Isolierte 1W- und 2W-Wandler erfüllen die Anforderungen vieler Anwendungen

Ungeregelte oder geregelte Wandler

RECOM bietet isolierte DC/DC-Wandler sowohl in geregelter als auch in ungeregelter Ausführung an. Die Wahl zwischen beiden hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Wenn die Versorgungsspannung geregelt ist und die Last relativ konstant bleibt, kann ein ungeregelter DC/DC-Wandler die ideale Lösung sein. Dies liegt daran, dass ein ungeregelter DC/DC-Wandler immer noch Spannungspegelumwandlung, galvanische Trennung und Kurzschlussschutz (/P-Versionen) bietet und gleichzeitig deutlich günstiger ist als ein geregelter DC/DC-Wandler.

Umgekehrt wird ein geregelter Konverter benötigt, wenn die Versorgungsspannung oder die Last nicht stabil ist, da er dafür ausgelegt ist, die Ausgangsspannung trotz Schwankungen der Eingangsspannung oder der Last auf dem gewünschten Wert zu halten. Ein geregelter DC/DC-Wandler hält eine feste Ausgangsspannung aufrecht, wenn die Eingangsspannung schwankt (z.B. bei Batteriebetrieb) oder wenn die Last variabel ist, auch im Leerlauf.

Bei einigen Low-Power-Designs bietet eine halb-regulierte Lösung den besten Kompromiss. Ein ungeregelter Wandler, der einen linearen Low-Dropout-Spannungsregler (LDO) auf der Sekundärseite des Transformators enthält, hält den Ausgang unabhängig von den Lastbedingungen auf dem gewünschten Wert. Der Nachteil ist, dass die zusätzliche Regelungsstufe den Gesamtwirkungsgrad verringert und die Kosten im Vergleich zu einem ungeregelten Wandler erhöht, obwohl sie den Vorteil hat, dass bei einem plötzlichen Wegfall der Last die Ausgangsspannung stabil bleibt und der Wandler weiterhin kurzschlusssicher ist.

Hier sind einige der vielen Bereiche, in denen diese vielseitigen Geräte eingesetzt werden. Je nach Anwendung sind sowohl geregelte als auch ungeregelte Wandler enthalten.

Gate Drive Stromversorgungen

Isolierte DC/DC-Wandler werden häufig als Gate-Treiber in Hochspannungs-Wechselrichtern eingesetzt. Ein photovoltaisches (PV) Solarmodul erzeugt beispielsweise eine Hochspannungs-DC, die von einem dreiphasigen Hochspannungs-Wechselrichter in AC umgewandelt wird. Die DC-Spannung kann 1000V oder mehr betragen, und das Wechselrichtermodul schwebt oft einige hundert Volt über dem Boden; daher ist eine Isolierung sowohl für Funktions- als auch für Sicherheitszwecke erforderlich.

Steuersignale können zwar mit Optokopplern isoliert werden, aber für eine isolierte Gate-Treiber-Stromversorgung werden isolierte DC/DC-Treiber benötigt. RECOM bietet eine Reihe von isolierten DC/DC-Wandler-Modulen an, die eine einfache Stromversorgungslösung für IGBT-, SiC MOSFET- oder GaN HEMT-Leistungsbauelemente darstellen.

Die optimalen RECOM DC/DC-Wandler-Familien unterscheiden sich nach der Technologie der Leistungsschalter und können wie folgt kategorisiert werden:

• IGBT-Leistungsmodule: Die DC/DC-Wandler RH, RV, RP, RGZ, RKZ, RxxPxx und RxxP2xx von RECOM bieten asymmetrische Ausgänge von +15V und -9V und sind damit ideal für die Versorgung von IGBT-Treibern mit nur einem einzigen DC/DC-Wandler.


• SiC MOSFETs: Die Serien RxxP22005D und RKZ-xx2005D verfügen über asymmetrische Ausgänge von +20V und -5V, um den SiC MOSFET effizient und effektiv zu schalten. Die Serie RxxP21503D bietet asymmetrische Ausgangsspannungen von +15 und -3V, die für das effiziente Schalten von SiC-MOSFETs der zweiten Generation erforderlich sind.


