Powermanagement Zero-Voltage-Switching-Topologie verbessert die Eigenschaften eines Abwärtswandlers Seite 18 Thermal Management Clevere Methoden zum Wärme- management von Wireless-Power- Empfängern Seite 60 Stromversorgungen Ein Mininetzteil, das in Unterputz- dosen passt: Recom bringt Gleich- strom in die Wohnungen Seite 42 An der Effizienz gedreht Neue Super-Junction- Power-MOSFETs der 600/ 650-V-Klasse Seite 8 Das Themen-Magazin von all-electronics April 2013 www.elektronikjournal.com Leistungselektronik Kostenloser Versand Für Bestellungen Über 65 €! DIGIKEY.COM elektronik Anzeige
Transcript
PowermanagementZero-Voltage-Switching-Topologie verbessert die Eigenschaften eines Abwärtswandlers Seite 18
Thermal ManagementClevere Methoden zum Wärme-management von Wireless-Power-Empfängern Seite 60
StromversorgungenEin Mininetzteil, das in Unterputz-dosen passt: Recom bringt Gleich-strom in die Wohnungen Seite 42
An der Effi zienz gedrehtNeue Super-Junction- Power-MOSFETs der 600/ 650-V-Klasse Seite 8
Wir stellen aus: 14.-16.5.13PCIM in NürnbergHalle 9, Stand 215
Gibt es wohl etwas Schöneres als Urlaub? Gerade nach dem verlänger-ten Winter bietet sich der sonnige Süden an. Der eine oder andere wird vielleicht mit leisem Unbehagen in den Flieger klettern: Boeings Dreamliner mit zwei- bis dreihundert Sitzplätzen gilt zwar als der
Energiesparer unter den Flugzeugen, er benötigt 20 % weniger Kerosin und verursacht weniger Lärm, dennoch war das Fliegen mit der Boeing 787 bisher nichts für schwache Nerven. Die ausgelieferten Jets wiesen anfangs fast alle Abenteuer- und Schreckensszenarien auf, die typische Katastrophen� lme aus den 70er Jahren am liebsten bemühen. Probleme mit den Bremsen, Treibsto� -verlust, Kurzschlüssen oder Feuer und Rauchentwicklung. Letztere verursach-
te das noch nie an Bord von Passagier-� ugzeugen eingesetzte Batteriesystem.
Die an drei Stellen im zweistrahligen Langstrecken-Verkehrs� ugzeug ver-wendeten Lithium-Ionen-Batterie-Packs sind keine Leichtgewichte: ein Exemplar wiegt satte 30 kg. Dafür be-sitzen sie die hohe Kapazität, die für diverse Funktionen unverzichtbar ist. Allerdings sind die Lithium-Ionen-Produkte auch feueremp� ndlicher als die bisherigen Nickel-Cadmium-Bat-terien; sie können brennen, explodie-ren und erreichen Temperaturen, bei denen Aluminium schmilzt. Mitte Ja-
nuar musste im japanischen Takamatsu ein Dreamliner deshalb notlanden – einer von vier bekannten Fällen. Die FAA-Inspektoren reagierten schnell und holten am 16. Januar zunächst mal alle 50 Dreamliner vom Himmel. Drei Mo-nate später stellten die Boing-Ingenieure ihre Lösung vor: Die Batterien sind in einer feuerfesten Stahlbox gekapselt, um bei Batteriebränden die Gefährdung des Flugzeugs auszuschließen. Eine Titan-Rohrleitung führt Brandgase und Batterie� üssigkeit nach außen, wenn Überdruck an Sollbruchstellen Löcher ins Gehäuse sprengt. Zudem sind die gesamte Batterie und ihre einzelnen Zel-len durch die Isolierung weniger hitzeemp� ndlich. Am 6. April war es soweit: Der Dreamliner führte den Test� ug vom Werksgelände in Everett nahe Seattle durch und landete nach 109 Minuten wieder an gleicher Stelle. Nun muss noch die FAA grünes Licht geben, dann können wir in den Süden starten.
Die Entwicklung beweist, dass in der Lithium-Ionen-Technik Potenzial aber auch Herausforderungen stecken. Wie wichtig Energiespeicher in der Leis-tungselektronik und Stromversorgung sind, zeigt die PCIM, die auf der Messe in Nürnberg erstmalig dem � ema einen Ausstellungbereich widmet (Seite 6).
