«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 Prozent als «State-of-the-Art», so ist es dem auf DIN-Schienen-Stromversorgungen spezialisierten Hersteller Puls gelungen, die Grenze auf über 95,2 Prozent anzuheben und damit dem Ideal von 100 Prozent wieder ein Stück näher zu kommen.
Optimierungen der Schaltungstechnik und Thermik
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 Software-Werkzeugen berechnet, simuliert und in vielen Varianten optimiert. Auch wenn jede Einzelheit nur einen kleinen Schritt bringt, summiert sich das zu einem signifikanten Endergebnis. Im Vergleich zu einem schon sehr guten Gerät mit 94 Prozent sind bei 95,2 Prozent die Verluste nochmal um über 20 Prozent niedriger.
Vorteile durch hohen Wirkungsgrad
Systeme werden heute immer kleiner und kompakter gebaut. Die Grenze der Verkleinerung ist bei Konvektionskühlung durch die Erwärmung bestimmt. Ein Netzteil mit geringen Verlusten hat viele Vorteile:
- Das Netzteil braucht weniger Volumen und Oberfläche, um die Verlustwärme an die Umgebung abzugeben. So konnte das CP10 um 35 Prozent auf eine Einbaubreite von nur 39 mm verkleinert werden und eröffnet damit neue konstruktive Varianten.
- Weniger Aufwand für die Kühlung. Man erkennt das ganz einfach an dem geringeren Gewicht: Das CP10 ist mit 600 g 30 Prozent leichter als Vergleichsgeräte. 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 eigent-lich für leichte Komponenten entwickelt wurde.
- Die hohe MTBF und damit die niedrige Ausfallrate ist ein weiterer Vorteil. Puls spezifiziert diese sogar in seinen umfangreichen Datenblättern bei verschiedenen Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Dabei wird nicht die einfachere Methode des einfachen «Part Count» verwendet, da diese nur die Bauteile zählt und den Stress in der konkreten Anwendung nicht berücksichtigt. Der Stromversorgungsspezialist treibt den Aufwand, für jedes Bauteil den Stress einzeln zu bestimmen und nach der «Part-Stress»-Methode die MTBF zu berechnen: 1,2 Mio. Stunden sind sehr gut und bürgen für eine hohe Zuverlässigkeit.
- Die Lebensdauer wird häufig mit der MTBF verwechselt, weil beide Grössen in Stunden angegeben werden. Die MTBF definiert die statistisch durchschnittliche Ausfallrate während der normalen Lebensdauer. Die Lebensdauer gibt an, ab wann ein Verschleiss sich störend bemerkbar macht. Viele meinen, dass es bei einer 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: 10 Grad Veränderung wirken sich mit dem Faktor 2 aus. Das CP10 erreicht eine Mindestlebensdauer von 101 000 Stunden, gemessen bei 40°C Umgebungstemperatur und Volllast des Netzteils, und liegt damit deutlich über den marktüblichen Werten.
Niedriger Netz-Einschaltstrom
Schaltnetzteile haben konzeptbedingt einen grossen Puffer-Elko am Netz liegen, der beim Anlegen der Netzspannung aufgeladen werden muss. Um den Einschaltstrom zu begrenzen, wird ein Heissleiter in Reihe zum Netz geschaltet. Dieser ist beim Einschalten hochohmig, erwärmt sich dann durch den Eingangsstrom des Netzteils und wird niederohmig. Doch um niederohmig zu sein, muss er, wie der Name schon sagt, heiss werden.
Der Heissleiter ist ein Hotspot mit bis zu 160°C Oberflächentemperatur im Netzteil. Ausserdem erzeugt er vermeidbare Verluste. Um diese gering zu halten, wird manchmal ein Heissleiter mit einem niedrigen Widerstand eingesetzt, doch dann begrenzt er den Einschaltstrom nur mässig. Weitere Probleme des Heissleiters sind, dass er beim Warmstart noch warm ist und wenig begrenzt oder umgekehrt, dass er sich bei sehr niedrigen Temperaturen zu wenig erwärmt und bei einem plötzlichen Lastsprung und niedriger Netzspannung die Ausgangsspannung einbricht, weil er zu viel Spannungsabfall hat.
All diese Probleme und Widersprüche vermeidet man mit einer aktiven Einschaltstrombegrenzung, 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 kleinen Bauform ist das CP10 «easy» 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 gibt es vibrationssichere Federkraftklemmen zum schnelleren Anschliessen. 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.
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