Leistungselektronik / Stromversorgung – Erfüllung internationaler Standards mit platinenmontierten AC/DC-Netzteilen
Warum es effizienter ist, handelsübliche Netzteile einzusetzen, anstatt diese selbst zu entwickeln.
Platinenmontierte AC/DC-Netzteile von 3 bis 20 Watt werden in einer wachsenden Vielfalt von Anwendungen eingesetzt: IoT, Industrie- und Gebäudeautomation, Informationstechnologie oder Haushaltsgeräte. Es kann verlockend sein zu versuchen, AC/DC-Netzteile mit geringer Leistungsaufnahme zu entwerfen. Aber der Prozeß ist komplexer und zeitaufwendiger, als es auf den ersten Blick scheint. Die Designs müssen anspruchsvolle Leistungsanforderungen erfüllen, darunter weite Eingangsspannungsbereiche, Spitzenleistungen und hohe Leistungsdichten. Außerdem müssen sie nach zahlreichen internationalen Normen für Sicherheit, Effizienz, Standby-Leistung und Elektro-Magnetische Verträglichkeit (EMV) zertifiziert sein.
Stattdessen können Entwickler kompakte, platinenmontierte AC/DC-Netzteile verwenden, die nach allen relevanten internationalen Leistungsstandards zertifiziert sind, was die Zeit bis zur Marktreife verkürzt.
Kombinationen aus AC/DC-Wandlern
AC/DC-Netzteile können in Reihe oder parallel geschaltet werden, um höhere Leistungen oder einen redundanten Hot-Swap-Betrieb zu ermöglichen. Parallel geschaltete Netzteile können verwendet werden, um höhere Ströme oder eine höhere Zuverlässigkeit durch Redundanz zu erreichen. Höhere Ströme sind möglich, wenn beide Netzteile bei oder nahe ihrer vollen Ausgangsnennströme betrieben werden. Die Ausgangsspannung ändert sich nicht, aber der verfügbare Strom wird erhöht, wodurch die Ausgangsleistung gesteigert wird.
Redundante Stromversorgungskonfigurationen verwenden mehrere Netzteile, um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen, nicht um die verfügbare Leistung zu steigern. Redundante Konfigurationen können verschiedene Formen annehmen. In einer Topologie ist das System so konfiguriert, daß es im Normalbetrieb nur von der „primären“ Stromversorgung Strom bezieht und bei einem Ausfall der primären Versorgung automatisch auf die „Backup“- Stromversorgung umschaltet.
Anstatt Netzteile parallel zu schalten, um die verfügbare Leistung zu erhöhen, kann diese auch durch Reihenschaltung von Netzteilen erhöht werden. Bei diesem Beispiel haben beide Netzteile die gleiche Ausgangsspannung, VO, und die Reihenschaltung liefert 2 VO. Da sich der an die Last abgegebene Strom nicht ändert, erhöht eine Verdopplung der Spannung die Wirkleistung.
Beide Konfigurationen enthalten ODER-Dioden zur Isolierung der Ausgänge der Netzteile. Wenn eine der Stromversorgungen ausfällt, schützen die ODER-Dioden das System vor einem katastrophalen Ausfall. Der Nennstrom der ODER-Diode sollte größer sein als der Ausgangsstrom des Netzteils, und die Durchbruchspannung muß größer sein als die Ausgangsspannung des Netzteils.
Überlegungen zum AC/DC-Eingang
Während es mehrere Möglichkeiten gibt, die Ausgänge von zwei oder mehr AC/DC-Stromversorgungen miteinander zu verbinden, um zusätzliche Funktionalität zu erhalten, ist es nicht möglich, die Eingänge von zwei AC/ DC-Wandlern zu verbinden, um den Eingangsspannungsbereich zu vergrößern. Aus diesem Grund werden AC/ DC-Netzteile mit breitem Eingangsbereich (auch Universaleingang genannt) immer beliebter. Die Absicherung ist auch bei Eingängen von AC/DC-Netzteilen ein wichtiger Aspekt.
Die Verwendung von zeitverzögerten (trägen) Sicherungen wird generell empfohlen. Sicherungen können an beide Eingangsleitungen angeschlossen werden, wenn der Eingang nicht gepolt ist. Typische Empfehlungen für die Sicherungsgröße für einphasige AC/ DC-Netzteile sind 1,5 Ampere (A) für Leistungen unter 40 Watt, 2 A für Leistungen über 40 Watt, aber weniger als 60 Watt, und 3 A für Leistungen von 60 Watt oder mehr.
Wenn das AC/DC-Netzteil einen Erdungsstift (FG) hat, muss dieser mit einem Sicherheitserdungspunkt geerdet werden. Die Ausgangsspannung -VOUT kann mit FG verbunden werden, wodurch der Ausgang +VOUT auf Masse referenziert wird. Entwickler sollten kurze, dicke Verbindungsleitungen spezifizieren, um solide Verbindungen zu gewährleisten und Elektro-Magnetische Störungen (EMI) weiter zu reduzieren.
