Kompakte und zuverlässige Netzteile zum Nutzen der Anwender sind die obersten Ziele der Entwickler bei Puls. Mit einem hohen Wirkungsgrad lassen sich diese Anforderungen erfüllen. Die neuentwickelte Serie CP10 hat nach Herstellerangaben aktuell den höchsten Wirkungsgrad und die geringsten Abmessungen in dieser Geräteklasse. Bei der Entwicklung ließen sich Lebensdauer und MTFB noch einmal steigern. Viel- fältige Features erlauben den komfortablen Einsatz in einer Fülle von Anwendungen.
Bernhard Erdl ist Geschäftsführer der Puls GmbH in München
„Heat is your Enemy!“ Diese allgemein gültige Regel animiert gerade die Entwickler von konvektionsgekühlten DIN-Schienen-Stromversorgungen zu immer neuen Höchstleitungen. Galt bis vor kurzem noch ein Wirkungsgrad von 94 % als State-of-the-Art, so ist es dem auf DIN-Schienen-Stromversorgungen spezialisierten Hersteller Puls gelungen, die Grenze auf 95,2 % anzuheben und damit dem Ideal von 100 % wieder ein Stück näher zu kommen.
Die Mittel dazu sind der teilweise Ersatz des klassischen Siliziums durch das neue Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid SiC und eine ausgefeilte LLC-Wandlertopologie. Alle Details schaltungstechnischer und thermischer Art wurden mit aufwendigen Verfahren und zum Teil selbstgeschriebenen Softwarewerkzeugen berechnet, simuliert und in vielen Varianten optimiert. Auch wenn jedes einzelne Detail nur einen kleinen Schritt bringt, summiert sich das zu einem signifikanten Endergebnis. Im Vergleich zu einem schon sehr guten Gerät mit 94 % sind bei 95,2 % die Verluste noch einmal um 20 % geringer.
Vorteile durch den hohen Wirkungsgrad
Systeme werden heute immer kleiner und kompakter gebaut. Die Grenze der Miniaturisierung ist bei Konvektionskühlung durch die Erwärmung bestimmt. Ein Netzteil mit geringen Verlusten hat deshalb viele Vorteile:
- 1: Es benötigt weniger Volumen und Oberfläche, um die Verlustwärme an die Umgebung abzugeben. So konnte das CP10 um 35 % auf eine Einbaubreite von 39 mm verkleinert werden und eröffnet damit auch neue konstruktive Möglichkeiten.
- 2: Das Netzteil benötigt weniger Aufwand für die Kühlung. Das lässt sich einfach am geringeren Gewicht erkennen. Das CP10 ist mit 600 g um 30 % leichter als das nächst liegende Vergleichsgerät. Silizium statt Aluminium ist hier die Devise. Dadurch ist es so unempfindlich gegen Schock und Vibration, dass es auch die Anforderungen in der Fahrzeugtechnik, wie der Bahn oder auf See, erfüllt. Das geringe Gewicht bedeutet auch weniger Stress auf die DIN-Schiene, die eigentlich für leichte Komponenten entwickelt wurde.
- 3: Die hohe MTBF und damit die niedrige Ausfallrate ist ein weiterer Vorteil. Puls spezifiziert diese in seinen Datenblättern bei verschiedenen Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Dabei wird nicht die einfachere Methode des simplen Part Count verwendet, da diese nur die Bauteile zählt und den Stress in der konkreten Anwendung nicht berücksichtigt. Der Hersteller treibt vielmehr den Aufwand, für jedes Bauteil den Stress einzeln zu bestimmen und die MTBF nach der Part-Stress-Methode zu berechnen. Der Wert von 1,2 Millionen Stunden ist hervorragend und bürgt für eine hohe Zuverlässigkeit. Von manchen Anbietern wird eine hohe Zuverlässigkeit durch eine lange Gewährleistungsfrist suggeriert. Das ersetzt aber nicht die Aussage zur MTBF, denn diese ist die einzig zutreffende Spezifikation zur Ausfallwahrscheinlichkeit. Beim Vergleich von MTBF-Zahlen ist es wichtig, genau darauf zu achten, wie sie definiert sind, nach welchem Standard und unter welchen Betriebsbedingungen. Leider fehlen diese Angaben häufig.
