Ist Ihr Netzteil SOUR (Same Old sUpply Range) oder SWEET (Super Wide and Effectively EfficienT)?

Zitronenscheiben und Honig mit einem Holzlöffel auf weißem Hintergrund
Die Netzstromverteilung in Gebäuden variiert je nach Spannungsebenen und Spezifikationen, die durch Faktoren wie Anwendungsbedürfnisse, Sicherheit und historische Gegebenheiten bestimmt werden. Bei AC-Verteilungen sind Nennspannung und -frequenz entscheidend, wobei globale Standards die verschiedenen Spannungsniveaus beeinflussen.

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Einleitung

Die Bestimmung der optimalen Stromversorgungslösung für eine Anwendung kann selbst für erfahrene Elektro- oder Analogtechniker und Einrichtungsarchitekten eine herausfordernde Aufgabe sein. Die Schwierigkeit steigt, wenn die Lösung nicht nur die spezifischen Anforderungen eines Systems erfüllen muss, sondern auch effizient für eine gesamte Einrichtung arbeiten soll. An diesem Punkt kann die Erfahrung entweder SOUR (Same Old Supply Range) oder SWEET (Super Wide and Effectively Efficient) werden, je nachdem, welcher Ansatz gewählt wird. RECOM bietet innovative Lösungen, die einfaches Design mit hoch effizienter Stromverteilung kombinieren. Man kann aus sauren Zitronen süße Limonade machen – aber RECOM empfiehlt, stattdessen die universelle Fabrik der Zukunft zu bauen.

Universal-AC, weite Eingangsbereiche & Universell-weite Eingänge

Herkömmliche Netzteile haben entweder einen AC- oder einen DC-Eingang. Selbst sogenannte Universal-Eingangsnetzteile (Power Supply Units, PSUs) sind auf 85–264VAC oder 130–370VDC begrenzt. Obwohl diese Netzteile einen weiten Bereich sowohl für AC- als auch für DC-Eingänge unterstützen, sind die Bereiche dennoch eingeschränkt, was die Geräteauswahl ohne zusätzliche, kostspielige Zwischenwandlung begrenzt. Die AC-Grenzen sind zumindest so definiert, dass sie alle gängigen Netzeingänge abdecken [1], doch schränken sie immer noch den Anwendungsbereich ein, da sie nicht mit niedrigeren AC- oder DC-Versorgungsspannungen umgehen können.

Bei der Gleichstromversorgung gibt es ein viel breiteres Spektrum an Anforderungen, da die meisten Lasten letztlich Gleichstrom benötigen (mit Ausnahme von Motoren und Wechselrichtern). Daher können Standards auf eine Produktklasse (wie den universellen seriellen Bus oder Power over Ethernet – USB oder PoE) oder auf einen speziellen Anwendungsbereich oder vertikalen Markt (wie das Hochspannungs-Datenzentrum – HVDC) ausgerichtet sein. Unabhängig davon, ob es einen Standard gibt oder nicht, viele Lasten und Betriebsumgebungen müssen breitere, möglicherweise unvorhersehbare oder unbekannte Eingangsspannungsbereiche unterstützen. Im Allgemeinen ermöglicht die Unterstützung subminimaler Spannungen eine längere Betriebsdauer der Last bei Netzspannungseinbrüchen (auch als Brownout bekannt), während die Unterstützung von Spannungen oberhalb der maximalen Nennleistung einen besseren Schutz für Geräte und Benutzer bietet.

Unabhängig vom AC- oder DC-Eingang und der Unterstützung erweiterter Spannungsbereiche über oder unter der Nominalspezifikation muss auch die maximale Energieeffizienz der Stromversorgung (z. B. minimale Verlustleistung) in Abhängigkeit von den Lastbedingungen berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, die Eingangsspannung eines Netzteils oder Stromversorgungssystems beeinflusst den Wirkungsgrad der Leistungswandlung (auch als Kommutation bekannt), selbst wenn die Last auf der Ausgangsseite konstant bleibt. Allerdings sind die meisten Lasten in ihrer Stromaufnahme ebenfalls dynamisch [2]. Um die tatsächliche Leistung zu bewerten, muss die Wirkungsgrad-Last-Kurve der Stromversorgungslösung ermittelt und analysiert werden, wie im Beispiel in der folgenden Abbildung dargestellt.

