4-2023

Stromversorgung
Innovatives Design für längere Lebensdauer
Ein innovatives Design umgeht den Flaschenhals bei der Lebensdauer von Netzteilen
Bild 1: Beispiel eines
Folienkondensatornetzteil DPS-
LL10W der Digital Power Systems
GmbH. Der Folienkondensator
nimmt ca. 15 %.
Bilder © Dr. Michael Heidinger,
Digital Power Systems GmbH
Digital Power Systems GmbH
https://digitalpowersystems.eu
Schaltnetzteile sind ein unverzichtbarer
Bestandteil jedes Industrie-PCs.
Sie wandeln den Wechselstrom
der Steckdose in den erforderlichen
Gleichstrom um. Gemäß dem
Stand der Technik gestaltete Netzteile
für Industrieanwendungen fallen
aufgrund des Einsatzes von Elektrolytkondensatoren
nach 5 bis 9 Jahren
Dauerbetrieb aus. Aber dieser
Flaschenhals in der Lebensdauer
kann umgangen werden.
In diesem Artikel werden wir uns
mit diesem Problem auseinandersetzen
und aufzeigen, wie der Einsatz
von Folien- und Keramikkondensatoren
zu einer längeren Lebensdauer
von Schaltnetzteilen beitragen
kann.
Kondensatoren zur
Spannungsglättung
Gleichrichter in Schaltnetzteilen
wandeln die Wechselspannung des
Stromnetzes in eine pulsierende
Gleichspannung. Da diese gleichgerichtete
Wechselspannung typischerweise
nur 100 Hz beträgt, sind
große Kapazitäten erforderlich, um
eine ausreichend glatte pulsierende
Gleichspannung zu gewährleisten.
Hier kommen in der Regel Elektrolytkondensatoren
zum Einsatz, da sie
eine große Kapazität bei geringem
Bauraum bieten. Allerdings haben
Elektrolytkondensatoren einen entscheidenden
Nachteil: Sie begrenzen
die Lebensdauer des Netzteils, da
ihre Lebensdauer bei einer Erhöhung
der Umgebungstemperatur
um 10 Grad um die Hälfte reduziert
wird. Ebenso hat der über den Kondensator
fließende Strom, der sog.
Ripple-Strom, einen signifikanten
Anteil an der Alterung.
Kühlung der Kondensatoren
Bild 2: Sekundärseitig werden MLCC-Kondensatorbänke vorgesehen. Ist eine
geringe Ausgangsstrom-Welligkeit gefordert, kann ein zusätzlicher PI-Filter
vorgesehen werden. Hier gezeigt ist die Ausgangskondensator-Bank für ein
200W-Netzteil
Der Strait-Forward Ansatz, die
Kühlung der Kondensatoren über
Lüfter ist jedoch kontraproduktiv:
Sie altern schneller als Elektrolytkondensatoren.
Zudem erhöhen
sie den Stromverbrauch und senken
damit den Wirkungsgrad. Eine
mögliche Lösung ist die redundante
Verschaltung von Netzteilen. Diese
kann zwar den akuten Ausfall verhindern,
aber das übernehmende
Netzteil ist durch die gleiche Temperatur
ebenfalls gealtert. Daher
ist auch bei Premium-Netzteilen
mit einer Lebensdauer von bis zu
9 Jahren bei 50 Grad Betriebstemperatur
eine zeitnahe Wartung beider
Netzteile nach dem ersten Ausfall
erforderlich.
Attraktive Alternative
Eine attraktive Alternative ist es,
auf Elektrolytkondensatoren zu verzichten
und stattdessen Folien- oder
Keramikkondensatoren zu verwenden.
Die Firma Digital Power Systems
GmbH hat in einem Dauerbetriebstest
Lebensdauern von 60 Jahren
bei 50 Grad Umgebungstemperatur
demonstriert. Die Technologie
basiert auf der Verwendung von
speziell ausgelegten Folienkondensatoren,
die zwar etwas mehr Bauraum
benötigen als Elektrolytkondensatoren.
Hierbei nehmen die Kondensatoren
ca. 15 % der Gerätegrundfläche
ein, was als akzeptabel
erscheint (Bild 1). Ein weiter
Eingangsbereich des nachgeschalteten
Leistungswandlers ermöglicht
die Verwendung einer kleinstmöglichen
Kapazität.
Sekundäre Seite
Auf der sekundären Seite, also
auf der vom Netz getrennten Seite,
sind nahezu immer Elektrolytkondensatoren
vorhanden (Bild 2).
Hier werden in kostenoptimierten
Netzteilen oft Elektrolytkondensatoren
verwendet, die dem Ripple-
Strom nicht standhalten und daher
schnell altern. Bei Niedervoltanwendungen
unter 50 Volt empfiehlt es
sich daher, den Elektrolytkondensator
durch einen Keramikkondensator
zu ersetzen. Dieser ist, bei korrekter
Auswahl des Dielektrikums,
ebenso langlebig wie ein Folienkondensator
und hat einen hohen
zulässigen Ripple-Strom im Verhältnis
zu seiner Kapazität.
Long-Life-Netzteile
Die Systemintegration von Long-
Life-Netzteilen unterscheidet sich
nicht von konventionellen Anwendungen.
Für High-End-Netzteile
gibt es die Möglichkeit, Parameter
wie Eingangsspannung, Ausgangsspannung,
Ausgangsstrom
und Temperatur auszulesen und
in Industrie-PCs zu verarbeiten,
um später die Daten in der Cloud
abzurufen. Durch die Auswahl der
Daten kann u. a. auf die Alterung
und den Betriebszustand geschlossen
werden.
Fazit
Um Lebensdauerprobleme bei Netzteilen
komplett zu entkräften, empfiehlt
es sich, auf elektrolytkondensatorfreie
Netzteile zu setzen. Die
Integration in Systeme ist einfach.
Auch preislich sind sie mittlerweile
vergleichbar mit etablierten kundenspezifischen
Qualitätsprodukten. ◄
116 PC & Industrie 4/2023