Einfach abheben
Ina Susanne Raoist Redakteurinbeim elektronikJOURNAL
08 An der Effizienz gedrehtNeue Super-Junction-Power- MOSFETs der 600/650-V-Klasse
Powermanagement
12 Verbesserte Stromtragfähigkeit durch SiC-MOS-ModuleSiliziumkarbid oder Silizium – wer macht das Rennen?
17 HighlightsWago, Weidmüller
18 Wirkungsvoll wie ein ZaubertrankMit Zero-Voltage-Switching-Topologie Abwärtswandler verbessern
22 Formel 1 oder Familien kutsche?Digital statt analog: Kompensations-methoden in Spannungsreglern
26 Ein Wandler für alle FälleGleichspannungswandler mit adaptiver Regelung
30 QualitätsfrageIsolierte A/D-Wandler für die Netzleitungsüberwachung
34 Langlebige gute BeziehungenVon Messungen mit Stromsensoren in der industriellen Leistungselektronik
37 Neue Produkte
Stromversorgungen
38 Die richtige PowerAC/DC-Netzteile nicht über-dimensionieren
41 HighlightSiemens
42 Gleichspannung wird salonfähigEffiziente Netzmodule für das Smart Home
45 HighlightBMZ
46 Auf innere Werte setzenLangzeitstabile Stromversorgung für die Medizintechnik
49 HighlightBicker Elektronik
50 Die richtige Auswahl treffenWenn Preis, Leistung und Zuverlässig-keit bei Spannungswandlern zählen
An der Effizienz gedrehtMit einer neuen Serie von SJ-PMOSFETs will Renesas den Maßstab für niedrige Drain-Source-Widerstände und schnelle Schaltgeschwindigkeiten setzen. Diese Super-Junction-Reihe eignet sich für Motoransteue-rung, erneuerbare Energien und Stromversorgungen.
QualitätsfrageAC-Leitungsüberwachung misst die Echtzeit-Qualität der an eine Last gelieferten Energie. Hochgenaue Mehrphasensysteme er-fassen Frequenz, Spannungs- und Stromabweichungen, harmo-nische Spannungsspitzen und Spannungsungleichheiten.
Gleichspannung salonfähig machenIn Smart Homes soll der Gleichstrom künftig direkt aus der Dose kommen. Bis es so weit ist, lässt sich improvisieren: mit effizienten Mini-Netztei-len und LED-Treibern.
Coverstory
08
30
42
Leserservice infoDIREKT:Zusätzliche Informationen zu einem Thema erhalten Sie über die infoDIREKT-Kennziffer. So funktioniert’s:•www.elektronikjournal.com aufrufen•Im Suchfeld Kennziffer eingeben, suchen
52 Zugkonform mit der NormEisenbahnnorm-Anforderungen an DC/DC-Wandler mit geringer Leistung
55 Neue Produkte
Thermal Management
56 Ein anschmiegsames WesenPCM auf Power-Modulen als Alternative zu Wärmeleitpasten und -folien
58 Leistungsstark den Schienen nachThermal-Management verlängert das Leben von Stromführungsschienen
60 Gut gekühlt lebt es sich längerMethoden zum Wärme management von Wireless-Power-Empfängern
64 Jenseits des DatenblattsDen optimalen Nutzen aus fort schritt-lichen Wärmeleitmaterialien ziehen
Auf einen guten ZusammenhaltRobuste, umgebungsfest abgedichtete Stecker spielen eine ausschlaggebende Rolle, wenn bei anspruchsvollen Bedingungen die Zuverlässigkeit bei der Interkonnektivi-tät zählt. Bulgin zeigt, worauf es ankommt.
Konform mit NormDie beiden Eisenbahn-normen EN50155 und RIA12 legen den Bereich von Nenn-Eingangs-, Unter- und Überspannun-gen sowie Spannungsun-terbrechungen für Bahn-Ausrüstungen fest.
78
52 www.koe
hler-partner.de
A Datwyler Company
Ob Onlineshop oder Katalog:
Wir liefern deutschlandweit innerhalb von 24 h – ohne Mindermengenzuschlag. Lieferung ab 1 Stück. Die Distrelec-Gruppe: Ihr Partner für elektronische Bauelemente, Automation, industrielle IT und Zubehör.
HEUTE AUSSUCHEN,MORGEN AUSPACKEN!
APPKÜRZUNGZU ÜBER500.000PRODUKTEN
WWW.DISTRELEC.DE
*14 Ct./Min. aus dem Festnetz der Dt. Telekom AG, Mobilfunk kann abweichen
Zum ersten Mal findet die PCIM-Messe in Nürnberg in den Hallen 7 und 9 statt und trägt so dem immer größeren Flä-chenbedarf bestehender und der zunehmenden Anzahl der Aussteller Rechnung. Allein in den letzten drei Jahren
ist die gesamte Ausstellungsfläche der PCIM Europe um zirka 30 Prozent gewachsen und erreicht in diesem Jahr 18.500 Quadrat-meter. Eine weitere Neuerung ist das zweite Forum. Es bündelt übergreifende Themen; dort finden Podiumsdiskussionen, Round Tables und Kurzseminare statt. Darüber hinaus gibt es wie alle Jah-re zuvor Präsentationen der Aussteller.
