Funktionale Sicherheit ist zu einem Schlüsselbegriff für industrielle Prozesse geworden. Produktionsausfälle kommen Unternehmen nicht nur teuer zu stehen. Sie können auch ein hohes Gefährdungspotenzial für Mensch und Umwelt bedeuten, wenn beispielsweise bei einer Störung schädliche Gase, Chemikalien oder explosive Stoffe austreten. Sicherheitsgerichtete Systeme (SIS) sollen die Risiken für einen Ausfall minimieren und im Falle einer Störung die Anlagensicherheit gewährleisten. Ihre Strukturen ähneln denen konventioneller Automationssysteme. Ihre Anforderung an die Ausfallsicherheit ist jedoch ungleich höher. Für ihren zuverlässigen und sicheren Betrieb sind daher entsprechend zuverlässige Komponenten gefordert. Ein neuralgischer Punkt ist dabei die Stromversorgung.
Anwendungsspezifische Netzteile als Problemlöser
Das in Bremen ansässige Unternehmen Eplax entwickelt, produziert und vertreibt solche technologisch anspruchsvollen Produkte zur Stromversorgung. Einen Schwerpunkt stellen DC/DC-Wandler und kundenspezifische Netzteile dar. „Wir stimmen unsere Entwicklungen präzise auf den jeweiligen Bedarf ab“, sagt Niklas Lüdemann, bei Eplax zuständig für das Supply Chain Management. „Unsere Netzteile sind echte Problemlöser, die unsere Kunden von anderen Zulieferern so nicht beziehen können.“
Für ein Sicherheitsgerichtete System eines namhaften Herstellers entwickelte Eplax ein Schaltnetzteil, das besonderen Anforderungen gerecht werden sollte. Das zu versorgende SIS ist für SIL 3 zertifiziert, das heißt, es dient der Absicherung der dritthöchsten Risikostufe von insgesamt vier Levels. Dreh- und Angelpunkt des Konzepts war daher seine Ausfallsicherheit. „Wir entwickelten ein Netzteil mit einer n+1 redundanten Betriebsmöglichkeit“, sagt Lüdermann. Fällt eine Einheit aus, können also die verbleibenden Einheiten die Last vollständig übernehmen.
Weitere Sicherungsmerkmale des Netzteils sind ein zweifach eingebauter Überspannungsschutz, der den Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß der Norm IEC 61508 entspricht, sowie ein Schutz gegen Dauerüberlast und Kurzschluss. Eine Strombegrenzungsfunktion regelt die maximale Ausgangsleistung auf 1.200 W ab. Fällt die Spannung auf unter 22 V, setzt das Netzteil einen Alarm ab.
Eine zusätzliche Herausforderung stellte der vorgesehene Einsatzbereich des Netzteils dar. „Die hohe Ausfallsicherheit sollten wir gemäß Kundenvorgabe für einen Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen ermöglichen wie sie zum Beispiel auf einer Ölförderplattform herrschen“, ergänzt Lüdermann. Extrem niedrige oder hohe Umgebungstemperaturen sowie ständige Vibrationen sollten also keinen Einfluss auf den zuverlässigen Betrieb haben können. „Das Gerät ist geeignet für Umgebungstemperaturen von bis zu 70 °C und zudem nach IEC Ex für den Betrieb in zeitweise explosiven Umgebungen zugelassen.“
Kühlkörper sichern den Langzeitbetrieb
Ein auf die Betriebstemperaturen abgestimmtes Thermomanagement schützt das Netzteil nicht nur vor Ausfällen durch Überhitzung. Es sorgt auch für dessen Zuverlässigkeit im 24/7-Betrieb. Eplax arbeitet im Bereich Kühllösungen seit 2001 mit CTX zusammen. „In der Elektronik gilt die Regel, dass jede Erwärmung um 10 K die Lebensdauer eines Bauteils halbiert“, Thomas Windeck, Vertriebsleiter des Kühlkörperherstellers aus Nettetal. „Für die Sicherheit eines Systems ist es also unabdingbar, entstehende Verlustleistungen mit einer bedarfsgerechten Kühllösung effizient abzuleiten.“ Die wichtigsten Kriterien für die Wahl eines geeigneten Kühlkörpers sind dabei dessen Material, das Herstellverfahren und eine passende Kühlkörpergeometrie.
Für das Netzteil steuerte CTX Clip-Kühlkörper bei. Sie verfügen über eine Rippenstruktur mit einer großen Gesamtoberfläche, wodurch sie auf engem Bauraum ein hohes Maß an Wärmeableitung leisten können. In den Netzteilen, die 420,5 × 140 × 90 mm messen, sind jeweils drei kompakte Kühlkörper verbaut. In Summe transportieren sie eine Verlustleistung von bis zu 50 W ab.
Die Kühlkörper für Eplax werden von CTX im Extrusionsverfahren gefertigt. Dabei wird zähflüssiges Aluminium durch eine Matrize gepresst, wodurch die Ausgestaltung des Kühlkörpers und damit seine Kühlleistung bestimmt werden. „Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in seiner Individualität und gleichzeitigen Möglichkeit zur Serienfertigung“, erläutert Windeck. „Eine Matrize lässt sich individuell erstellen, wodurch auch komplexe Kühlkörpergeometrien machbar werden. Ist eine Matrize erst mal gefertigt, können wir damit beliebig viele Kühlkörper produzieren.“ Das senkt im Ergebnis die Produktions- und Stückkosten. „Als einfach per Clip aufzusteckende Lösung ist der Kühlkörper zusätzlich geeignet für die Serienfertigung“, so Windeck.
Passgenau für die Serienfertigung konzipiert
Passgenaue aktive und passive Kühllösungen für die Leistungselektronik in verschiedenen Branchen sind das Schwerpunktthema von CTX. Speziell für die Stromversorgung entwickelt und fertigt das Unternehmen Kühlkörper unter anderem für Schaltnetzteile, Wechselrichter und Wandler. Neben Profilkühlkörpern bietet es für diesen Bereich auch Flüssigkeitskühlkörper und Kombinationen mit Lüftern an. „Jede Anwendung in der Elektronik stellt ihre eigenen Anforderungen an den Abtransport von Verlustleistungen“, sagt Thomas Windeck. „Diese sinnvoll zu bedienen ist nur möglich, wenn man als Zulieferer flexibel auf den jeweiligen Anwendungsbedarf eingehen kann.“ CTX kann dafür auf alle Herstellungsverfahren zurückgreifen, mit denen sich eine Vielzahl von Kühlkörperarten fertigen lassen. Neben dem Extrusionsverfahren sind dies der Druckguss, das Skived-Fin-Verfahren, die Stanzbiegetechnik sowie verschiedene Verbindungstechniken. „Wir können so jeden Kühlkörper als Standardversion oder auch in einer projektspezifischen Ausführung herstellen.“
Eplax schätzt Variabilität seines Partners, die sich selten in dieser Bandbreite am Markt findet, wie Niklas Lüdermann sagt: „Vorhandene Alternativen bieten häufig nicht die geforderte Flexibilität. Hinzu kommen bei CTX technische Expertise, eine hohe Qualität der Bauteile und ein reibungsloser Austausch, der schnell zum Ergebnis führt.“ Das hat bereits in mehreren gemeinsamen Projekten Niederschlag gefunden. Das SIS-Netzteil war eines aufgrund seiner Sicherheitsanforderungen anspruchsvollsten und eines der erfolgreichsten. Es wird von Eplax bereits seit mehreren Jahren in Serie gefertigt.
