Auswählen eines integrierten Netzteils

Eine sehr häufige Notwendigkeit besteht darin, ein internes AC-DC-Netzteil für ein Endprodukt im Bereich von wenigen bis mehreren hundert Watt auszuwählen. Am unteren Ende könnte eine Alternative eine externe Stromversorgung oder ein „Adapter“ sein, aber oberhalb von etwa 100 W ist es normal, sich für ein eingebautes Produkt als zugekauftes Modul zu entscheiden, vielleicht auf einem Chassis oder auf einer Leiterplatte. Die Mutigen könnten sogar ein eigenes Design in Betracht ziehen, insbesondere wenn die erforderliche Leistung nicht dem Standard entspricht.

Warum intern?

Sehen wir uns zunächst an, warum eine interne Stromversorgung gewählt werden könnte. Bei kommerziellen Produkten mögen Verbraucher keine sperrigen Inline-"Adapter", aber bei niedriger Leistung ist eine "Wandwarze" keine große Zumutung und mit dem Fortschritt der Technologie wird mehr Leistung aus kleineren Paketen gepresst, so dass die Adapter ist kaum größer als der Stecker selbst. Die Verwendung einer externen Versorgung freut auch den Produktdesigner – gefährliche Spannungen werden draußen gehalten, was die Sicherheitszertifizierung des Endprodukts erheblich erleichtert.

Die Nachteile sind, dass die Kabellänge von einem Adapter zum Produkt die Spannung absenkt, was möglicherweise zusätzliche Regler im Produkt erfordert und es normalerweise keine Möglichkeit für eine „intelligente“ Steuerung der Stromversorgung gibt, wie z der Ausgangsspannung. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Einhaltung der EMI-Standards insgesamt immer noch in der Verantwortung des Endproduktherstellers liegt, sodass ein Adapter mit seiner Produktionsvariabilität und der unbestimmten Kabelführung in die EMV-Tests einbezogen werden muss und inkonsistente Ergebnisse liefern kann. Aus diesem Grund ist es nicht unbekannt, dass Inline-Adapter intern an Endprodukten angebracht werden, um die Sicherheit und EMI-Konformität zu erhöhen.

Bei höheren Leistungen oder wenn Kontrolle und Funktionalität wichtig sind, wird eine interne Stromversorgung oder "Geräte"-Stromversorgung bevorzugt. Die Entscheidung sollte so früh wie möglich im Produktentwicklungsprozess getroffen werden, da es eine häufige (und oft berechtigte) Beschwerde von Systemenergieingenieuren ist, dass sie ein eingebautes Netzteil beschaffen müssen, das „in jeden verfügbaren Platz passt“. Dies kann zu Kosten- und Leistungseinbußen und im schlimmsten Fall zur Notwendigkeit einer kundenspezifischen Lösung mit den damit verbundenen Verzögerungen und Risiken führen.

Sicherheit, EMV und Umweltverträglichkeit stehen an erster Stelle

Ein eingebautes Netzteil muss die benötigten Volt und Ampere liefern, aber es gibt viele andere Überlegungen. Die vielleicht wichtigsten sind Sicherheit, EMV und Umweltverträglichkeit – der Endverbrauch des Produkts ist hier der Leitfaden; Für verschiedene Anwendungen gelten unterschiedliche Normen:zum Beispiel Industrie, Haushalt, Mess- und Prüftechnik, Medizin und Gebäudeautomation. Soll das Produkt in speziellen Bereichen wie Bahn oder Militär eingesetzt werden, sind die Standards wieder andere. Auch innerhalb der Anwendungsbereiche gibt es Variationen – zum Beispiel Patienten- oder Bedienerumgebungen in der Medizin.

Ein Trend geht dahin, dass neue Sicherheitsstandards „gefährdungsbasiert“ sind, was einen Hersteller dazu verpflichtet, zusätzlich zu prüfen, wie sein Produkt missbraucht werden könnte; Die Auswahl eines internen Netzteils stellt zumindest sicher, dass kein unpassender Adapter getauscht wird. Die Auswahl der richtigen Zertifizierungen ist äußerst wichtig und komplex, aber seriöse Netzteilanbieter können oft weiterhelfen, wenn kein erfahrener interner Compliance-Ingenieur zur Verfügung steht.

Die Mechanik ist vielleicht die nächste Überlegung, nicht nur Form und Größe, sondern auch Anschlüsse und Kühlanordnungen. „Open-Frame“-Netzteile sind beliebt und kostengünstig, oft mit optionalen Abdeckungen, die erforderlich sind, wenn erwartet werden könnte, dass ein Techniker internen Zugriff auf das Produkt hat, während es mit Strom versorgt wird. Eine weitere Alternative ist das in Schalttafeln übliche DIN-Schienenformat (Abbildung 1).

Abbildung 1:Typische interne AC/DC-Stromversorgungsoptionen. (Quell-CUI)

Produkte mit interner Stromversorgung haben normalerweise Schraubklemmen oder Steckverbinder für AC-Eingang und -Ausgänge, typischerweise im „Molex™“-Stil. In diesem Fall müssen Kabel, Klemmen, Sicherungen, Schalter und alle Einbausteckverbinder für die Anwendung geeignet bemessen und zertifiziert sein. Interferenzen können durchaus an AC-Eingangskabeln außerhalb des Netzteils, aber innerhalb des Produkts aufgenommen werden, sodass EMI-Tests zeigen können, dass ein weiterer am Gehäuse montierter zertifizierter Filter in der Nähe des Stromeingangs benötigt wird.