• GaN HEMTs: GaN-Transistortreiber mit hoher Slew-Rate erreichen eine optimale Leistung beim Schalten bei +6V durch die DC/DC-Wandler der Serien RP-xx06S und RxxP06S von RECOM, die sich durch eine hohe Isolationsspannung und eine niedrige Isolationskapazität auszeichnen. Darüber hinaus bietet RECOM für GaN-Anwendungen, bei denen höheres Rauschen und Interferenzen zu berücksichtigen sind, auch Wandler mit +9V Ausgangsspannung an, die mit einer Zener-Diode in +6V und -3V aufgeteilt werden können, um beim Ausschalten eine negative Gate-Spannung zu erzeugen, die sicherstellt, dass die Gate-Spannung unterhalb der Einschaltschwelle bleibt.

Isolierte serielle Verbindungen in industriellen Anwendungen

Ein Feldbus ist ein allgemeiner Begriff für ein serielles Bussystem in industriellen Anwendungen, das E-Sensoren und Aktoren untereinander sowie mit mehreren Master-Geräten wie SPS oder Industrie-PCs verbindet. Feldbusse verlaufen oft über große Entfernungen und enthalten oft eine Funktion wie z.B. differentielle Twisted-Pair-Verbindungen, um eine Hochgeschwindigkeits- und hochzuverlässige Datenkommunikation zu erreichen. Die Signal- und Stromisolierung zwischen dem Bus und den einzelnen Systemverbindungen ist entscheidend für den Schutz vor Überspannungstransienten zwischen dem Kabelnetzwerk und den daran angeschlossenen Systemen. Darüber hinaus verhindert die Isolierung Erdschleifen im Netzwerk, reduziert Signalverzerrungen und Fehler und bietet Schutz vor Spannungs-/Masse-Fehlanpassungen.

Der Controller Area Network (CAN)-Bus zum Beispiel wurde ursprünglich für den Einsatz im Automobilbereich entwickelt, aber sein robustes Protokoll hat sich auch in industriellen Anwendungen durchgesetzt. Es spezifiziert eine maximale Kabellänge von 40 Metern und bis zu 30 Knoten. Andere Feldbusstandards mit ähnlichen DC/DC-Anforderungen sind Modbus, Profibus und Interbus.

Ein Beispiel für einen isolierten DC/DC-Wandler, der sich für die isolierte Stromversorgung von Feldbusschnittstellen eignet, ist die Familie der geregelten Wandler RxxCT(E)xx von RECOM, die 0,5W oder 1W bei 5V oder 3,3V Ausgangsspannung von einem nominalen 5V Eingang liefern - und das alles in einem SMD-16 Gehäuse. Zusätzlich wird eine Isolierung mit einer verstärkten 5kVAC-Bewertung geboten.

IIOT-Anwendungen für Sensorik und Steuerung

Das Industrielle Internet der Dinge (IIOT) eröffnet neue Möglichkeiten für Fabrikdesigner. Das riesige Angebot an vernetzten Sensoren des IIOT ermöglicht zahlreiche Verbesserungen der traditionellen industriellen Abläufe, einschließlich vorausschauender Wartung, zustandsorientierter Überwachung (CBM) und digitaler Modellierung von Industrieprozessen in Echtzeit.

Die raue Stromversorgungsinfrastruktur in den Fabriken mit ihren Erdschleifen, Spannungsspitzen und starken elektrischen Störungen ist nicht für empfindliche Sensoren und Mikrocontroller ausgelegt. Daher ist eine isolierte Stromversorgung in der Fabrikumgebung eine Voraussetzung. Viele Sensoren oder Datenerfassungsschaltungen sind jedoch so konzipiert, dass sie nur wenig Strom verbrauchen, so dass ein 1W oder 2W Wandler oft ausreichend ist.

IIOT-Anwendungen enthalten auch Steuerelemente. Abbildung 1 zeigt eine isolierte Digital-Analog-Schaltung (DAC), die für ein Steuerausgangsmodul in einer industriellen SPS oder einem verteilten Steuerungssystem (DCS) geeignet ist.

Die DAC arbeitet mit einer einzigen +5V-Versorgung, aber der Ausgangspuffer benötigt eine +/-12V-Versorgung, um einen bidirektionalen Ausgangsspannungsbereich zu bieten. Die isolierte +/-12V-Versorgung wird von R1DX-0512/H geliefert, einem kostengünstigen, flachen und offenen 1W SMD isolierten DC/DC-Wandler mit zwei Ausgängen. Ein R-78E-0.5 Schaltregler versorgt die DAC mit +5V aus der +12V-Schiene.

