Die Betriebszuverlässigkeit ist ein Maß dafür, wie gut eine Stromversorgung ihre beabsichtigte Funktion ohne Ausfall erfüllen kann. Zu den wichtigsten Aspekten der Betriebssicherheit von Stromversorgungen gehören:
Konsistente Leistung: Das Netzteil muss eine stabile und genaue Spannung und Stromstärke ohne Schwankungen liefern, die den Betrieb der angeschlossenen Geräte stören könnten.
Langlebigkeit: Das Netzteil sollte den Umgebungsbedingungen, unter denen es arbeiten muss, standhalten können.
Minimale Ausfallzeiten: Die Stromversorgung sollte eine niedrige Ausfallrate haben und so konzipiert sein, dass die Wahrscheinlichkeit von Unterbrechungen minimiert wird, damit die Geräte so weit wie möglich in Betrieb bleiben.
Haltbarkeit: Das Netzteil sollte eine lange Lebensdauer haben, damit es nicht so häufig ausgetauscht oder repariert werden muss, was zur Zuverlässigkeit des Systems insgesamt beiträgt.
Einhaltung von Normen: Das Netzteil sollte die einschlägigen Industrienormen und Zertifizierungen erfüllen, die häufig Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit enthalten.
Stromversorgung und Industrie
Die Auslegung auf die Anwendungsumgebung ist der Schlüssel zur Maximierung der Betriebszuverlässigkeit des Netzteils. In der rauen Industrieumgebung gibt es eine Vielzahl von Bedingungen, die schlecht konzipierten Netzteilen zum Verhängnis werden können. Zu den klimabedingten Belastungen zählen extreme Hitze und Kälte, Temperaturschwankungen, Staub, Feuchtigkeit und Nässe einschließlich Salzsprühnebel. Zu den mechanischen Belastungen können Stöße und Vibrationen gehören. Elektrische Belastungen können Überspannungen, Einbrüche und Transienten sein. Schauen wir uns einige dieser Belastungen genauer an.
Zu den elektrischen Belastungen gehören häufige oder extreme Schwankungen der Eingangsspannung wie Überspannungen, Spannungsabfälle oder Spannungsspitzen. Diese können die Stromversorgungskomponenten, insbesondere Kondensatoren und Halbleiter, belasten und zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Bei AC/DC-Stromversorgungen kann eine schlechte Qualität der Eingangswechselspannung zu harmonischen Verzerrungen, elektrischem Rauschen und transienten Störungen in der Eingangsleistung führen, was im Laufe der Zeit zu einer Belastung und Verschlechterung der Stromversorgungskomponenten führt.
In vielen industriellen Umgebungen gibt es ein hohes Maß an elektromagnetischen Störungen (EMI), die von zahlreichen Quellen ausgehen können. Typische EMI-Erzeuger sind Schaltgeräte wie frequenzvariable Antriebe (VFDs) und Wechselrichter, Industriegeräte wie Schweißgeräte und Plasmaschneider, Industriegeneratoren oder auch andere Stromversorgungen. Hohe EMI-Werte können die Zuverlässigkeit von Stromversorgungen erheblich beeinträchtigen.
Andere elektrische Belastungen sind fehlende Zyklen, wenn ein oder mehrere Wechselstromzyklen nicht an den Eingang des AC/DC-Netzteils geliefert werden. Dies kann durch vorübergehende Störungen, Unterbrechungen oder Schaltvorgänge im Stromverteilungsnetz geschehen. Ausgelassene Zyklen können zu Gleichstromausfällen führen, die die Alterung und den Verfall von Komponenten beschleunigen.
Temperaturextreme. Eine häufige Ursache für Ausfälle sind zu hohe Temperaturen oder Temperaturschwankungen. Die meisten sind auf thermische Spannungen zurückzuführen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) der verschiedenen Materialien verursacht werden. Extreme Temperaturen beeinträchtigen sowohl elektrische als auch mechanische Komponenten.
Stöße und Vibrationen sind in industriellen Umgebungen häufig anzutreffen. Sie können mechanische Spannungen in elektronischen und mechanischen Komponenten verursachen. Häufige Folgen sind Risse in Lötstellen, das Lösen von Schrauben und anderen Befestigungselementen sowie Metallermüdung.
Messung der Betriebssicherheit
Die Messung der Betriebszuverlässigkeit industrieller Stromversorgungen beinhaltet die Bewertung ihrer Fähigkeit, unter den vorgegebenen Bedingungen über einen längeren Zeitraum hinweg konstant zu funktionieren. Es gibt verschiedene Methoden zur Bewertung der Betriebszuverlässigkeit, aber statistische Zuverlässigkeitsmessungen wie MTBF (Mean Time Between Failure) sind kein guter Indikator für die tatsächliche Betriebslebensdauer.
