbandnetze zum sicheren Betrieb benötigen. Das „Ferro-Konzept“ zeichnet sich durch eine besondere Schutz- und Filterwirkung, Effizienz und Langlebigkeit aus. Da die Komponenten eines Breitbandnetzes keinen wesentlichen Lastwechseln unterliegen, ist die Ausgangsregulation der Stromversorgung 2%. Eingangsseitig werden aber Schwankungen von bis zu 25% der Nominal-Spannung ausgeregelt. Damit wird die Empfindlichkeit der im Breitbandnetz installierten Komponenten, die bei 12 bis 15% liegt, erheblich reduziert.
Die Stromversorgung XM6015 von Alpha Technologies gilt als geeignete Energiequelle. Der 60 V Wechselspannungsausgang entspricht in der Form seiner Ausgangsspannung – Quasi Sinewave – der optimalen Spannung. Bei High-Tech-Peripherien oder anderen Verbrauchern achtet man darauf, daß die Wellenform der Betriebsspannung möglichst sinusförmig ist. Die unmodifizierte Ausgangsspannung des ferroresonanten Transformators – eine Rechteckspannung mit „steilen“ Flanken und „weichen“ Ecken – ist optimal für den Betrieb von Breitbandnetzen.
Bei einer echten Rechteck- oder auch einer Gleichspannung wird die maximale Leistung zu jedem beliebigen Zeitpunkt im Spannungsverlauf gezogen. Darüber hinaus beinhaltet eine reine und eckige Rechteckspannung einen ganz erheblichen Teil an hochfrequenter Energie, die Störungen in einem Bereich erzeugt, die weit in die Bandbreite des „Forward and Return Line Equipment“ reichen. Der steile Flankenanstieg führt auch zur schnellen Sättigung von Ferriten, die in Diplex Filtern verwendet werden und wiederum sogenannte HUM-Störungen in den videomodulierten RF-Signalen erzeugen. HUM-Störungen (Hum Distortion) sind unerwünschte AM-Modulationen eines RF-Signals zwischen DC und 400 Hz. HUMs werden durch Kondensatoren oder Gleichrichter in aktiven Verstärkern erzeugt, bzw. durch die Sättigung einer Induktivität in einer aktiven oder passiven Baugruppe.
Gleichspannungen werden nicht verwendet, um die Korrosionsschäden an den Kontaktstellen der stromführenden Teile (Kabelkontakte) auf ein verträgliches Maß zu reduzieren.
Die größte Energienutzung einer Wechselspannung, bei gleichzeitig geringem HUM-Störungs-Niveau, wird mit einer Flanken-Anstiegs- und Abfall-Geschwindigkeit von ca. 200 V/ms erreicht. Die Quasi-Squarewave-Spannung des XM-Ferrotransformators kommt diesem Wert sehr nahe (150 V/ms), ohne jegliche Modifikation oder elektronische Eingriffe. Da die Verstärker ein gewisses Spannungsniveau benötigen um zu reagieren, der Schwellenwert liegt bei ca. ±15 bis ±20 V, ist es wichtig, daß die Zeit des Unterschreitens und des Erreichens dieses Schwellwerts so gering wie möglich ist. Mit der XM-Quasi-Squarewave ist die Zeit zwischen diesen Schwellen – nach dem Nulldurchgang – sehr gering und sorgt damit für eine hohe Ausbeute. Damit übertrifft diese Wellenform die Sinuswelle und besitzt darüber hinaus ein gutes Amplituden/RMS-Verhältnis, womit der durch den Leitungswiderstand bedingte Spannungsverlust reduziert wird. Die XM-Ferrotechnik bildet eine effiziente Spannungsquelle für Breitbandnetze und spart bereits bei der Installation Kosten ein.
Netzeffizienz
Aufgrund der Folgewirkungen gilt, daß 1% Energieeinsparung auch gleichzeitig die Betriebskosten inklusive Erstellungsaufwand um 1% reduziert.