Die PCIM-KonferenzBei der PCIM-Konferenz stehen zukunftsweisende Technologien wie Solar- und Windkraft, E-Mobility und neue Materialien im Fo-kus. In sechs Special-Sessions beleuchten Experten, welche Impul-se für diese Technologien bestehen. Insgesamt erwarten den Teil-nehmer mehr als 230 Vorträge und Posterpräsentationen in über 40 Sessions, die einen Überblick zu aktuellen Themen der Leis-tungselektronik geben. Dabei präsentieren Vertreter von führen-den Unternehmen sowie von Hochschulen und Forschungsein-richtungen ihre jüngsten Forschungsergebnisse und Erkenntnisse. Die Highlights zu Beginn jedes Konferenztages sind die drei Key-notes zu den folgenden Themen: ■ HVDC – State of the art and future trends. ■ New Generation of Traction Drives based on SiC Power Com-
ponents. ■ High-density Fast-transient Voltage Regulator Module.
Die Referenten kommen von Siemens, Alstom und dem Virginia Polytechnic Institute and State University.
Das KonferenzprogrammDas Konferenzprogramm, das die Messe begleitet, ist umfangreich. Dazu zählen Seminare, Tutorials, Sessions und Keynotes zu folgen-den Themen: ■ Seminar: „Loop Compensation of Voltage Mode and Current
Mode DC/DC Converters“ von Stefan Klein, Würth Elektronik eiSos, am 12. Mai 2013.
■ Tutorial: „Power Electronics for Renewable Energy Systems“ von Mike Meinhardt, SMA Solar, am 13. Mai 2013.
■ Keynote: „HVDC – State of the Art and Future Trends“ von Jörg Dorn, Siemens am 14. Mai 2013.
■ Sessions zu Themen aus dem Bereich erneuerbaren Energien, wie Wind Energy Technology am 15. Mai 2013.
■ Sessions zu Themen wie Advanced EMC/PFC System Design oder Wide Bandgap Devices.
■ Mehr als 120 Postersessions am Dienstag- und Mittwochnach-mittag.
Die PCIM Europe 2013Die Messe für zukunftweisende Technologien
Die Konferenz bietet den Teilnehmern zusätzlich an den beiden Vortagen der Konferenz die Möglichkeit, sich zu Fragestellungen der Leistungselektronik fortzubilden.
Ausstellungsbereich EnergiespeichertechnologienDas Konferenzprogramm bietet Beiträge zu Energiespeichertech-nologien, unter anderem in Oral- und Poster-Sessions sowie in ei-nem Tutorial. In der Energy-Storage-Systems-Session finden drei Fachvorträge zu den folgenden Themen statt: ■ Application of Maximum Length Sequences to Battery Charge
Programming for Parameter Estimation in Lead-Acid Batteries. ■ Understanding the Unbalancing of a Battery Pack to Choose the
Best Balancing Solution. ■ Performances of Batteries Technologies in Vehicle Applications.
Für Unternehmen aus dem Segment Energiespeicher (vor allem Akkus und Batterien) entsteht auf der Messe ein eigener Markt-platz. Auf dieser Focus-Area haben sowohl Hersteller als auch Ver-lage die Möglichkeit, ihre Produkte zu präsentieren sowie die Ge-legenheit mit Entwicklungsingenieuren der Anwenderindustrien wie regenerative Energiegewinnung, E-Mobility oder Smart Grid ins Gespräch zu kommen.
Seit Juni 2012 sind Lisette Hauser (links) und Anthula Parashoudi (rechts) für die Veranstaltungen PCIM, SMT Hybrid Packaging und EMV als Bereichs-leiterinnen verantwortlich.
Vom 14. bis 16. Mai 2013 präsentieren in Nürnberg Firmen der Leistungselektronik aus dem In- und Ausland ihre Innovationen. Der Fokus liegt auf regenerativer Energiegewinnung, Smart Grid, Energieeffizienz und Consumer Electronics.
Mesago Messe FrankfurtSeit Ende Juni 2012 trat bei der Mesago Messe Frankfurt eine per-sonelle Veränderung ein. Udo Weller, der Bereichsleiter, schied aus, um sich beruflich neu zu orientieren. Er war 24 Jahre im Un-ternehmen beschäftigt und hat vor allem mit den von ihm verant-worteten Veranstaltungen PCIM, SMT Hybrid Packaging und EMV zu Mesagos Entwicklung beigetragen. Lisette Hausser und Anthula Parashoudi, die bisherig stellvertretenden Bereichsleite-rinnen, übernahmen Udo Wellers Aufgaben in geteilter Verant-wortung. (rao)� n
Bei den CoolMOS-Bauelementen fließt der Strom quasi durch das Silizium-Die hindurch: Die Chips dieser Familie verfügen über elektrisch aktive Strukturen auf der Vorder- und der Rückseite. Deshalb sind extrem dünne Wafer nötig. Infineons Vorstandsvor-sitzender Dr. Reinhard Ploss zieht einen sehr bildlichen Vergleich heran: „Die Scheiben sind so dünn, dass sie sich wie ein Pfannku-chen biegen. Daher kann man sie nicht ohne Weiteres in her-kömmliche Maschinen schieben.“
Dennoch sei man bereit für die Massenproduktion von Leis-tungshalbleitern auf 300-mm-Wafern. Erste Großkunden hätten ihre Freigabe für Produkte der CoolMOS-Familie erteilt, die in der 300-mm-Linie am Standort Villach (Österreich) gefertigt werden, teilte das Unternehmen Mitte Februar mit. (lei)� n
infoDIREKT www.all-electronics.de 501ae0213
Erni Electronics hat die Unternehmensführung geordnet. Mit der Umstrukturierung werden die Bereiche Vertrieb und Fertigung weiter gestärkt. Im Rahmen der ausgerichteten Firmenleitungs-struktur übernimmt Herbert Sixl, der bisher die Vertriebsleitung inne hatte, als Geschäftsführer den Bereich Vertrieb Europa.