Erdung erfordert besondere Aufmerksamkeit; Wenn der Stecker des Netzteilmoduls im Inneren des Produkts abgezogen wird, muss am Eingang noch eine separate Erdung zum Gerätechassis vorhanden sein, falls sich ein stromführendes Kabel lösen sollte. Im Allgemeinen dürfen alle Erdungsanschlüsse nicht „steckbar“ sein, es sei denn, durch das Trennen des Steckers werden stromführende Verbindungen gleichzeitig und vollständig vom Produkt entfernt. Ist dies nicht der Fall, muss die Erdung mit einer „dauerhaften“ Befestigung erfolgen, die nur mit einem Werkzeug gelöst werden kann und eine Sicherungsscheibe oder eine andere schwingungsdämpfende Technik enthält. Farbkodierung und Kabelquerschnitt sind selbstverständlich entsprechend der geltenden Sicherheitsnorm zu beachten, ggf. mit Kabelzugentlastung.

Die Eingangssicherung für interne Netzteile sollte sorgfältig dimensioniert werden

Interne Netzteile mit kabelgebundenen AC-Verbindungen zu einem Einbaustecker müssen je nach Bedarf eine geeignete Einzel- oder Doppelsicherung am Eingang aufweisen. Denken Sie daran, dass eine AC-Sicherung des Endprodukts vorgeschaltete Kabel und Verbindungen, nicht die interne Stromversorgung, vor Kurzschlüssen und Überlastungen schützt. Natürlich muss es den normalen Betriebsstrom mit einem gewissen Spielraum für den Einschaltstrom durchlassen, aber es sollte auch so ausgelegt sein, dass die externe AC-Verkabelung zum Endprodukt nicht überlastet wird, bevor die Sicherung nach einem Masseschluss zwischen dem Chassis-Anschluss und der Stromversorgung öffnet liefern. Auch wenn das externe Kabel für sehr hohe Ströme ausgelegt ist, sollte der Ausschaltwert der Sicherung niedriger sein als die der vorgeschalteten Sicherungen oder Trennschalter, um zu vermeiden, dass ein Fehler mehrere Stromkreise trennt, d im professionellen Umfeld (Abbildung 2).

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Abbildung 2:Sicherungswerte in einem System sollten „koordiniert“ sein:Wert Sicherung 1> Sicherung 2> Sicherung 3. (Quell-CUI)

Zusammengenommen beeinflussen die diskutierten Überlegungen zum Wechselstromanschluss die Wahl des internen Netzteils, wobei der Open-Frame-Typ mit den niedrigsten Kosten nicht unbedingt die günstigsten Gesamtsystemkosten ergibt, wenn er nur eine geringfügige EMV-Konformität aufweist und eine zusätzliche Filterung erforderlich ist.

Die Kühlmethode bestimmt den Netzteiltyp

Überlegungen zur Kühlung sind wichtig; interne Netzteile können je nach Endprodukt und Anwendung Lüfter, natürliche Konvektion oder Grundplattenkühlung sein. Lüfter können in einigen Umgebungen wie medizinischen Umgebungen aus Geräuschgründen oder in Anwendungen, bei denen ein Austausch schwierig wäre, ausgeschlossen werden, aber lüftergekühlte Netzteile sind im Allgemeinen kleiner als andere Typen. Wenn eine lüftergekühlte Versorgung gewählt wird, müssen die Zu- und Abluftwege sorgfältig identifiziert werden, um Luft-„Totpunkte“ zu vermeiden, insbesondere wenn andere Systemlüfter in Betrieb sind. Hersteller wie CUI geben in den Datenblättern ihrer Produkte empfohlene Luftstromrichtungen und Lüftergrößen an; diese sollten bei der Auslegung der Stromversorgung in ein System berücksichtigt werden (Abbildung 3).

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Abbildung 3:Empfehlungen für Lüftergröße, -richtung und -abstand sollten berücksichtigt werden, um „tote Punkte“ in der Luft zu vermeiden. (Quell-CUI)

Konvektionsgekühlte Netzteile sind orientierungsempfindlich und sollten mit Rücksicht auf andere wärmeerzeugende Komponenten platziert werden, um eine gegenseitige Überhitzung zu vermeiden. Hersteller können die Endprodukt-Anordnungen nicht vorhersagen und bewerten daher Netzteile für eine „Betriebs“-Umgebungstemperatur. Dies ist die „lokale“ Umgebung innerhalb des Endproduktgehäuses, die erheblich heißer als die Außentemperatur sein kann und nur durch Simulation und/oder Messung in einem Gesamtsystem unter definierten Lastbedingungen genau bekannt ist.

Für abgedichtete Gehäuse sind auch grundplattengekühlte Netzteile erhältlich, die die Unsicherheit im Wärmeflussweg verringern. Es muss jedoch eine flache „kalte Wand“ mit mehreren Befestigungen an der Stromversorgung vorhanden sein. Eine Wärmeleitpaste muss möglicherweise an der Schnittstelle mit Silikon-Wärmeübertragungsfolie verwendet werden, eine weitere Möglichkeit.

Bei der Dimensionierung von Netzteilen und deren Kühlanforderungen lohnt es sich zu prüfen, welche Dauer- und Spitzenleistung benötigt wird. Manchmal kann ein kleineres, kostengünstigeres Netzteil verwendet werden, wenn es eine hohe Stoßleistung hat und die Last intermittierend ist.

Experten können Ihre Wahl treffen

Es gibt eine große Auswahl an internen Netzteilen, und die beste hängt von vielen Überlegungen ab. Um Kosten und Risiko zu minimieren, sollte der Netzteiltyp unter Berücksichtigung von Normenkonformität, Anwendung, Kühlumgebung und einfacher Integration in die Verkabelung und Mechanik des Endprodukts so früh wie möglich identifiziert werden.

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