- 4: Lebensdauer und MTBF werden häufig verwechselt, weil beide Größen in Stunden angegeben werden. Die Bedeutungen sind jedoch ganz unterschiedlich: Die MTBF definiert die statistisch durchschnittliche Ausfallrate während der normalen Lebensdauer. Die Lebensdauer gibt dagegen an, ab wann ein Verschleiß sich störend bemerkbar macht. Leider ist die Meinung verbreitet, dass es bei Elektronik keine Abnutzung gibt. Das gilt jedoch nicht für Elektrolytkondensatoren, bei denen im Laufe der Zeit der flüssige Elektrolyt durch die Abdichtung diffundiert. Der Elko trocknet langsam aus und verliert seine Eigenschaften. Dieser Vorgang ist stark temperaturabhängig: Eine Änderung von 10 °C wirkt sich mit dem Faktor 2 aus.
Die Hersteller der Elkos spezifizieren die Zeit bei einer bestimmten Temperatur, nach der sich die Daten um nicht mehr als um festgelegte Werte verschlechtert haben. Diese Zeit ist die Mindestlebensdauer. Puls misst die Temperatur jedes Elkos im Gerät und errechnet dann die Lebensdauer gemäß den Angaben der Hersteller. Benötigt man ein Netzteil mit einer langen Lebensdauer, braucht es sehr gute Elkos, die nicht heiß betrieben werden dürfen. Jeder Anwender kann die Lebensdauer in erster Näherung auch selbst bestimmen: er muss dazu die Elko-Temperatur messen und gemäß des Datenblatts des Herstellers die Lebensdauer berechnen. Das CP10 erreicht eine Mindestlebensdauer von 101.000 Stunden gemessen bei 40 °C Umgebungstemperatur sowie Volllast und liegt damit deutlich über den heute üblichen Werten. Bei Puls ist man davon überzeugt, dass die Spezifikation der Lebensdauer grundsätzlich eine wichtige Information für die Anwender ist, und legt sich deshalb als Pionier schon seit 2005 in allen Produkten der Dimension-Familie auf entsprechende Angaben in den Datenblättern fest. Für die gesamte Gerätefamilie gilt ein Standard von mindestens 50.000 Stunden bei 40 °C Umgebungstemperatur. Weil das schwierig zu erreichen ist, „schwitzen bei Puls die Entwickler und nicht die Geräte“.
5: Auch alle anderen Komponenten im System profitieren vom hohen Wirkungsgrad: die Abwärme ist geringer, die Zuverlässigkeit steigt und der Aufwand für die Lüftung bzw. Kühlung im Schaltschrank kann reduziert werden.
Niedriger Einschaltstrom
Schaltnetzteile haben konzeptbedingt einen groß dimensionierten Puffer-Elko direkt am Netz, der beim Anlegen der Spannung aufgeladen werden muss. Um den Einschaltstrom zu begrenzen, wird üblicherweise ein Heißleiter in Reihe zum Netz geschaltet. Dieser ist beim Einschalten hochohmig, erwärmt sich dann aufgrund des Eingangsstroms des Netzteils und wird damit niederohmig. Doch um niederohmig zu sein, muss er, wie der Name schon sagt, heiß werden.
Der Heißleiter bildet im Netzteil einen Hot Spot mit bis zu 160 °C Oberflächentemperatur und erzeugt so vermeidbare Verluste. Um diese gering zu halten, wird oft ein Heißleiter mit geringerem Widerstand eingesetzt, der jedoch den Einschaltstrom nur mäßig begrenzt. Ein weiteres Problem des Heißleiters ist, dass er beim Warmstart noch warm ist und den Strom kaum begrenzt oder dass er sich bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen zu wenig erwärmt. Dann würde bei einem plötzlichen Lastsprung und niedriger Netzspannung die Ausgangsspannung einbrechen, weil der Heißleiter zu viel Spannungsabfall erzeugt.
All diese Probleme und Widersprüche lassen sich mit einer aktiven Einschaltstrombegrenzung verhindern, wie sie beim CP10 verwendet wird. Sie überbrückt den hochohmigen Heißleiter nach dem Einschaltvorgang mit einem Relais. Man erhält einen niedrigen Einschaltstrom, einen hohen Wirkungsgrad und sogar das Potenzial, bis -40°C zu arbeiten.
Komfortfunktionen
Trotz der kompakten Bauform ist das CP10 einfach einzusetzen. Die Klemmen sind großzügig bemessen und lassen sich gut verdrahten. Anschlusslitzen mit bis zu 4 mm² Querschnitt sind möglich und der Minuspol ist auf drei Klemmen gelegt. Optional sind die besonders vibrationssicheren Federkraftklemmen zum schnelleren Anschließen lieferbar. Das DC-OK-Signal zur Überwachung der Ausgangsspannung wird über einen Relaiskontakt ausgegeben und bis +45 °C stehen 288 W dauerhaft zur Verfügung. Der Temperaturbereich geht ohne Einschränkungen von -25 bis +60 °C und eine Atex/IECex- Zulassung ist im Standard enthalten. ge
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