Michael Rentschler, bisher Materialwirtschaftsleiter, fungiert als gleichgestellter Geschäftsführer für die Produktionsgesellschaften. Der bisherige Geschäftsführer von Erni, Martin Seidenfuß, wech-selt zur Erni International in die Schweiz und verantwortet dort die Bereiche Forschung und Entwicklung sowie Business Develop-ment. Martin Seidenfuß wird zudem die Stellvertretung von Wal-ter Regli, CEO der Erni-Gruppe, übernehmen. Mit der Firmen-struktur wurde auch die Rechtsform des Unternehmens in Erni Electronics GmbH + Co. KG geändert. (rao)� n
infoDIREKT www.all-electronics.de 256ejl0213
Ausrichtung der Firmenorganisation
Erni Electronics: Wechsel in der Führungsriege
Bild
er: E
rni
Dr. Kurt Aigner (links) hat das Villacher 300-mm-Projekt geleitet. Dr. Rein- hard Ploss ist Vorstandsvorsitzender der Infineon AG, Dr. Monika Kircher leitet die österreichische Infineon und Haidas Pantelis das Werk in Dresden.
Bild
: Infi
neon
Herbert Sixl wird Geschäftsführer für den Vertrieb in Europa (li.).
Michael Rentschler ist gleichgestellter
Geschäftsführer für die Produktionsge-
sellschaften (re.).
Infineons neue Leistungshalbleiter-Produktionstechnik
Die Anforderungen an Leistungselektronik-Bauelemente steigen: Anwender und Gesetzgeber verlangen effiziente Lösungen. Das gilt besonders für stark wachsende Märk-te wie Stromversorgungen, Motorsteuerungen, erneuer-
bare Energien und die Beleuchtungstechnik. Hier sind Leistungs-halbleiter gefragt, die den Anforderungen nach bester Wirtschaft-lichkeit genügen, sprich höchste Effizienz liefern unter statischen Betriebszuständen sowie im Betrieb bei immer höheren Schaltfre-quenzen. Konventionelle Halbleiterstrukturen, zum Beispiel der planare Aufbau eines Leistungs-MOSFETs, stoßen hier häufig an ihre physikalischen Grenzen. Renesas hat daher eine neue Linie von Leistungs-MOSFETs mit sogenannter Super-Junction-Struk-tur entwickelt.
Die Vorteile der Super-Junction-Power-MOSFETs liegen sowohl im Bereich der statischen Eigenschaften, stellvertretender Parame-ter dafür ist der RDS(on) (Drain-Source-Widerstand im eingeschalte-ten Zustand), sowie bei den dynamischen Eigenschaften, stellver-
An der Effizienz gedrehtNeue Super-Junction-Power-MOSFETs der 600/650-V-Klasse
Mit einer neuen Serie von SJ-PMOSFETs will Renesas den Maßstab für niedrige Drain-Source-Widerstände und schnelle Schaltgeschwindigkeiten setzen. Diese Super-Junction-Power-Reihe eignet sich für Anwendungen, die höchste Energieeffizienz erfordern in Bereichen wie Motoransteuerung, erneuerbare Energien und Stromversor-gungen sowie die Lichttechnik. Autor: Steffen Hering
tretend dafür sind die Gate-Ladung QG oder QGD (Gate-Drain-La-dung). Diese Werte haben entscheidenden Einfluss auf die Verlust-leistungen der MOSFETs.
Grundlagen zu LeistungsverlustenIn einem Leistungs-MOSFET hat der Einschaltwiderstand RDS(on) den Haupteinfluss auf die statischen Verluste. Diese betragen:
Im Schaltbetrieb kommen die Verluste der Body-Diode hinzu, um die Gesamtverluste zu berechnen. Die Formel dazu lautet:
Ein konkretes Beispiel, wie sich die Verluste in den drei Abschnit-ten Einschaltvorgang, Ein-Zustand und Ausschaltvorgang zusam-mensetzen, ist in Bild 1 zu sehen. Statt der exakten Betrachtung per
P=I D2⋅RDS (on)
P=1
T∫0
T
(UD0⋅I F (t)+RDS (on)⋅I2(T ))dt
P=1
3U DS⋅I D⋅( t r+t f )⋅f Switch +
I2⋅RDS (on)⋅α⋅t on⋅ f Switch+I F⋅U D0⋅(1−tOn⋅f Switch)
PDrive= f Switch⋅QG⋅ΔUGS
FOM=RDS (on)⋅QG
FOM=RDS (on)⋅QGD
P=I D2⋅RDS (on)
P=1
T∫0
T
(UD0⋅I F (t)+RDS (on)⋅I2(T ))dt
P=1
3U DS⋅I D⋅( t r+t f )⋅f Switch +
I2⋅RDS (on)⋅α⋅t on⋅ f Switch+I F⋅U D0⋅(1−tOn⋅f Switch)
Schnell und sparsamIn vielen Applikationen sind die Leistungshalbleiter entscheidend für die Effi zenz. Hier wiederum sind es der RDS(on) und der QG-Wert, aus denen sich die Verluste im statischen und dynamischen Betrieb er-rechnen. Der Beitrag geht von den mathematischen Grundlagen über den physikalischen Aufbau bis zu einem Applikationsbeispiel und den passenden Online-Tools zur Entwicklungsunterstützung.