3 Watt für IoT-, IIoT- und Haushaltsanwendungen
Für Entwickler von IoT-, IIoT- und Haushaltsanwendungen, die eine Leistung von 3 Watt benötigen, bietet Recom das AC/DC-Netzteil RAC03E-12SK/277 an, das einen einzelnen, streng regulierten 12-Volt-Gleichstromausgang liefert. Diese international zertifizierten Netzteile verfügen über einen erweiterten weiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 120 bis 430 Volt DC und entsprechen den ErP-Standby-Anforderungen. Die Serie POWERLINE RAC03-K/277 (3W) verfügt über einen weiten Betriebstemperaturbereich und liefert bei natürlicher Konvektionskühlung die volle Ausgangsleistung bei Temperaturen von -30 °C bis +75 °C (mit Ausnahme der Geräte mit 3,3-Volt-Ausgang, die die volle Leistung bis +70 °C liefern).
10 Watt für Prozeßautomatisierung und intelligente Gebäude
Die 140-prozentige Spitzenleistung des 10-Watt-AC/DC-Netzteils RAC10-05SK/277 mit 5-Volt-Gleichstromausgang unterstützt den transienten Leistungsbedarf von Systemen mit induktiven Lasten, hohen Anlaufströmen oder nichtlinearen Lasten, wie z.B. in der Prozeßautomatisierung und in intelligenten Gebäudeanwendungen. Diese platinenmontierten AC/DC-Stromversorgungen verfügen über internationale Sicherheitszertifizierungen sowohl für Industrie- als auch für Haushaltsstandards.
Die 10-Watt-Modelle sind mit einzelnen Ausgangsspannungen von 3,3 bis 24 Volt DC oder in Versionen mit zwei Ausgängen erhältlich, die ±12 oder ±15 Volt DC liefern. Diese Stromversorgungen erfüllen die IEC62477-1 Überspannungskategorie III (OVC III) für industrielle Systeme, die in festen Installationen eingesetzt werden, und für Fälle, in denen besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Geräte gestellt werden. Die Stromversorgungen in diesen Installationen haben in der Regel einen festen, fest verdrahteten Anschluß an die AC-Verteilungstafel.
20-Watt-Netzteile mit ultra-niedriger Leerlaufleistung
Entwickler von IoT- und intelligenten Geräten können vom Einsatz der AC/ DC-Module der POWERLINE RAC20-K (20W) profitieren. Die Version RAC20-48SKbeispielsweise erzeugt einen 48-Volt- Gleichstromausgang mit einer Leerlaufleistungsaufnahme von nur 40 Milliwatt (mW) bei Anwendungen im Dauerbetrieb und im Standby-Modus. Diese Netzteile entsprechen dem Standby- Standard ErP Lot 6. Sie sind mit einem Weitbereichseingang von 85 bis 264 Volt AC und optional mit einem extra weiten Eingangsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 120 bis 370 Volt DC erhältlich. Modifizierte Versionen dieser Stromversorgungen erfüllen den Standard IEC62477-1 OVC III. Diese platinenmontierten Stromversorgungen sind mit Einzelausgangsspannungen von 5 bis 48 Volt DC oder in Versionen mit zwei Ausgängen erhältlich, die ±12 oder ±15 Volt DC liefern.
Bessere EMI-Filterung
Die in diesem Artikel besprochenen AC/DC-Netzteile der Serie RAC von Recom bieten alle einen eingebauten Netzfilter, der die EN 55022 Klasse B für leitungsgebundene Emissionen erfüllt. Bei anspruchsvolleren Anwendungen kann jedoch eine zusätzliche Filterung erforderlich sein. Wenn ein externer Filter hinzugefügt wird, sollte eine zentrale Stern-Erd-Verdrahtungstopologie verwendet werden, und die Verkabelung zwischen dem externen Filter und dem Umrichter sollte so kurz wie möglich sein.
Fazit: Komplexe Systeme, standardisierte Lösungen
Der Bedarf an platinenmontierten AC/ DC-Netzteilen mit geringer Wattzahl wächst weiter, aber sie bleiben komplexe Systeme. Wenn ein Entwickler nicht mit den Feinheiten des Stromversorgungsdesigns, der Prüfung und der Einhaltung von Vorschriften vertraut ist, kann die Entwicklung von Grund auf zeitaufwendig sein und zu zusätzlichen Kosten, Verzögerungen im Entwicklungszeitplan und mehr Platz auf der Platine als nötig führen.
In vielen Fällen ist es besser, aus einer Reihe von handelsüblichen, kompakten, platinenmontierten AC/DC-Netzteilen zu wählen. Wie gezeigt, sind diese in einer Vielzahl von Eingangsspannungsbereichen erhältlich und können entweder AC- oder DC-Eingänge akzeptieren. Darüber hinaus sind sie wahrscheinlich bereits nach allen relevanten internationalen Leistungsstandards und Konformitätsvorschriften zertifiziert.