Auswahl der optimalen Hutschienennetzteile

Standardisierte Hutschienen machen es einfach, ein Netzteil in ein elektrisches Gehäuse einzubauen. Entwickler können es sich jedoch nicht leisten, den Wirkungsgrad und die Wärmeabgabe zu übersehen, die sich auf die Zuverlässigkeit, die Lebensdauer und die Betriebskosten einer Anwendung auswirken können.

Unzuverlässige Netzteile können ärgerlich sein für Systementwickler und deren Kunden. Es ist zeit- und kostenaufwendig, eine Leistungsstufe früher als vorgesehen auszutauschen, und die Systemausfallzeit ist in vielen Anwendungen einfach nicht akzeptabel.

Hitze geht Hand in Hand mit Ineffizienz und Ausfällen in Hutschienennetzteilen. Hitze kann die Elektrolytkondensatoren austrocknen, die in Netzteilen verwendet werden, um Strom zu speichern und Spannungs- und Stromschwankungen auszugleichen.

Kondensatoren sind die temperaturempfindlichsten Bauteile und fallen in Netzteilen oft als erstes aus. Ein Temperaturanstieg von 10 °C kann die erwartete Lebensdauer halbieren, daher ist der Schutz vor Überhitzung ein entscheidender Faktor bei der Konstruktion. Auch Halbleiter und Lötstellen sind anfällig für Temperaturerhöhungen.

Durch ein effizientes Design, ein angemessenes Wärmemanagement und die Auswahl hochwertiger Komponenten können Produktentwickler die Auswirkungen von Hitze abmildern, die Lebensdauer verlängern und die Zuverlässigkeit des Systems erhöhen.

Optimierung von hocheffizienten Designs

Der Wirkungsgrad eines Hutschienennetzteils wird durch das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung dargestellt. Ein Netzteil, das mit einem Wirkungsgrad von 95 % arbeitet, verliert beispielsweise nur 5 % der zugeführten Energie als Wärme, während ein weniger effizientes Netzteil mit 85 % Wirkungsgrad 15 % verliert.

Hocheffiziente Netzteile reduzieren die Wärmeentwicklung, verringern den Kühlungsbedarf, stellen besser sicher, dass die Elektrolytkondensatoren die vom Hersteller angegebene Lebensdauer erreichen, und erhöhen die allgemeine Zuverlässigkeit der Stromversorgungseinheit.

Durch ein optimiertes Wärmemanagement kann die Wärme an die äußere Umgebung abgeleitet werden, um die Innentemperaturen zu senken. Darüber hinaus können Stromversorgungen die Wärmeeinwirkung auf temperaturempfindliche Komponenten minimieren und so die allgemeine Haltbarkeit und Lebensdauer erhöhen.

Stromversorgungen werden immer komplexer und schrumpfen gleichzeitig in ihrer Größe. Der begrenzte Platz in ihnen unterstreicht die entscheidende Rolle der Kühlkanäle, die von den Planern als integraler Bestandteil betrachtet werden sollten. Durch ausgeklügelte Kühlkonzepte kann oft auf interne Kühlkörper verzichtet werden, was das Gewicht eines Netzteils weiter reduziert und die Produktionskosten erheblich senken kann.

Praktiken zur Herstellung von Leistungsstufen

Hersteller wie PULS zeigen, dass es möglich ist, Stromversorgungen zu entwickeln, die durch hohe Effizienz, optimiertes Wärmemanagement und präzise Messtechniken sowohl zuverlässig als auch umweltfreundlich sind.

Die Messung der Effizienz von Stromversorgungen ist komplex.  Systementwickler sollten die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Daten auswerten, um sicherzustellen, dass sie durch standardisierte Testverfahren gewonnen wurden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Messdaten vertrauenswürdig und über verschiedene Produkte und Anbieter hinweg vergleichbar sind.  Der Wirkungsgrad sollte unter Bedingungen gemessen werden, die den tatsächlichen Systemlasten nahe kommen, einschließlich variabler Lasten und Temperaturbereiche.

Auch die Platzierung der Komponenten ist wichtig. Die strategische Positionierung von lebenswichtigen Komponenten in kühleren Bereichen kann dazu beitragen, die Lebensdauer zu maximieren. Elektrolytkondensatoren zum Beispiel können von der Platzierung in der Nähe eines kühlen Luftstroms profitieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine Wärmekarte zeigt den Vorteil der Platzierung von Elektrolytkondensatoren in der Nähe des Kühlluftstroms und weg von heißen Stellen. (Bildquelle: PULS)

PULS bietet ein umfassendes Angebot an DIN-Netzteilen. Die Produkte der Serie CP10 für 240 W erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 95,2 %, die Geräte der Serie CP20 für 480 W sogar bis zu 95,6 %. Der hohe Wirkungsgrad und das moderne thermische Design beider Serien minimieren die interne Wärmeentwicklung und machen sie für anspruchsvolle industrielle Anwendungen geeignet.

Das Unternehmen testete sein Netzteil DIMENSION CP10.241 (Abbildung 2) in einem Gehäuse und belastete es mit 80 % seiner Nennleistung. Diesen Tests zufolge stieg die Temperatur im Gehäuse nach vier Stunden Betrieb um etwa 19 °C. Ein Gerät mit 6,7 % geringerem Wirkungsgrad würde die Temperatur im Schaltschrank auf 35,3 °C erhöhen. Der Temperaturanstieg um 16,3 °C würde die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren um mehr als die Hälfte reduzieren.

Abbildung 2: Das DIMENSION CP10.241 von PULS. (Bildquelle: PULS)

Produktentwickler sollten auch bewerten, wie effizient ein Netzteil arbeitet, wenn es nicht mit voller Kapazität betrieben wird, da Teillast-Effizienzen bei der Entwicklung praktischer und kosteneffektiver Anwendungen immer wichtiger werden. Hohe Volllast-Wirkungsgrade ermöglichen kleine Bauformen, aber nicht viele Netzteile werden unter Volllast betrieben. Die PULS-Tests des Dimension CP20.241 zeigen, wie der Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Belastungen beeinflusst werden kann (Abbildung 3).

Abbildung 3: Wie sich der Wirkungsgrad des DIMENSION CP20.241 von PULS bei unterschiedlichen Lasten auswirkt. (Bildquelle: PULS)

Produktentwickler sollten auch sicherstellen, dass sie Netzteile auswählen, die den Energieeffizienzstandards wie Energy Star und IEC 62368-1 sowie den Richtlinien zur Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS) und zur Entsorgung von Elektro- und Elektronik-Altgeräten (WEEE) entsprechen, die sich mit gefährlichen Materialien und der Entsorgung von Elektronikschrott befassen.

Fazit

Effizienz und Wärmeableitung bei Hutschienennetzteilen sind entscheidende Faktoren für Produktentwickler. Ein hoher Wirkungsgrad senkt die Betriebskosten, minimiert die Umweltbelastung und verbessert die Zuverlässigkeit des Systems. Wirksame Strategien zur Wärmeableitung gewährleisten die Langlebigkeit der Komponenten und verhindern Systemausfälle. Das DIMENSION-Portfolio von PULS umfasst eine breite Palette von Hutschienennetzteilen, die für nahezu jede Anwendung eine passende Lösung bieten.