Das Faszinierende an industriellen Systemen ist die kontinuierliche und rhythmische Ausführung ihrer Aufgaben. Sie arbeiten harmonisch zusammen, um Produkte zu montieren, Lebensmittel zuzubereiten, Fahrzeuge zu bauen und Materialien zu handhaben. Den 24/7-Betrieb dieser Systeme sicherzustellen, ist eine große Herausforderung. Und hinter jeder SPS, jedem Aktor und jedem Sensor steht ein Netzteil, das die unterbrechungsfreie Stromversorgung gewährleistet. Wie wählt man also ein Netzteil aus, das unter den anspruchsvollen Bedingungen industrieller Systeme zuverlässig arbeitet?
Industriemaschinen benötigen zuverlässige Stromversorgungen zur Materialverarbeitung und Produktherstellung.
Wie wird die erforderliche Eingangsspannung festgelegt?
Ausgangspunkt für die Bestimmung des optimalen Netzteils sind drei technische Parameter: Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Ausgangsleistung. Wenn Sie eine Maschine bauen, die fest an Ihrem Standort installiert werden soll, wird dies durch das Netzteil bestimmt, an das die Maschine angeschlossen wird, beispielsweise 230 V Wechselstrom, einphasig, 50 Hz.
Wenn Sie jedoch Geräte für den weltweiten Export herstellen, müssen Sie die unterschiedlichen Stromnetze Ihrer Kunden berücksichtigen. In diesen Fällen können Sie einen universellen Wechselstromeingang spezifizieren. Dieser deckt einen Bereich von 85 V bis 264 V Wechselstrom ab und unterstützt Frequenzen zwischen 47 und 60 Hz. Obwohl Wechselstrom in industriellen Systemen üblich ist, kann es vorkommen, dass nur Gleichstrom (DC) verfügbar ist. Einige Netzteile unterstützen auch einen DC-Eingang mit einem ähnlichen Bereich wie der AC-Eingang und decken somit auch diese Fälle ab.
Was ist hinsichtlich der Ausgangsleistung des Netzteils zu beachten?
Sobald die Eingangsspannungsoptionen geklärt sind, werden die Ausgangsanforderungen analysiert. Diese hängen von den angeschlossenen Geräten ab, beispielsweise von Industriesensoren, SPSen und Aktoren wie Servoantrieben. Obwohl die meisten SPSen eine Versorgungsspannung von 24 V DC vorsehen, tolerieren sie typischerweise eine Abweichung, einschließlich Restwelligkeit, von etwa ±20 %.
Manche Netzteile bieten zwei oder drei verschiedene Ausgangsspannungen, die üblicherweise an gemeinsame Spannungen oder positive und negative Ausgänge angeschlossen werden. Steht die gewünschte Spannung nicht zur Verfügung, können zwei Netzteile in Reihe geschaltet werden, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzielen. Es müssen zwei Netzteile desselben Modells und mit identischen Ausgangsspezifikationen verwendet werden.
Abbildung 2: Antiparallele Dioden
Durch die Reihenschaltung mehrerer Netzteile lässt sich eine höhere Ausgangsspannung erzielen. Um jedoch bei unterschiedlichen Anlaufzeiten Rückspannungen zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung antiparalleler Dioden.
Die meisten Verbraucher haben einen typischen und einen maximalen Stromverbrauch, beispielsweise 80 mA bzw. 100 mA. Beim Betrieb mehrerer Verbraucher muss die Summe der maximalen Ströme im ungünstigsten Fall berechnet werden. Mithilfe der Leistungsformel P = I × V lässt sich die benötigte Ausgangsleistung ermitteln. Beispielsweise ergibt sich bei der Versorgung von fünf der beschriebenen SPSen ein Stromverbrauch zwischen 400 mA und 500 mA bzw. eine Leistungsaufnahme zwischen 9,6 W und 12 W bei 24 V DC.
Wenn Ihr Netzteil nicht über ausreichend Leistung verfügt, können Sie zwei oder mehr Netzteile parallel schalten, um die benötigte Gesamtleistung zu erzielen. Achten Sie jedoch darauf, nicht mehr als 80 % der verfügbaren Gesamtleistung zu verbrauchen. Faktoren wie Temperatur und Alterung können die Lebensdauer eines Netzteils verkürzen, was zu einer Überlastung und schließlich zum Ausfall führen kann. Verwenden Sie Netzteile desselben Modells mit gleicher Spannung oder solche, die für den Parallelbetrieb ausgelegt sind. Im Zweifelsfall wenden Sie sich am besten an den Hersteller.
Abbildung 3: Parallelschaltung von Netzteilen
Netzteile können parallel geschaltet werden. Stellen Sie sicher, dass beide Ausgänge die gleiche Spannung liefern.
