Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
AC/DC-Netzgeräte in Hutschienen-Technik mit sieben Jahren Garantie : Ausgabe 20/2014, 06.11.2014

Zuverlässigkeit hat oberste Priorität

Netzgeräte für den Schaltschrankeinbau in der Automation sind grösserem Stress ausgesetzt als in der Büro- oder Heimelektronik. Auch sind Produktionsanlagen oft lange Jahre in Betrieb – im Schichtbetrieb oft rund um die Uhr. Um einen teuren, unplanmässigen Produktionsstillstand zu vermeiden, verlangt die Automations-Branche nach bezahlbaren Netzgeräten mit sehr langer Garantie.

Wenn das Netzteil eines PCs nach drei oder vier Jahren seinen Dienst quittiert, ist man zwar nicht erfreut, nimmt es aber in der Regel als Anstoss zum Umstieg auf ein neueres Modell. Ganz anders ist die Problematik für Netzteile in der Steuerung einer Industrieanlage. Dort sollten sie nicht nur sehr viel länger ihren Dienst tun, sie sind in der Regel auch weitaus grösseren Belastungen ausgesetzt.

Meist arbeiten sie, fein säuberlich auf Hutschiene montiert, Seite an Seite mit Relais, Schützen, Verteilerblöcken oder Sicherungsschaltern in einem luftdichten Schaltschrank. In diesem Umfeld kann es nicht nur recht warm werden, auch der Stress, dem die Elektronik durch Stromspitzen und elektromagnetische Störeinflüsse dauerhaft ausgesetzt ist, muss mit ins Kalkül gezogen werden. Kein Wunder also, wenn man bei der Auswahl von DIN-Rail-Netzteilen der Frage nach der Zuverlässigkeit oberste Prio-rität einräumt.

Gibt es ein Mass für Zuverlässigkeit?

Die Antwort auf diese Frage lautet JEIN. Manche glauben, das Thema sei mit der MTBF – der «Mean Time Between Failure» – abgehakt. Dabei handelt es sich um einen theoretischen Wert, der auf Basis von Kennwerten aller zum Einsatz kommenden Komponenten errechnet wird. Aber diese Grösse liefert allenfalls erste Anhaltspunkte. Denn die MTBF bezieht sich auf die Zeitspanne zwischen zwei Fehlern. Wer aber eine Anlage konzipiert, würde gerne bereits den ersten Defekt vermeiden.

Wesentlich brauchbarer ist die Angabe einer «Design Lifetime», die man auf Basis sogenannter «HALT-Tests» (Highly Accellerated Life Test) in der Praxis ermitteln kann. Das Ziel von «HALT-Tests» ist es, in einem durch Vibration, hohe Luftfeuchte und schnelle Temperaturwechsel extrem beschleunigten Alterungsprozesses bereits bei der Entwicklung von Prototypen Schwachstellen zu entdecken und zu beseitigen. Beim Test einer begrenzten Zahl von Serienprodukten erhält man dann recht sichere Aufschlüsse über die durchschnittliche Lebenserwartung eines Modells. Allerdings sind solche Tests noch nicht an der Tagesordnung – zumindest machen nur wenige Hersteller entsprechende Angaben.

In der Frühphase finden erste Tests im Umweltlabor statt

Zur Steigerung der «Design Lifetime» betreibt Recom seit einigen Jahren ein eigenes Umweltlabor, in dem jedes neue Produkt schon in der Frühphase der Entwicklung getestet wird. Änderungen, die sich als Konsequenz der Tests ergeben, lassen sich so schon lange vor dem Produktionsstart durchführen. Für einige LED-Treiber spezifiziert man eine «Design Lifetime» von 70 000 Stunden. Bei den neuen DIN-Rail-Netzteilen, die erstmals auf der electronica in München zu sehen sein werden, soll die Lebenserwartung noch höher sein. Verlässliche Daten auf Basis von Produktionsgeräten werden in einigen Monaten vorliegen.

Umgebungstemperatur und Eigenwärme schaden Zuverlässigkeit

Die wesentlichen Faktoren, die die Lebenserwartung eines Netzteils begrenzen, sind schnell genannt: es sind primär die Elkos, die Ferritkerne von Trafos und Drosseln sowie Fremdspannungen und elektromagnetische Einflüsse von aussen. Bei den beiden Erstgenannten spielt die Umgebungstemperatur eine wichtige Rolle. Bei den Elkos verdampft im Laufe der Zeit das Elektrolyt – und dies umso schneller, je höher die Betriebstemperatur ist. Ähnliches gilt für das Ferritmaterial, das bei zu hohen Temperaturen seine Performance verliert und damit die Überhitzung noch verstärkt – Ende absehbar.

