Fachbeitrag Solide Power auf die (Hut-)Schiene

Die Anforderungen, die Kunden an DIN-Schienen-Netzteile stellen, sind recht übersichtlich. Für die Technik müssen sie die geforderten Spezifikationen bringen und dann viele Jahre lang störungsfrei ihren Dienst tun. Getreu dem Motto: Einbauen und vergessen. Für den Einkauf steht nicht selten der Preis ganz oben auf der Prioritätenliste. Beides unter einen Hut zu bringen ist eine echte Herausforderung für Stromversorgungshersteller. Der Druck auf die Preise bedeutet häufig jedoch Kompromisse in der Konstruktion und Auswahl geeigneter Komponenten. Deshalb ist es ratsam, bei der Auswahl eines Netzteils sorgsam abzuwägen, welche Lebenserwartung die gesamte Anlage haben soll. Wer sich aus Kostengründen für ein minderwertiges Netzteil entscheidet, riskiert Folgekosten im Falle eines Produktionsstillstandes. Deshalb geht der Trend bei DIN-Schienen-Netzteilen für Industrieapplikationen eindeutig in Richtung Zuverlässigkeit und langer Garantieversprechen.Einen ersten Anhaltspunkt für die Zuverlässigkeit eines Netzteils kann der MTBF-Wert im Datenblatt liefern. Bei der MTBF (Mean Time Between Failure) handelt es sich allerdings um einen rein theoretischen Wert, der sich auf die Zeitspanne zwischen zwei Fehlern bezieht. Dazu wird aus den in offiziellen Datenbanken (z. B. MIL HDBK 217F) verfügbaren MTBF-Werte der Einzelkomponenten eine gesamte MTBF errechnet. So erhält man eine Information über die Qualität der eingesetzten Bauteile, aber keine verbindliche Aussage über die Zuverlässigkeit des Netzteiles.

MTBF und Design-Lifetime

Wesentlich mehr Aufschluss über die tatsächliche Lebenserwartung gibt die Spezifikation einer „Design Lifetime“. Diese kann auf Basis von so genannten HALT-Tests (Highly Accelerated Lifetime Test) in der Praxis ermittelt werden und ist immer nur so gut, wie die „schwächste“ Komponente des Gesamtsystems es zulässt. Das Ziel von HALT-Tests ist es, in einem durch Vibration, hohe Luftfeuchte und schnelle Temperaturwechsel extrem beschleunigten Alterungsprozess bereits in der Entwicklungsphase Schwachstellen zu entdecken und zu beseitigen. Durch den Test einer großen Anzahl von Produkten aus der Serienfertigung erhält man relativ sichere Aufschlüsse über die durchschnittliche Lebenserwartung eines Modells. Allerdings sind solche Test noch nicht an der Tagesordnung – zumindest machen nur wenige Hersteller entsprechende Angaben. Bei Recom hat man bereits vor mehr als zehn Jahren in ein eigenes Umweltlabor investiert und unterzieht dort jedes neue Produkt vor dem Verkaufsstart intensiven Tests. So versucht man, der als Unternehmensziel formulierten „Null-Prozent-Fehlerquote“ möglichst nahe zu kommen und durch das frühe Erkennen von Schwachstellen die Lebenserwartung der Produkte zu maximieren. Bei den neuen Hutschienen-Netzteilen der REDIN-Serie liegt diese sogar bei rund zehn Jahren ununterbrochenem Dauerbetrieb.

Elkos meist als limitierende Größe

Häufig sind es die verwendeten Elektrolytkondensatoren, welche die Lebensdauer der Geräte limitieren. Doch ist der generelle schlechte Ruf, der ihnen vorauseilt, nicht immer gerechtfertigt. Wenn Elkos korrekt spezifiziert sind und innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben werden, können sie sehr lange zuverlässig arbeiten. Einer der primären Alterungseffekte, die zum vorzeitigen Ausfall führen, ist das Verdampfen des Elektrolyts im Inneren. Dies geschieht umso schneller, umso höher die Betriebstemperaturen sind. Deshalb muss beim Design eines Netzteils darauf geachtet werden, dass Elkos möglichst weit entfernt von Kühlkörpern, Transformatoren oder heißen Halbleitern positioniert werden, um die Umgebungstemperatur möglichst niedrig zu halten. Außerdem muss der Ripple-Strom möglichst niedrig gehalten werden. Er wird durch schnelle Lade- und Entladezyklen hervorgerufen und sorgt zusammen mit dem Ersatzwiderstand des Elkos für dessen Erwärmung. Je niedriger der Ripple-Strom ist, desto geringer ist die Verlustleistung im Elko. Um immer kleinere und preiswertere Stromversorgungen zu bauen, werden diese Design-Regeln aber häufig ignoriert. Die Folge sind steigende Betriebstemperaturen im Netzteil. Gerade in Schaltschränken mit oft eingeschränkter Luftzirkulation ist so der vorzeitige Ausfall des Netzteils.

