Platinenexterne AC/DC-Stromversorgungen bieten eine breite Palette an Optionen und Kosteneffizienz

Als frischgebackener Absolvent der Fertigungstechnik war eine meiner ersten Aufgaben, einen leitenden Ingenieur bei der Entwicklung eines AC/DC-Schaltnetzteils für einen hochwertigen industriellen PID-Regler (Proportional-Integral-Differential) zu unterstützen. Meine „Hilfe“ bestand größtenteils darin, die Kaffeetassen aufzufüllen und Komponenten für Steckplatinen zu besorgen. Er war jedoch ein geduldiger und sachkundiger Mentor, und ich lernte in wenigen Wochen mehr über die Entwicklung eines Netzteils von Grund auf als in einem ganzen Semester an der Universität.

Danach gelang es mir sogar, ein oder zwei brauchbare eigene Schaltnetzteilentwürfe zu entwickeln, wenn auch auf der Grundlage von Architekturen, die ich mir (mit Genehmigung) von dem leitenden Ingenieur ausgeliehen hatte.

Einige Jahre später stellte das Unternehmen, für das ich arbeitete, fest, dass es kostengünstiger war, modulare AC/DC-Netzteile von einem kommerziellen Anbieter zu kaufen, als selbst welche zu entwickeln. Das Ergebnis war für die Entwickler etwas weniger lustig, aber unsere Erfahrung war dennoch wichtig, um sicherzustellen, dass wir die beste kommerzielle Lösung für die Spezifikationen unseres Produkts auswählen.

Anpassung eines Netzteils an die Anwendung

Die Kenntnis der technischen Parameter wie Wirkungsgrad, Eingangseinschaltstrom, Welligkeit und Rauschen sowie Anlaufüberschwingungsspannung ermöglichte es uns, die kommerziellen Lösungen zu testen und zu überprüfen, um sicherzustellen, dass sie den Leistungsanforderungen der industriellen PID-Regler entsprechen und eine angemessene Regelung sowie eine verlängerte mittlere Ausfallzeit (MTBF) bieten.

Eine kommerzielle Lösung auf die Produktspezifikation der Anwendung abzustimmen, war jedoch leichter gesagt als getan, denn damals beschränkte sich die Palette der Lösungen eines jeden Anbieters in der Regel auf einige wenige Varianten. Hinzu kommt, dass die Auswahl an Varianten noch geringer wurde, nachdem wir unsere Budgetbeschränkungen berücksichtigt hatten. Das bedeutete oft, dass man ein Netzteil verwenden musste, das einigermaßen gut funktionierte, aber in der Regel einen Kompromiss darstellte.

So kam es beispielsweise vor, dass wir mit einem handelsüblichen Netzteil arbeiteten, das zwar die Strom- und Spannungsanforderungen unserer Regler erfüllte, aber oft außerhalb seines effizientesten Leistungsbereichs arbeitete, insbesondere bei niedrigen Lasten. Das Ergebnis waren zusätzliche Herausforderungen in Bezug auf die Verlustleistung und das Wärmemanagement, auf die wir hätten verzichten können.

Ausweitung der Angebote

Die Welt der modularen Stromversorgungen hat sich in den Jahrzehnten, seit ich meine rudimentären Entwürfe gezeichnet habe, zum Besseren gewandelt. Heute ist der Umfang der kommerziellen Standardlösungen atemberaubend, und das Angebot ist auch bei knappen Budgets nicht eingeschränkt.

Nehmen wir zum Beispiel die industriellen AC/DC-Stromversorgungen von TRACO Power. Das Unternehmen hat seine bereits breit gefächerte TXN-Serie um vier neue Leistungsstufen erweitert. Die Einheiten bieten jetzt 35, 200, 350 oder 800 Watt Leistung und können für jede Leistungsstufe mit einer Ausgangsspannung von 12, 15, 24 oder 48 Volt spezifiziert werden. Für die 35-Watt-Version sind auch 3,3- und 5-Volt-Optionen erhältlich. Beispiele aus der Produktpalette sind das TXN 35-124, ein AC/DC-Netzteil für 35 Watt und 24 Volt; das TXN 200-124 für 200 Watt und 24 Volt; das TXN 350-115 für 350 Watt und 15 Volt (Abbildung 1) und das TXN 800-148 für 800 Watt und 48 Volt.