DIN-Rail-Netzteile werden meist in Schaltschränken verbaut, die zum Schutz gegen Staub und Schmutz geschlossen sind. Eingeschränkte Kühlung aber sorgt tendenziell für höhere Umgebungstemperaturen, was man beim Design von Netzteilen schon deshalb berücksichtigen muss, weil diese zusätzlich Eigenwärme produzieren. Wie also ist das Thema «Zuverlässigkeit» bei Netzteilen «zuverlässig» in den Griff zu bekommen?

Im Fokus der Entwicklung standen Sicherheitsreserven

Bei der von Grund auf neu konzipierten REDIN-Familie ging es dem Recom-Entwicklungsteam von der Stunde null an darum, in allen kritischen Bereichen genügend Sicherheitsreserven einzubauen. Das begann mit der Definition der Gehäusegrösse, der eine aufwendige Thermosimulation vorausging. Wählt man diese zu klein, bekommt man Prob- leme beim Wärmemanagement. Das äussert sich dann zum Beispiel darin, dass einzelne Module im Schaltschrank nicht dicht an dicht oder in der Nähe andere Wärmequellen montiert werden dürfen. Auch innerhalb eines Moduls wird mehr Platz benötigt, um für eine gute Temperaturbalance zu sorgen.

Dafür muss neben dem elektronisch optimalen auch das thermisch optimale Design gefunden werden – im Alltag des Entwicklers eine reine Sisyphusarbeit. Jeder Millimeter Abstand zwischen «hot spots» untereinander oder auch zu den Kondensatoren nagt am Wirkungsgrad oder wirkt als «Antenne» für Störpegel aus dem Umfeld. Hinzu kommt das Thema elektromagnetische Verträglichkeit, für das man sich möglichst kurze Wege zwischen Filtern und Schalttransistoren wünscht. Es erfordert viel Erfahrung in den tiefsten Tiefen der Analogtechnik, um für alle diese Faktoren die besten Kompromisse zu finden.

Keine Kompromisse sind bei der Auswahl der verwendeten Komponenten zu machen – «simply the best» heisst hier die Devise! Wo man Elkos nicht durch von den Abmessungen her grössere Kondensatoren ersetzen kann, kommt die teure «Longlife»-Variante zum Einsatz, die für Umgebungstemperaturen von +105°C zugelassen ist. Ähnliches gilt für das «High Temperature Grade»-Material beim Ferritkern von Trafo und Drosseln, das für noch höhere Temperaturen zugelassen ist.

Bestmarken in fast allen Aspekten

Mit über 12 Monaten hat Recom in die neue DIN-Rail-Familie weit mehr Entwicklungszeit investiert als in alle bisherigen Produkte. Das Ergebnis kann sich sehen lassen. Die neue Netzgerätefamilie erzielt fast in allen Bereichen Bestwerte. Zunächst gibt es die Leistungsklassen 45 W (REDIN 45) und 60 W (REDIN 60). Am Ausgang stehen 12 oder 24 VDC zur Verfügung. Damit kann man rund 50 Prozent der gängigen Applikationen abdecken. Weitere Modelle sind in Entwicklung.

Mit 41 mm Einbaubreite sind die Module recht schmal. Wertvoller Platz im Schaltschrank lässt sich zusätzlich dadurch sparen, dass eine beliebige Zahl von Modulen ohne Zwischenräume nebeneinander eingebaut werden darf. Dies erreicht man durch ausgeklügeltes Thermomanagement im Modul selbst sowie durch den hohen Wirkungsgrad von bis zu 87 Prozent. Für Schaltschränke mit wenig Einbautiefe lassen sich die Module auch seitlich montieren. Obwohl für Industrie-applikation nicht erforderlich, entspricht die Leerlaufleistung mit

Sieben Jahre «Fit & Forget»-Garantie

Die REDIN-Familie gehört zwar nicht zu den billigsten Alternativen ihrer Klasse – aber sicher zu den besten. Die «Design Lifetime» wird deutlich oberhalb von zehn Jahren liegen. Nur konsequent also, dass die neuen Modelle mit sieben Jahren Vollgarantie ausgestattet sind. «Fit & Forget» nennt man das beim Herstel- ler – einbauen und vergessen! Die Module werden erstmals auf der electronica in München in Halle B2/311 gezeigt. Sie sind ab Dezember 2014 u.a. bei DigiKey erhältlich.

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DIN-Rail-Netzteile sind beim Einsatz in Schaltschränken oft viele Jahre lang rund um die Uhr hohen Belastungen ausgesetzt – die zuverlässige REDIN-Familie bietet sieben Jahre Garantie


Blick ins Reliability-Labor von Recom in AT-Gmunden, wo die REDIN-Familie in HALT-Tests unter Extrembedingungen getestet wurde