infoDIREKT www.all-electronics.de 500ejl0213 ➤ Halle 7, Stand 439
Auf einen Blick
Integral über einen kompletten Schaltzyklus lässt sich üblicherwei-se auch die folgende Näherungsformel anwenden:
Die Leistungen in der Treiberstufe lassen sich ebenfalls als Verluste ansehen. Diese werden hauptsächlich von der Gate-Ladung QG be-ein� usst. Die Verluste berechnen sich damit wie folgt:
Aus diesen Formeln zeigt sich, dass die beiden Parameter RDS(on) und QG die Verluste beein� ussen. Der Begri� Figure of Merit (FOM) kombiniert beide Parameter durch Multiplikation. Dieser ergibt einen leicht zu vergleichenden Wert für die E� zienz:
Neben der Gate-Ladung QG ist auch die Gate-Drain-Ladung QGD im Gebrauch. Damit ergibt sich die leicht abgewandelte Formel:
Bei den neuen SJ-PMOSFETs betragen der Spannungsbereich 600 oder 650 V und der Strombereich 6,1 bis 55 A. Die erreichten Wer-te für den RDS(on) und die QG oder QGD ergeben einen FOM, der für energiee� ziente Schaltungsauslegungen die ideale Basis bildet. Im Bereich der statischen Verluste bietet diese Produktline laut Rene-sas deutliche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Power-MOSFET-Strukturen. Bei Schaltfrequenzen über 50 kHz haben die SJ-PMOSETs deutlich geringere Gesamtverluste als IGBTs.
FertigungÜblicherweise sind Super-Junction-Power-MOSFETs auf einem N+-Substrat aufgebaut. Speziell geformte Schichten aus P-dotier-tem Material bilden in einem niedrigdotierten N–-Material die Säulenstruktur. In mehreren Schritten wird durch einen epitaxia-len Au� auprozess die Säulen-Gesamtschichtdicke des P-Materials errichtet um die erforderliche Spannungsfestigkeit zu erreichen. Diese Au� auvariante zeigt die mittlere Darstellung in Bild 2. Die-ser Herstellungsprozess hat aber Nachteile durch den relativ lang-
samen epitaxialen Au� au der Säulen-Schichten zu Säulen und die Komplexität durch die vielfach zu wiederholenden Schritte.
Renesas hat eine eigene neue Methode entwickelt, um die Super-Junction-Struktur aufzubauen und die genannten Nachteile zu vermeiden: die Deep-Trench-Technologie. Der Deep-Trench-Her-stellungsprozess bedingt, dass Gräben in das niedrig dotierte N-Material geätzt werden, um die P-Material-Bereiche zu bilden. Die Deep-Trench-Struktur ist im Bild 2 rechts zu sehen. Hoch präzise Maskenausrichtung und Dotierung in Verbindung mit einer Ver-kleinerung der P-Material-Säulen ermöglicht durch einen zuver-lässigen Herstellprozess sehr niedrige RDS(on)-Werte sowie extrem niedrige interne Kapazitätswerte, die wiederum zu niedrigen QG/QGD-Werten führen. Damit erreicht der FOM Bestwerte.
BausteinEin Stellvertreter der Produktfamilie ist der Baustein RJK60S5D-PK. Mit Eckwerten von 600 V und 20 A erreicht er herausragende Werte bezüglich statischer Verluste und Schalteigenscha� en. Der spezi� sche Widerstand pro Ober� ächeneinheit ist um zirka 52 Prozent niedriger als bei herkömmlichen Strukturen. Die Gate-Drain-Ladung QGD ist etwa 80 Prozent niedriger als bei konventio-nellen Strukturen und erlaubt damit schnelles Schalten mit niedri-gen Verlusten. Die Vorteile für den Anwender sind die im Ver-gleich zu konventionellen Strukturen niedrige Wärmeerzeugung im Bauteil, welche kleinere Gehäuseformen, kompaktere Schal-tungsau� auten sowie die Verwendung von günstigeren Kühlkör-pern ermöglicht. Eine Variante dieses Bausteins ist erhältlich mit
Pt (on) =1
6I 1⋅V 1⋅tw1⋅ f =
1
6⋅7,8A⋅84V⋅0,5µs⋅48,8kHz = 2,66W
Pon = I 22⋅RDS (on )(max)⋅α⋅tw2⋅ f = (4A)2⋅0,16Ω⋅2,0⋅11,5µs⋅48,8kHz = 2,87W
Bild 1: Die Gesamtverluste Ptotal bestehen aus den Turn-On-Verlusten Pt(on) (Einschaltvorgang, Zeitraum tw1), den statischen Verlusten Pon im eingeschalte-ten Zustand tw2 und den Turn-Off-Verlusten Pt(off) (Ausschaltvorgang, tw3).
