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Versorgen & Verbinden

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Kleine Bauform, große Leistung

Text: Michael Raspotnig, Puls Fotos: Juliane Witten
Bisher konnten nur zweistufige Resonanzwandler die Anforderungen an Stromversorgungen für den harten Industrieeinsatz erfüllen. Durch eine Neuentwicklung reicht jetzt eine Stufe. Dabei erlebt die kaum mehr verwendete Schaltungstechnik Hiccup-Modus ein Comeback.

Das olympische Prinzip schneller, höher, weiter heißt bei Stromversorgungen: kleiner, zuverlässiger, kostengünstiger. So ging der Trend vom Längsregler zum Primärschaltregler und dieser wurde immer weiter entwickelt. Viele Jahre wurden weitgehend hart schaltende Konzepte verwendet, bis die resonant schaltenden Wandler genauer untersucht wurden. Diese erzeugen weniger Schaltverluste, haben aber das Problem, dass die Resonanz nur an einem Arbeitspunkt gut funktioniert. Deshalb wurden resonante Wandler allein in Anwendungen eingesetzt, wo sich die Eingangs- und Ausgangsbedingungen nicht so stark ändern und gut kontrollierbar sind. Ganz anders sind die Verhältnisse bei einem Stand-Alone-Industrienetzteil. Vom Leerlauf über Teillast, Volllast bis zur Überlast und zum Kurzschluss muss die Stromversorgung definiert arbeiten. Gleichzeitig kann bei jedem dieser Lastfälle die Netzspannung in eine transiente Überspannung gehen, wie sie im Extremfall mit dem VDE-0160-Impuls für 700V für 1,3ms im 230V-Netz spezifiziert ist, oder es sollen Netzunterbrechungen von 20ms ohne Störung am Ausgang weggepuffert werden. Damit kann die effektive DC-Eingangsspannung für den Wandler von 250 bis 600V - also um den Faktor 2,4 - schwanken und zusätzlich möchte der Anwender den Ausgang noch von 24 bis 28V einstellen können. Eine weitere Erschwernis ist, dass die Netzteile zum Auslösen von Sicherungen kurzzeitig einen weit höheren Strom als den Nennstrom zur Verfügung stellen sollen.

Von zwei zu einer Stufe

Das war für einen reinen Resonanzwandler eine bisher nicht lösbare Aufgabe. Um dennoch die Vorteile in Wirkungsgrad und Baugröße zu nutzen, haben Puls und andere einen zweiten Wandler zur Vorregelung vorgeschaltet. Die mit dieser Technik eingeführte Stromversorgung ist heute noch im Markt führend. Jetzt hat Puls den Vorwandler eliminiert. Die nächste Generation wird damit noch kleiner, zuverlässiger und kostengünstiger. Die ersten Produkte aus dieser Generation sind die CPS20-Varianten mit 1-Phasen Eingang und 480W Ausgangsleistung. Der Trafo des einstufigen Resonanzwandlers hat eine integrierte Drossel und spart so ein zusätzliches Bauteil. Dazu werden die Primär- und die Sekundärwicklung nicht nacheinander, sondern nebeneinander auf den Spulenkörper gewickelt. Daraus ergibt sich eine schlechte Koppelung der Wicklungen, die man als Induktivitätsersatz verwenden kann, auch Streuinduktivität genannt. In hart schaltenden Wandlern war die Streuinduktivität ein Feind, in weich schaltenden Wandlern wird sie zum Freund und wesentliches Element der Schaltung. Da Stromversorgungen die Aufgabe haben, primäre und sekundäre Kreise sicher voneinander zu trennen, ist ein Konzept, das diese Trennung schon vorsieht, klar im Vorteil. Auch die kapazitive Koppelung ist geringer, so dass Störungen auf der Netzseite viel weniger durch den Trafo hindurch kommen. Der einfachere Aufbau reduziert zudem die Herstellkosten des Trafos.

Weiterentwickelter Hiccup-Betrieb

Die CPS20-Geräte sind mit dem Hiccup-Plus Überlastverhalten ausgestattet Hiccup-Schaltungen galten lange als zu empfindlich für Verbraucher mit großen Eingangskapazitäten. Der Einzug von Mikrokontrollern in das Netzgerätedesign beseitigt die Schwachstellen dieser Technik. Im Gegensatz zum klassischen Hiccup-Modus ist das neue Hiccup-Plus-Verhalten der Puls-Netzgeräte eine Kombination aus ausgezogener Kennlinie und einem Hiccup. Nach einer Überlastung oder einem Kurzschluss liefert das Netzgerät zwei Sekunden lang Dauerstrom, danach schaltet es automatisch auf den Hiccup-Plus-Modus um. Während dieser zwei Sekunden liefert das Gerät sogar den zweifachen Nennstrom. Damit können auch schwierige Verbraucher problemlos starten, und es steht genügend Strom zum Auslösen von Sicherungen zur Verfügung, um fehlerhafte Stromkreise abzutrennen. Dank der langen Auszeit von 18 Sekunden ist auch im Kurzschluss der Effektivstrom deutlich unterhalb des Nennstroms. Leitungen, Schaltkontakte und Verbindungsstellen werden nicht überbeansprucht. Das Hiccup-Plus-Verhalten setzt auch erst bei einem Einbruch der Ausgangsspannung um mehr als 40Prozent ein. Dies vermeidet ein ungewolltes Abschalten beim Laden von Batterien oder bei Netzgeräten, die zur Leistungserhöhung parallel geschaltet werden.

Weitere Features

Bei einer Gerätebreite von nur 65 mm liefern die CPS20-Geräte 24V, 20A oder 48V, 10A. Zukünftig sind auch Geräte in 12V und 36V Versionen erhältlich. Die volle Leistung steht in einem weiten Temperaturbereich von -25 bis +60 °C zur Verfügung. Bis +45 °C sind sogar permanent 20Prozent mehr Leistung erlaubt. Zum sicheren Auslösen von sekundärseitigen Sicherungen liefern die Geräte für 15 ms den vierfachen Ausgangsstrom bei nahezu voller Ausgangsspannung. Weitere Features dieser Geräte sind: 94Prozent Volllastwirkungsgrad und exzellente Teillastwirkungsgrade, aktive PFC, elektronische Einschaltstrombegrenzung, DC-OK-Signal zur Fernüberwachung sowie eine Vorkehrung zur symmetrischen Stromaufteilung bei einem Parallelbetrieb. Die Geräte sind mit einem Weitbereichseingang ausgestattet und können an allen weltweiten 1-Phasen-Netzen zwischen 100 und 240VAC verwendet werden. Varianten mit ATEX-Zulassung und Varianten, die für DC-Eingangsspannungen zwischen 88 und 375VDC optimiert sind, runden die CPS20-Familie ab.

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