Die R1DX Familie arbeitet mit 5V und bietet eine Auswahl zwischen ±5, ±9, ±12 und ±15 Dualausgängen. Die Ausgangsspannungen sind kompatibel mit typischen aktiven Sensoren und Mikrocontrollern oder DSP-Frontends für die Datenanalyse.

Medizinische Anwendungen

Medizinische Anwendungen unterliegen sowohl in Krankenhäusern als auch außerhalb von Krankenhäusern strengen behördlichen Anforderungen, wobei die Sicherheit von Patienten und Bedienern an erster Stelle steht. In medizinischen Geräten werden häufig DC/DC-Wandler benötigt, die einen batterie- oder AC-basierten DC-Eingang aufnehmen und Spannungspegel in praktische Werte umwandeln können, die entweder für den Stromkreis oder für die Versorgung von Peripheriegeräten wie Sensoren benötigt werden. In den meisten Fällen ist die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers niedrig, z.B. 5V oder 12V, mit einer niedrigen Ausgangsspannung, z.B. +/-5V oder 3,3V. Funktionell ist eine Isolierung nicht immer erforderlich, kann aber zur Unterbrechung von Masseschleifen, zur Kontrolle des Cross-talk zwischen den Sensoren, zur Reduzierung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) oder zur Erzeugung einer negativen Schienenspannung aus einer positiven Versorgungsspannung eingesetzt werden. Umgekehrt kann eine Isolierung in Situationen, in denen sie funktionell nicht erforderlich ist, aus Sicherheitsgründen dennoch notwendig sein, auch wenn die Eingangs- und Ausgangsspannungen niedrig sind und weit unter der Definition einer „sicheren“ Spannung liegen.

RECOM verfügt über zahlreiche DC/DC-Wandler für den medizinischen Bereich, die eine höhere Leistung bieten. Mit dem 1W REM1, einem ungeregelten DC/DC-Wandler für den medizinischen Bereich in einem kompakten SIP7-Gehäuse, hat RECOM jedoch sein Leistungsspektrum erweitert. Der REM1 verfügt über eine verstärkte Isolierung von 5,2kVDC/1 Minute und eine Arbeitsspannung von 2MOPP*/250VAC. Das REM1 ist mit 3,3, 5, 12, 15 oder 24V Eingängen erhältlich und bietet 3,3, 5 oder 12V Ausgänge mit bis zu 85% Wirkungsgrad. Die Betriebstemperatur reicht von -40°C bis +90°C. Darüber hinaus erfüllt der Wandler durch die Verwendung eines einfachen externen LC-Filters die EMV-Normen der Klasse B und 60601-1-2 (vierte Ausgabe) für medizinische Anwendungen. Darüber hinaus entsprechen die Wandler vollständig den CB-, IEC/EN- und ANSI/AAMI 60601 (dritte Ausgabe), RoHS2+ (10/10) und REACH-Sicherheitsstandards und werden mit einer fünfjährigen Garantie geliefert.

*2MOPP = Zwei Mittel zum Schutz der Patienten

Systeme mit verteilter Stromversorgungsarchitektur (DPA)

Ein DPA-System wird häufig in industriellen Steuerungen eingesetzt, wo Lasten mit hoher Leistung mit Steuergeräten mit geringer Leistung kombiniert werden. Eine AC/DC-Stromversorgung liefert in der Regel eine Systembusspannung von 24V oder 48V, die für Motoren, Pumpen und ähnliche elektrische Geräte zur Verfügung steht.

Controller, Logikschaltungen und andere elektronische Geräte benötigen jedoch eine geringe Menge an 3,3V, 5V, 12V oder 15V Strom, um zu funktionieren. Isolierte DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch werden verwendet, um 3,3V, 5V, 12V, 15V, +/-12V, +/-15V und ähnliche Spannungen zu liefern. In einem rackbasierten Design sind die DC/DC-Wandler PoL-Geräte (Point-of-Load), die in der Nähe der Stelle platziert werden, an der sie benötigt werden. Dadurch wird der Spannungsabfall zwischen dem Wandler und dem Gerät minimiert und die Möglichkeit einer Rauschaufnahme, die eine Signalverschlechterung verursachen könnte, verringert.

RECOM bietet stromsparende DC/DC-Wandler für verschiedene Anwendungen

Isolierte DC/DC-Wandler mit geringer Leistung finden sich in vielen industriellen und medizinischen Anwendungen mit einer Vielzahl von speziellen Anforderungen. RECOM bietet eine breite Palette an geregelten und ungeregelten Designs, die für diese Zwecke optimiert sind.