Bild 2: Bei den Super-Junction-Power-MOSFETs (rechts) von Renesas bilden durchgehende, P-dotierte Säulen im N-Material die Deep-Trench-Struktur. Bei anderen Lösungen (Mitte) bestehen sie aus vielen Einzelschichten.
einer besonders schnellen Fast-Recovery-Diode (FRD), die durch ihre Schaltgeschwindigkeit die Verlustleistung während des Schalt-vorgangs weiter verringert und damit weniger Wärmeentwicklung erreicht (Bild 3).
Renesas erweitert seine Produktfamilie der Super-Junction-Po-wer-MOSFETs im Hinblick auf weitere Stromstärkebereiche sowie in den kommenden Jahren hinsichtlich höherer Spannungsklas-sen. Des Weiteren wird es für bestimmte Anwendungsgebiete kün� ig Varianten mit dafür optimierten Charakteristiken bieten.
AnwendungsbeispielDie Stromversorgung in Bild 4 dient nachfolgend als Beispiel. Zu sehen ist eine Schaltungstopologie mit synchroner Wechselrich-tung. Die Topologie beinhaltet eine PFC-Regelung (Power Factor Correction) und eine H-Brücke, beide ausgestattet mit Deep-Trench-SJ-PMOSFET auf der Primärseite. Die Sekundärseite ist mit Power-MOSFETs im mittleren Spannungsbereich mit Span-nungsfestigkeit von 60 V bestückt. Neben den diskreten Bauteilen liefert Renesas auch alle anderen Schlüsselkomponenten, also den PFC-IC, die ICs zur synchronen Wechselrichtung, Optokoppler zur galvanisch getrennten Übertragung der Regelsignale, die gene-relle Steuerung übernimmt ein Mikrocontroller.
Den entscheidenden Beitrag zur Steigerung der E� zienz liefern wiederum die eingesetzten SJ-PMOSFET. Im Vergleich zu konven-tionellen SJ-PMOSFETs steigt der Wirkungsgrad über den kom-pletten Ausgangsleistungbereich, bei 1000 W zum Beispiel von 97,6 auf 97,9 Prozent.
ProduktauswahlUm die Suche zum Produktangebot zu vereinfachen, hat Renesas die Online-Hilfestellungen wie Cross-Reference-Suche und para-metrische Suche neu gestaltet und erweitert. Dazu kommen weite-re anwendungsorientierte Hilfen, die über das reine Auswählen hinausgehen. Als Einstiegsseite dient www.renesas.eu/products/discrete/peer/guide.jsp: Die Auswahl beginnt in einer im Stil eines Flussdiagramms gehaltenen Gra� k (Bild 5). Durch Klicken auf das entsprechende Feld wird die Funktion ausgelöst, wie Cross-Refe-rence-Suche, parametrische Suche, Produktüberblick, ausgehend von der zu entwickelnden Anwendung und Schaltungstopologie.
Die Cross-Reference-Suche zum Beispiel ermöglicht durch Ein-geben der Wettbewerbsteilenummer die Suche nach dem nächst-
kommenden Renesas-Produkt. Das Werkzeug liefert gegebenen-falls mehrere Vorschläge, zeigt die wichtigsten Parameter an und verlinkt zum Datenblatt. Bei vielen Produkten, insbesondere bei den SJ-PMOSFETs, ist zusätzlich der Spice-Parametersatz down-loadbar, so dass Anwender bereits vor der Bemusterung das grund-sätzliche Bauteileverhalten in der Schaltung simulieren können.
Bei der parametrischen Suche kann man die gewünschten Para-meter teils durch anklicken, teils durch Schieber eingeben und ein-grenzen. Die Vorschlagsliste wird entsprechend ausgegeben und lässt sich sogar im Excel-Format exportieren und weiterverarbeiten. Ein weiteres Hilfsmittel geht anstelle von den Bauteileigenscha� en von der zu realisierenden Applikation und deren Topologie aus. Dieser sehr praxisorientierte Ansatz ermöglicht es dem Entwickler einen schnellen Überblick zu bekommen, welche Bausteine für die zu entwickelnde Schaltungstopologie empfohlen werden.