Vergleich der Wirkungsgradkurven von Netzteilen, die für verschiedene Lastbereiche optimiert sind
Abb. 1: Vergleich der Wirkungsgradkurven von Netzteilen, die für verschiedene Lastbereiche optimiert sind, Grafik: mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [3]

Warum sollten sich Designer auf SOUR (Same Old sUpply Range) beschränken, wenn so viel mehr Potenzial verfügbar ist? Die Möglichkeit, maximale Flexibilität in Bezug auf Kosten, Betriebszeit, Effizienz und Nachhaltigkeit zu erreichen – selbst bei unvorhersehbaren oder unbekannten Versorgungsspannungen – ist ein unschätzbares Werkzeug für jeden Konstrukteur, Werksleiter oder Einrichtungsarchitekten. Ein einziges Netzteil – keine Produktfamilie oder anpassbare Plattform, sondern eine wahrhaft universelle Lösung mit einer einzigen Teilenummer – das Eingangsspannungen von 24V bis 240V AC oder DC unterstützt, öffnet die Tür zu echter universeller Kompatibilität und beispielloser Energieoptimierung.

RECOM ist das erste Unternehmen, das ein solch fortschrittliches Produkt auf den Markt bringt und neu definiert, was es bedeutet, "universell-weiten Eingang" zu unterstützen. Wie das RAC15-K/WI SWEET (Super Wide and Effectively EfficienT) Lösungen für die Einrichtungen und Anwendungen der Zukunft ermöglicht, wird später noch detailliert erörtert.

Optimierung von Stromversorgungslösungen für einen effizienten Einsatz

RAC15-K/WI-Serie
Abb. 2: Modellreihe RAC15-K/WI
Das Konzept, dieselben Systeme oder Lasten sowohl über einen AC- als auch über einen DC-Eingang zu versorgen, ist nicht neu. Eine ältere Abbildung aus einer offenen Industriekooperation zu „Architectures for the Modern Data Center“ veranschaulicht diese Idee – jedoch zeigt sie separate, unabhängige Netzteile innerhalb eines Systems.

RECOM hat dieses hybride AC/DC-Konzept weiterentwickelt und das branchenweit erste, voll integrierte AC- oder DC-Netzteil mit „universally-wide-input“ auf den Markt gebracht. Die Konsolidierung von Stromversorgungs-Subsystemen ermöglicht ein modulares Systemdesign, das es erlaubt, einmalige technische (NRE) Ressourcen voll auszuschöpfen und den Return on Investment (ROI) für diejenigen zu maximieren, die viele verschiedene Varianten (d. h. Lagerhaltungseinheiten oder SKUs) eines ähnlichen Systems unterstützen möchten. Ein Beispiel: Ein Schaltschrank kann eine Wechselstromversorgung oder 24VDC (sehr häufig in DIN-Rail-Anwendungen [5]) erhalten. Traditionell wären dafür zwei verschiedene Netzteile erforderlich. Mit dem RAC15-K/WI hingegen kann ein einziges Gerät beides leisten – das vereinfacht Design und Implementierung.

Hybride AC/DC-System-Eingangsarchitektur

Abb. 3: Hybride AC/DC-System-Eingangsarchitektur, Grafik: [4]

Bei der Übertragung von Strom über lange Kabel treten I²R-Verluste auf, die dazu führen können, dass die nominale Versorgungsspannung außerhalb des zulässigen Eingangsbereichs für Standardnetzteile liegt [6]. Zum Beispiel nutzen Signalsysteme entlang von Eisenbahnstrecken und Autobahnen sowie Fernversorgungen für Überwachungsstationen in Anwendungen der grünen Energie, wie Offshore-Windparks, häufig Versorgungskabel. Diese Kabel können sich über mehrere Kilometer erstrecken und sind auch in Smart-Grid-Infrastrukturen von Bedeutung. Die Auswirkungen solcher Verluste können erheblich sein. Mit der untenstehenden Gleichung lässt sich berechnen, dass selbst eine relativ geringe Last (30W) entlang eines 5km langen 120VAC-Kabels mit 1,5mm² Querschnitt einen Spannungsabfall von ...

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