Berücksichtigen Sie die Montage-, Kühlungs- und Anschlussmöglichkeiten des Netzteils.
In manchen Fällen werden die Montage- und Kühlungsanforderungen des Netzteils durch die Anwendung vorgegeben. Beispielsweise sind DIN-Schienen oder Hutschienen eine Standardmontageoption für SPSen und zugehörige Geräte, sodass ein DIN-Schienen-Netzteil die beste Wahl darstellt.
Es gibt Geräte bis 600 W mit Konvektionskühlung, sodass eine Zwangslüftung nicht erforderlich ist. Tatsächlich wird bei industriellen Netzteilen gänzlich auf Zwangskühlung verzichtet, da diese eine weitere potenzielle Fehlerquelle darstellt. Allerdings ist ein ausreichender Luftstrom für natürliche Konvektion notwendig; 20 LFM (laufende Fuß pro Minute) sind ein typischer Wert.
Andere Netzteile sind in einem Metallgehäuse mit Chassis-Montagewinkeln untergebracht und können mittels Schrauben in der Anwendung befestigt werden. Für industrielle Anwendungen auf Komponentenebene eignen sich Netzteile, die auf Leiterplatten (PCB) montiert werden. Diese können als offene Bauweise ohne Gehäuse oder durch ein Kunststoffgehäuse mit Vergussmasse geschützt sein.
Abbildung 4: Netzteilgehäuse
Netzteilgehäuse gibt es in verschiedenen Ausführungen: von DIN-Schienen- (ganz links) und Chassis-Montage (links) bis hin zu offenen Leiterplatten- (rechts) und Kunststoffgehäusen (ganz rechts).
Montageart und Anwendungsbereich erfordern oft spezifische Anschlussmöglichkeiten. DIN-Schienen- und Chassis-Netzteile verfügen in der Regel über Schraubklemmen, die die Verdrahtung vereinfachen. Adapter zur Montage von Chassis-Netzteilen auf DIN-Schienen sind ebenfalls erhältlich. Bei Leiterplatten-Netzteilen müssen Sie die Pinbelegung und Abmessungen im Datenblatt nachschlagen. Unabhängig vom gewählten Typ bieten die meisten Hersteller CAD-Zeichnungen an, die in Ihre Konstruktionssoftware importiert werden können. Dies hilft Ihnen, Platzierungsprobleme beim Bau Ihrer Geräte zu vermeiden.
Stellen Sie sicher, dass die Stromversorgung den Umweltbedingungen und Industriestandards entspricht
Wenn Ihr System regelmäßig Vibrationen oder Stößen ausgesetzt ist, sollten Sie prüfen, welche Normen es erfüllt. Diese Umgebungsfaktoren werden durch Normen wie EN 61373 und Teile der IEC 60068-2 abgedeckt. Prüfen Sie außerdem den spezifizierten Betriebstemperaturbereich und die relative Luftfeuchtigkeit (nicht kondensierend). Auch Leistungsreduzierungen bei höheren Temperaturen und niedrigeren Eingangsspannungen können definiert sein.
UL 508 ist ein weiterer wichtiger Standard für industrielle Steuergeräte. Dieser Standard gewährleistet die Einhaltung von Standardprüfungen auf Überlast, Durchschlagsfestigkeit, Kurzschlussfestigkeit und Fehlerstrom sowie einer Reihe weiterer wesentlicher Kriterien. Die Einhaltung dieser Standards garantiert, dass das Netzteil die Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer industrieller Anwendungen erfüllt.
Wenn Sie ins Detail gehen möchten, finden Sie in der Regel Anwendungshinweise mit Informationen zu thermischen Aspekten, EMV-Testergebnissen, Einstellung der Ausgangsspannung und Kennlinien.
Abbildung 5: Anwendungshinweis
Die Anwendungshinweise enthalten mehr Details als das Datenblatt des Netzteils, z. B. den Wirkungsgrad in Abhängigkeit von Last/Spannung sowie die Anlauf- und Haltecharakteristik.
Wie Sie ein auf Ihre Bedürfnisse zugeschnittenes Industrienetzteil spezifizieren
Abschließend lässt sich festhalten, dass Hersteller zwar die meisten alltäglichen Anforderungen an industrielle Stromversorgungen abdecken, es aber immer wieder Fälle geben wird, in denen das benötigte Produkt nicht verfügbar ist. In solchen Situationen bieten sich zwei Optionen an: Manchmal kann ein bestehendes Design angepasst oder eine zusätzliche Zertifizierung erworben werden, um die Anforderungen zu erfüllen. Alternativ kann eine kundenspezifische Entwicklung in Betracht gezogen werden. In diesem Fall müssen alle Anforderungen erfasst und dem gewählten Partner mitgeteilt werden, um den Entwicklungsprozess zu starten.
Autor: Simeon Tremp, Traco AG
