Zuverlässig versorgte Module sind in allen Branchen Voraussetzung für einwandfrei und unterbrechungsfrei produzierende Maschinen, Anlagen und Systeme. Mit der zunehmenden Komplexität industrieller Anlagen und dem steigenden Kostendruck im internationalen Wettbewerb wachsen die Anforderung an die Stromversorgungen seit Jahren. Bei der Auswahl der, auf ihre Anwendung abgestimmten, Netzteile fühlen sich allerdings viele Anwender allein gelassen. Deshalb ist es für Hersteller von Stromversorgungen unumgänglich, in Zukunft einerseits qualitativ hochwertige Standardprodukte für möglichst viele Einsatzbereiche zu bieten und zudem kundenspezifische Lösungen zu entwickeln. Auch eine übersichtliche und schnell verständliche Positionierung der Netzteilfamilien hilft dem Anwender, Zeit bei der Auswahl zu sparen. Phoenix Contact hat den Geschäftsbereich Stromversorgungen am neuen Standort in Paderborn ausgebaut. Dort arbeiten Entwicklungs-, Marketing- und Produktionskompetenz eng zusammen, um neue Stromversorgungsprodukte anzubieten.
Wohin mit der Wärme?
Werden Stromversorgungen immer kompakter und leistungsfähiger ist eine der wichtigsten Fragen: Wie bekommt man die entstehende Wärme effizient aus dem Gerät heraus? Denn thermisch sind die Bauelemente einem Stressfaktor ausgesetzt, der die Lebenszeit des Gerätes verringert. Grundsätzlich wäre die beste Lösung, erst gar keine bauteilbehafteten Wärmeverluste im Inneren des Gerätes entstehen zu lassen. Da dies physikalisch unmöglich ist, müssen sich Entwicklungsingenieure bereits in der frühen Engineeringphase Gedanken über passende Entwärmungskonzepte machen. Dabei gilt es sowohl technologische als auch ökonomische Aspekte zu beachten. So wird sichergestellt, dass sich die kostenintensive Neuentwicklung von Stromversorgungen rechnet und das Produkt zu einem wettbewerbsfähigen Preis angeboten werden kann.
10 Kelvin verdoppeln die Lebensdauer
Eine Herausforderung beim Entwärmen zeigt sich zum Beispiel bei stetigen Laständerungen am Ausgang der Stromversorgung. Auch in diesem Fall muss die geforderte Ausgangsleistung effektiv und schnell bereitstehen. Dieser dynamische Vorgang kann die Stromversorgung wiederkehrend, für mindestens fünf Sekunden, mit bis zu 150 Prozent des Nennstromes belasten.
Dadurch entwickeln alle geräteinternen Bauelemente, zum Beispiel leistungsstarke Halbleiter und Wickelgüter, abhängig vom Innenwiderstand eine zusätzliche Wärmemenge. Diese Eigenerwärmung der Bauteile heizt, zusätzlich zur vorherrschenden Umgebungstemperatur am Einsatzort, den Gehäuseinnenraum weiter auf. Das hat wiederum negative Auswirkungen auf temperaturempfindliche Bauteile wie Elektrolytkondensatoren.
Besonders problematisch ist das, da Elektrolytkondensatoren die bestimmenden Komponenten für die Lebensdauer von Stromversorgungen sind. Ist diese zum Beispiel mit einer zulässigen Umgebungstemperatur von 105 °C spezifiziert. Wird der Kondensator nun nicht an seiner Spezifikationsgrenze von 105 °C betrieben, sondern nur mit 95 °C, verdoppelt sich die Lebensdauer.
Inspirationsquelle für die Stromversorgungen
In der Automobilindustrie kommen zum Entwärmen von Hochleistungsdioden in der Beleuchtungstechnik sehr fortschrittliche Leiterkarten zum Einsatz. Angelehnt daran wurde die neue Generation der Trio Power Stromversorgungen von Phoenix Contact entwickelt. Unter Berücksichtigung der leistungsbehafteten Hotspot-Zonen zur Entwärmung wurde eine gegen EMV-Einflüsse tolerante Regler- und Schaltungs-Topologie entwickelt. Die einseitige Bestückung der Leiterkarte begünstigt zusätzlich einen hohen vollautomatischen Fertigungsgrad in der Serienproduktion. Leistungshalbleiter werden konsequent als SMD-Bauelemente ausgelegt und thermisch kritische Bauelemente, wie Elektrolytkondensatoren, werden in unkritischen Temperaturzonen positioniert. Zielgerichtet wird an den punktuell auftretenden Hotspot-Zonen die Wärmemenge durch die Leiterkarte geführt und sehr schnell, homogen und effizient in die Gehäusefläche mit integriertem Kühlkörper gespreizt.
Zuverlässig bei Schock und Vibration
Für die Entwicklung von Stromversorgungen, wie sie im Maschinenbau zum Einsatz kommen, ist es neben dem Temperaturmanagement erforderlich, die trägen Massen soweit wie möglich zu reduzieren. Die Trio-Power-Stromversorgungen kommen, im Vergleich zu ihren Vorgängermodellen, mit einem Minimum an schraubbarer Befestigungstechnik aus. Stattdessen wird zur dauerhaften Befestigung der Leiterkarte auf der Gehäuseinnenseite eine neuartige Klebetechnologie genutzt. Außerdem kann auf den Einsatz von Kühlkörpern im Inneren der Stromversorgung gänzlich verzichtet werden, da die Konvektion im Inneren der Stromversorgung vernachlässigbar gering ist. Der lageunabhängige Einbau in kleinen Schaltverteilern ist somit problemlos möglich.
Durch die konsequente Reduzierung der trägen Massen wurde die mechanische Resistenz um ein Vielfaches heraufgesetzt. Schockwerte von 30g je Raumrichtung (nach IEC 60068-2-27) und ein deutlich verbesserter Vibrationswert von 2,3 auf 4g, für 90 Minuten über den gesamten Frequenzbereich von 15 bis 150 Hertz, sind das Ergebnis.
Die sieben Trio-Power-Stromversorgungen teilen sich in vier einphasige und drei dreiphasige Netzteile mit Ausgangsströmen von 3 bis 20 A auf. Das werkzeuglose Verdrahten mit Push-in-Anschluss spart Zeit bei der Installation und die schmale Bauform schafft Platz im Schaltschrank. Beispielsweise besitzt das dreiphasige 20-A-Gerät eine Baubreite von 68 mm. Der weite Temperaturbereich von -25 bis 70 °C sowie der zuverlässige Geräteanlauf bei -40 °C garantieren eine hohe Einsatzflexibilität. Der große Eingangsspannungsbereich für alle gängigen AC- und DC-Netze und das umfangreiche Zulassungspaket ermöglichen den weltweiten Einsatz. Ein Ausgleich von Spannungsfällen ist mit der von 24 bis 28 VDC einstellbaren Ausgangsspannung möglich. Aufgrund ihres neuartigen Konzepts sind die Stromversorgungen mechanisch und elektrisch besonders robust.
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