Bild 1: Das 350-Watt-Netzteil TXN 350-115 liefert 15 Volt Gleichstrom aus einem AC-Eingang von 90 bis 260 Volt. (Bildquelle: TRACO Power)

Die Netzteile sind in Metallrahmen untergebracht und verfügen über Schraubklemmenanschlüsse. Sie sind die kosteneffizienteste AC/DC-Produktreihe, die das Unternehmen anbietet. Zu den Merkmalen gehören eine verstärkte I/O-Isolierung von 3000 Volt AC (VAC), ein interner EN55032-Filter der Klasse B zur Reduzierung leitungsgebundener und abgestrahlter Emissionen, eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC) über 100 Watt, IEC/EN/UL 62368-1-Sicherheitszulassungen und die Einhaltung der EN 61000-3-2 für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die Geräte verfügen sogar über einen internen Lüfter zur Zwangskühlung.

Leistung zu einem günstigen Preis

Die Kosteneffizienz der TXN-Serie von TRACO Power hat jedoch nicht zu Kompromissen bei der Leistung geführt. Das TXN 350-115 hat zum Beispiel einen Eingangsbereich von 90 bis 260 VAC und einen Betriebstemperaturbereich von -30 bis 70 °C. Es liefert eine einstellbare Nennausgangsspannung (V_out(nom)) zwischen 13,5 und 15,5 Volt bei einem maximalen Ausgangsstrom (I_out(max)) von 22 Ampere (A) und einer maximalen Ausgangsleistung von 330 Watt.

Bei einem 230-Volt-Eingang beträgt die aktive PFC 0,95. Die Genauigkeit der Spannungseinstellung beträgt ±1%, die Regelung variiert um 1% bei einer Laständerung von 10 bis 90%, und die Ausgangsspannungswelligkeit beträgt maximal 150 Millivolt Spitze-Spitze (mV_p-p) (Abbildung 2). Das Netzteil bietet eine Ausgangsstrombegrenzung von 110 bis 160% I_out(max) und einen Überspannungsschutz von 110 bis 140% V_out(nom) . Die MTBF beträgt 230.600 Stunden.

Abbildung 2: Das TXN 350-115 weist eine maximale Ausgangsspannungswelligkeit von 150 mVp-p auf und trägt damit zur Entschärfung von EMV-Problemen bei. (Bildquelle: TRACO Power)

Die flache Effizienzkurve der Geräte von TRACO Power trägt dazu bei, die Probleme mit der Temperatur und der Verlustleistung zu verringern, mit denen ich in jüngeren Jahren konfrontiert war, als ich weniger leistungsfähige Netzteile verwendete. Bereits bei einer relativ geringen Last von etwa 20% weist das TXN 350-115 einen Wirkungsgrad von über 75% auf (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das TXN 350-115 weist einen Wirkungsgrad von über 75% für Lasten über 20% auf. Dies trägt dazu bei, die Probleme mit der Verlustleistung zu lösen. (Bildquelle: TRACO Power)

Fazit

Obwohl es mir Spaß gemacht hat, ein externes AC/DC-Industrienetzteil von Grund auf neu zu entwickeln, sparen Standardlösungen Projektzeit und ermöglichen es den Entwicklungsteams, sich auf andere Aspekte des Endprodukts zu konzentrieren. Darüber hinaus ist die Bandbreite der heutigen Stromversorgungsoptionen so groß, dass es möglich ist, eine Lösung zu finden, die der optimalen Leistung und Effizienz für praktisch jede Anwendung sehr nahe kommt.