Online-Tool zur SimulationNeben der Möglichkeit, die SJ-Power-MOSFETs mit Hilfe der Spi-ce-Parameter auf dem eigenen Rechner auf deren grundsätzliche Eignung in der Schaltung zu analysieren, bietet Renesas auf der Homepage eine umfassende Simulationsumgebung mit der Be-zeichnung „Power e SIM“. Dieses kostenlose Werkzeug kann bei-spielsweise ausgehend von der zuvor gewählten Schaltungstopolo-gie und den ausgewählten Bausteinen Signalverläufe, Frequenz-gänge, Temperaturverhalten, Wirkungsgrade und weiteres simu-lieren und das Zeit- und Frequenzverhalten gra� sch darstellen.
Renesas setzt mit der hier vorgestellten neuen Super-Junction-Power-MOSFET-Serie auf Basis der eigenen Entwicklung der Deep-Trench-Technologie einen neuen Maßstab für höchst e� zi-ente Leistungshalbleiter. Damit ist es möglich, den Wirkungsgrad vieler Anwendungen deutlich zu steigern. Der Herstellungsprozess erfolgt vollständig im eigenen Haus, um eine gleichbleibend hohe Produktqualität zu gewährleisten. Der Nutzer � ndet auf der Web-site zudem eine Reihe komfortabler Hilfestellungen zur Pro-duktauswahl bis hin zur Simulation, um die Entwicklung zu be-schleunigen und die Entscheidung für hoche� ziente Halbleiter zu erleichtern. (lei) ■
Der Autor: Steffen Hering ist Marketing Engineer, A&P Product Management bei Renesas Electronics Europe in Aschheim/Dornach bei München.
Vg4
Steuer-ICfür PFC:R2A2011x
Vg3
Vg2Vg1
L
PWM und Sync.-Rect.-ICHA16163, R2A20121
Vg1
Vg2
Vg3
Vg4
opOKkOK
OK
OK
OK
PFC
Wechsel-strom-quelle
SJ-PMOSFET, 600 V
SiC/Si-Diode
PMOSFET, 60 V
MCU
Optokoppler
Bild 4: Diese Beispiel-Stromver-sorgung gewinnt allein durch die Umstellung von konventionellen
SJ-PMOSFET auf den RJK60S5DPQ um 0,3 Prozentpunkte mehr
Effi zienz.Bilder: Renesas
t
I150 ns
380 ns
Verbesserte
Diode
Standard-
Diode
Bild 3: Eine besonders schnelle Fast-Recovery-Diode (blauer Bereich) verbessert die Schaltcha-rakteristik gegenüber einer Standarddiode (gelb) und senkt damit die Verluste.
Zu den Vorteilen von Siliziumkarbid für Halbleiterbausteine gehören ihre kurze Sperrverzögerungszeit, die hohe Span-nungsfestigkeit und soliden thermischen Eigenschaften. Damit bieten sie sich für den Einsatz in der Leistungselek-
tronik an, etwa in Wechsel- und Umrichtern im industriellen Be-reich oder Power-Conditioner für die Photovoltaik.
Aufs Material setzenSiC besitzt eine zwei- bis dreimal so große Bandlücke wie das Sili-zium (in Abhängigkeit zum Polytyp), seine Durchbruchfeldstärke liegt um den Faktor 10 höher und der Temperaturkoeffizient ist dreimal so groß. Damit ist das Material ideal für das Leistungsma-nagement. Bisher erwies sich jedoch die Forderung nach hoher Stromtragefähigkeit als unvereinbar mit einer gleichzeitigen Ver-kleinerung der Gehäuse, da das Anheben des Nennstroms norma-lerweise auch die Integration von mehr MOSFETs beinhaltete.
Diese Integration erfordert außerdem die Gleichrichtung mit Dioden. Rohm begegnet dieser Herausforderung mit der Entwick-lung eines SiC-MOS-Moduls, das aus einem einzelnen SiC-MOS-FET-Leistungshalbleiter besteht und für 1200 V ausgelegt ist. Der
Verbesserte Stromtragfähigkeit durch SiC-MOS-ModuleSiliziumkarbid oder Silizium – wer macht das Rennen?
Eine Anforderung an SiC-Halbleiterbausteine neben ihren thermischen Eigenschaften, kurzen Sperrverzögerungs-zeiten, Spannungsfestigkeit und geringer Leistungsaufnahme ist die hohe Stromtragefähigkeit. Rohm zeigt im folgenden Beitrag worauf es dabei ankommt. Autor: Jochen Hüskens
Nennstrom bei diesem Baustein ist auf 180 A angehoben, er-schließt breitere Anwendungsmöglichkeiten und trägt zum Sen-ken der Leistungsaufnahme sowie zur Kompaktheit bei.
Erfolgreich Synergien bildenDank eines integrierten Fertigungssystems vom Wafer bis zur Montage sowie proprietär entwickelten Screening-Methoden ent-standen SiC-MOS-Module, die belastbar, zuverlässig und auch un-ter hohen Temperaturen leistungsfähig sind. Die Herstellung von SiC-Bausteinen – die niedrige Diffusionsrate, Ionenätzen, Plasma-behandlung und das Verarbeiten bei hohen Temperaturen bis zu 1700 °C – war früher eine große Herausforderung.