Es ist naheliegend, daß man bei der Wahl der Topologie auch die Dual-Conversion-Power näher in Betracht zieht. Das Dual-Conversion Power Supply verfügt üblicherweise über einen Eingangstransformator zur Isolierung, dem ein Gleichrichter und Ladeteil nachgeschaltet sind sowie einem Wechselrichter nach dem Zwischenkreis. Diese Technologie führt die zu betreibende Last permanent über die aus Halbleitern aufgebauten Gleichrichter und Wechselrichter. Dafür wird viel Energie benötigt, woraus sich eine geringe Effizienz und eine geringe Lebensdauer ergibt. Diese maximale Effizienz von etwa 80% wird nur dann erreicht, wenn das Power Supply optimal gegen 100% ausgelastet ist. Mit einer geringeren Auslastung verringert sich die Effizienz überproportional. Ein schlecht konfiguriertes Netz kann dabei durchaus mit einem Wirkungsgrad von unter 0,5 arbeiten. Die XM-Reihe arbeitet auch unter schlechten Bedingungen selten unter einem Wirkungsgrad von 0,8, unter idealen Bedingungen sogar über 0,92.
Die galvanische Verbindung des Power Supplies mit den Peripherien des Breitbandnetzes gestattet, daß Transienten, Oszillationen, Überspannungen und andere Störungen nahezu ungehindert das Netz passieren. Die XM-Reihe sorgt mit einer Dämpfung von 60 dB (1000/1) dafür, daß es selbst keinen Schaden nimmt und angeschlossene Verbraucher ebenfalls geschützt sind.
Überlastverhalten
Das Überlastverhalten des ferroresonanten Transformators ist ein weiteres Merkmal zur Sicherung von Kupfernetzen. Der ferroresonante Transformator bietet automatischen Schutz mit einer besonderer „Foldback“-Charakteristik. Foldback ist eine durchaus erwünschte Eigenschaft des ferroresonanten Transformators, der unabhängig von der angeschlossenen Last eine natürliche Strombegrenzung bildet und die Voraussetzung dafür schafft, daß der für die Fehlersuche nötige Strom weiterhin anliegt und sich das Gerät auch über längere Dauer nicht abschaltet.
Wenn sich die angeschlossene Last über den maximal zulässigen Wert erhöht, reduziert sich gleichermaßen die Ausgangsspannung bis der Ausgangsstrom 150% des Nominalwerts erreicht. Danach fällt die Ausgangsspannung automatisch zusammen und reduziert die zur Verfügung gestellte Leistung des Netzteils. Der Ausgangsstrom bei maximaler Last wird Foldback Current genannt und entspricht dem Maximum an Leistung, die der ferroresonante Transformator überhaupt liefern kann, sogar dann noch, wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist. Diese Charakteristik schützt das Netzteil vor einer Überlastung und limitiert den maximalen Strom, der in das Netz geleitet wird. Während der Nominalstrom zwischen 10 und 15 A liegt, können die Netz-Komponenten auch den Foldback Current über längere Zeit vertragen, sollte ein Kurzschluß im Netz auftreten. Die Mehrzahl der Kurzschlüsse treten nicht in der Nähe des Netzteils auf, wodurch sich der Foldback-Strom aufgrund des Leitungswiderstandes weiter reduziert.
Die XM- Serie verfügt über eine modifizierte Foldback-Charakteristik und begrenzt den Strom auf etwas mehr als 150% des nominalen Werts. Gleichzeitig wird die Strombegrenzung so ausgeregelt, daß die XM2-Geräte den Wiederanlauf der getakteten Netzteile mühelos bewältigen.
Aufgrund dieses geregelten Verhaltens läßt sich bei dieser Stromversorgung nicht mehr von Foldback Current sprechen. Der automatische Wiederanlauf der getakteten Netzteile ist gesichert, ohne auch nur eine Komponente im Netz während des Anlaufens abzuschalten.
Die XM-Modelle sind so konzipiert, daß rasche Lastwechsel keine Auswirkung auf die Spannung haben und der benötigte Strom unmittelbar verfügbar ist. Normalerweise würde ein erhöhter Strombedarf z.B. beim Hochfahren für einen Abfall der Ausgangsspannung sorgen, was wiederum den Strombedarf erhöht. Der Foldback mit einem Absturz wäre die Folge eines zu schnellen Lastwechsel bei üblichen Ferro-Geräten.
Ob bei Stand-by- oder Non-Stand-by-Geräten, die einzige aktive Leistungskomponente in der XM-Reihe ist der ferroresonante Transformator, der Resonanzkondensator und die Ein-/Ausgangsspule. Mit dieser geringen Anzahl von nahezu verschleißfreien Komponenten werden sehr hohe MTBF-Werte gesichert. Zusätzliche Funktionen wie Batteriebetrieb, Monitoring und Ferndiagnose zeigen auf die Betriebssicherheit keine Auswirkung.
Weitere Informationen E eA 589
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