Beim Design von Recoms neuer REDIN-Serie wurden Elkos soweit wie möglich durch normale Kondensatoren ersetzt. Wo dies aus technischen Gründen nicht möglich ist, kommen teure „Longlife“-Elkos zum Einsatz, die für den Betrieb bis
105 °C spezifiziert sind. Im Schaltschrank ist die Luftzirkulation oft eingeschränkt. Deshalb ist es bei DIN-Schienen-Netzteilen besonders wichtig, auf eine homogene Wärmeverteilung innerhalb des Gerätes zu achten. Mit Hilfe von Wärmebildmessungen lassen sich bereits im Prototypenstadium mögliche Hot-Spots auffinden und entzerren. Dies ist aufgrund schaltungstechnischer Kompromisse nicht immer ganz einfach. Zum einen wünscht man sich im Hinblick auf ein gutes EMV-Verhalten möglichst kurze Wege zwischen Schalttransistoren und Filter. Zum anderen nagt jeder Millimeter Leitungsweg am Wirkungsgrad, wodurch wiederum die Eigenerwärmung des Designs ansteigt

Auf Langlebigkeit getrimmt

Mehr als ein Jahr hat Recom in die Entwicklung der
REDIN-Serie investiert. Die Leistungsklassen 45 W (REDIN45) und 60 W (REDIN60) sind ab sofort verfügbar. Am Ausgang stehen wahlweise 12 oder 24 VDC zur Verfügung. Mit 41 mm Einbaubreite sind die Module trotz Wölbung noch recht schmal. Alternativ zum normalen Einbau und können die Module auch seitlich montiert werden. Dies ist vor allem bei Schaltschränken mit geringer Einbautiefe von Vorteil. Die auf Langlebigkeit getrimmten Netzteile stellen die volle Leistung im Temperaturbereich von -20 bis 50 °C bereit. Der hohe Wirkungsgrad von über 87 Prozent und die geringen Leerlaufverluste (<0,5 W) reduzieren den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung auf ein Minimum. Die Netzteile sind standardmäßig mit zahlreichen Schutzmaßnahmen ausgestattet: Kurzschluss-, Überstrom-, Übertemperatur- und Überspannungsschutz. Die sehr gute Netz- und Lastregelung der
REDIN-Serie sorgt für eine konstant stabile DC-Ausgangsspannung, welche mittels DC-Ok-Leuchte signalisiert wird. Über ein integriertes Statusrelais ist auch die Überwachung aus der Ferne möglich. Mit dem frontseitigen Potentiometer lässt sich die Ausgangsspannung präzise einstellen. Zudem wird durch eine hohe Netzausfallüberbrückungszeit von
50 ms unter Volllast eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Aufgrund der Zertifizierung nach internationalen Sicherheitsstandards (EN/UL60950 und UL508) sowie einem universellen Eingangsspannungsbereichs von 85 bis 264 VAC eignen sich die konvektionsgekühlten Module für den weltweiten Einsatz. Alle REDIN-Hutschienen-Netzteile sind für einen 24/7-Dauerbetrieb ausgelegt. Hierfür werden sie unter Volllast zu 100 Prozent Burn-in getestet und strengen Ausgangskontrollen unterzogen. Die „Design Lifetime“ wurde in so genannten HALT-Tests in der Praxis getestet und beträgt mehr als zehn Jahre. Nur konsequent also, wenn Recom seine Hutschienen-Netzteil-Serie REDIN mit sieben Jahren Vollgarantie ausstattet. „Fit & Forget“ nennt man das beim Hersteller – einbauen und vergessen können.