MTBF liefert nur einen allgemeinen Hinweis auf die Zuverlässigkeit und gibt keine Auskunft über die Arten von Ausfällen oder deren Ursachen. Noch wichtiger ist, dass die MTBF in der Regel unter kontrollierten Testbedingungen berechnet wird, die die vielfältigen und rauen Umgebungen, in denen Stromversorgungen eingesetzt werden, nicht vollständig abbilden können. Die Anwendungsumgebung kann die tatsächliche Zuverlässigkeit erheblich beeinflussen.
Nach den Erfahrungen der Recom-Kunden sind die meisten Frühausfälle auf Eingangsspannungsstöße und nicht auf die Alterung der Komponenten zurückzuführen, so dass sie bei MTBF- und ähnlichen Berechnungen nicht angemessen berücksichtigt werden.
Betriebssicherheit maximieren
Stromversorgungen verfügen über zahlreiche Funktionen zur Verringerung der elektrischen Belastung und zur Maximierung der Betriebssicherheit.
Industriefreundliche Designs
Die Netzteile zeichnen sich durch ein fortschrittliches thermisches Design und einen hohen Wirkungsgrad aus und ermöglichen den Betrieb bei Volllast über einen erweiterten Temperaturbereich, um die Belastung der Komponenten zu minimieren. Viele Designs verfügen über eine Ausgangsspannungs-Trimmung, die hilft, Spannungsabfälle auf langen Kabeln zu kompensieren.
Maximaler Eingangsspannungsbereich
Stromversorgungen verfügen über einen großen Eingangsbereich. Typische Beispiele sind AC/DC-Versorgungen mit 85 - 264 VAC Eingängen und DC/DC-Versorgungen mit 4,0 - 36,0 VDC Eingängen.
Spannungsaussetzer vermeiden
AC/DC-Wandler für den industriellen Einsatz erfüllen IEC/EN61000-4-11:2004+A1:2017, Kriterium B für Spannungseinbrüche und Unterbrechungen. Kontaktieren Sie uns für die Details.
Schutz vor Überspannung
Da Eingangsspannungsspitzen die häufigste Ursache für frühzeitige Ausfälle sind, müssen industrielle Stromversorgungen über mehrere Schutzvorrichtungen verfügen. Außerdem müssen sie über eine robuste Eingangsfilterung verfügen. Recom hat auch eine Reihe von Überspannungsschutzmodulen für die Leiterplattenmontage entwickelt, die spezifischen Industrienormen wie den Spezifikationen RIA12, NF F 01-510 und EN50155 für Schienenfahrzeuge oder den militärischen Überspannungsschutznormen MIL-STD-416G oder MIL-STD-1275E entsprechen. Die RSP-Serie ist mit 20 W, 45 W, 150 W, 200 W oder 300 W Dauerleistung für 110 VDC oder 24/28 VDC Nenneingangsspannungen erhältlich. Die Serie RSPxxx-168 kann Eingangsspannungsspitzen von bis zu 385 VDC verarbeiten.
EMI-Filterung
Wenn ein EMI-Schutz erforderlich ist, enthalten die meisten Recom-Datenblätter vorgeschlagene Filterschaltungen, die den Industriespezifikationen entsprechen. Recom hat auch eine Reihe von kostengünstigen Induktivitäten entwickelt, die für den Einsatz mit DC/DC-Wandlern optimiert wurden und deren EMV-Leistung durch leitungsgebundene und gestrahlte EMI-Messungen in unserer hauseigenen EMV-Prüfeinrichtung überprüft wurde. In Verbindung mit Stromwandlern bieten sie eine Komplettlösung zur EMI-Reduzierung.
Überstromschutz am Ausgang
Überstromschutz am Ausgang (OCP) minimiert die Auswirkungen von fehlenden Zyklen und Aussetzern, indem der Laststrom zum Schutz der Stromversorgung elektronisch begrenzt wird. Typische Techniken sind die Begrenzung des Stroms auf einen bestimmten Wert, das „Foldback“ des Stroms auf einen sicheren Wert bei steigender Last oder der „Hiccup“-Schutz (der Ausgang wird ausgeschaltet und nach einer Verzögerung wieder eingeschaltet). Wenn die Überstrombedingung immer noch besteht, wiederholt sich der Zyklus).
Einfacher Austausch
Natürlich kann alles scheitern – auch Recom-Netzteile. Wenn das Unvermeidliche schließlich eintritt, ist ein einfacher Austausch wichtig, um Ausfallzeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Eine Möglichkeit, den Austausch zu vereinfachen, ist die Verwendung eines Standard-Formfaktors, zum Beispiel eines DIN-Schienen-Netzteils.
Fazit
Eine hohe Betriebssicherheit ist ein wesentliches Kriterium bei einer Stromversorgung für den industriellen Einsatz. In diesem Beitrag wurden einige der Faktoren, die sich auf die Betriebszuverlässigkeit auswirken, und einige der Konstruktionsmerkmale, die Recom in seine Stromversorgungen einbaut, um eine lange Lebensdauer in der anspruchsvollen Industrieumgebung zu gewährleisten, erläutert.