Inzwischen senkten sich durch die Verfügbarkeit von Wafer-scheiben mit immer größeren Durchmessern die Produktionskos-ten. Defekte wie Versetzungen und Mikroporen reduzierten sich und machten SiC zu einer kommerziell attraktiven Alternative, verglichen mit reinen Silizium-Halbleitern. Durch die Übernahme von SiCrystal, einem Hersteller von hochwertigen monokristalli-nen Siliziumkarbid-Wafern, verfügt Rohm über eine komplette Fertigung – von der Produktion der Rohblöcke bis zur Herstellung
Bild
er: R
ohm
Eine verbesserte Stromtragfähigkeit lässt sich durch ein kompaktes Format und eine größere Befestigungsfläche erzielen.
12_Rohm (rao).indd 12 16.04.2013 09:39:19
www.elektronikjournal.com
Powermanagement SiC-MOS-Module
Vom Verlust zum GewinnSiC-Module reduzieren die Verluste gegen-über Si-IGBT-Modulen um bis zu 85 % und lassen sich mit Schaltfrequenzen jenseits 100 kHz betreiben. Durch hohe Schaltge-schwindigkeit, geringe Verluste und gute Wärmeentwicklung ersetzen sie Si-IGBT-Module mit 200...400 A Nennstrom. Durch den Ersatz von 400-A-IGBTs lässt sich das Schaltungsvolumen um 50 % reduzieren.
infoDIREKT 249ejl0213 ➤ Halle 9, Stand 211
Auf einen Blick
einer Palette an Leistungsbausteinen. Das Spektrum umfasst die Werksto� verarbei-tung vom Züchten der Kristalle bis zur Wa-ferproduktion. Im Jahr 2010 gelang Rohm die Massenproduktion von SiC-MOSFETs – laut dem Unternehmen als erstem Anbie-ter weltweit. Zugrunde liegen eine proprie-täre Feldschwächungsarchitektur und spe-zielle Screening-Methoden. Diese Kombi-nation sichert die Zuverlässigkeit; durch einen komplexen Hochtemperatur-Pro-duktionsprozesses bein� usst sie nur gering die Eigenscha� en der Bausteine.
Die SiC-Baustein-GeschichteDie ersten SiC-MOSFETs am Markt wiesen erhebliche Mängel in punkto Zuverlässig-keit auf. Dazu zählten der typische Leis-tungsabbau durch die Ableitung der Diode, der hohe On-Widerstand und die erhöhte Durchlassspannung sowie Widerstands-verlust, oder der Ausfall der Gate-Oxid-Beschichtung. Diese Faktoren, die eine vollständige Integration früher unmöglich machten, ließen sich überwinden. Rohm entwickelt hochspannungsfeste 1200-V-
Dann dürfen unsere Board-to-Board und Board-to-FPC Steckverbinder beim Design-In nicht fehlen. Die Vorteile:
� Kompakte Größen
� Ein breites Produktspektrum
� Hohe Kontaktzuverlässigkeit
� Kostengünstige Weiterverarbeitung
Mit einem Rastermaß von 0,2 mm bis zu 0,8 mm, einer Steckhöhe von 0,6 mm bis 14 mm und variabler Kontaktanzahl, haben wir sicher den passenden Steck-verbinder für Sie.
Weitere Infos finden Sie unter
Zuverlässige Produkte erwünscht?
Panasonic Electric Works Europe AGTel.: +49 (0) 8024 648-0 • Fax: [email protected]
Der Stromfl uss in Gegenrichtung ermöglicht eine hocheffi ziente Synchrongleichrichtung.
Die einfache MOS-Struktur sorgt für minimale Schaltverluste ohne Stromschweif.
SiC-Leistungs-MOSFETs der zweiten Ge-neration, ausgelegt für Wechselrichter und Wandler in Power Conditionern.
Der SCH2080KE verfügt über eine im selben Gehäuse integrierte SiC-Schottky-Diode. Die Flussspannung reduziert sich um 70 % oder mehr; die Verluste fallen ge-ringer aus. Der Entwickler benötigt weni-ger Bauelemente und er kann den On-Wi-derstand pro Flächeneinheit gegenüber
Der Autor: Jochen Hüskens ist im Europe Product Marketing bei Rohm Semiconductor in Willich tätig.
konventionellen Produkten um rund 30 % senken. Ebenso erfolg-reich war die Integration einer SiC-Schottky-Diode in dasselbe Gehäuse; bisher musste man sie als externes Bauelement hinzufü-gen. Dies minimiert die Flussspannung, die bei den Body-Dioden bisheriger SiC-Leistungs-MOSFETs noch eine Herausforderung darstellte. Als Resultat sind die Verluste des SCH2080KE um min-destens 70 % geringer als bei den in herkömmlichen Wechselrich-tern verwendeten Si-IGBTs. Dies ergibt geringere Schaltverluste und ermöglicht Schaltfrequenzen über 50 kHz, so dass sich kleine-re Peripherie-Bauelemente verwenden lassen.
Im Jahr 2012 wurde als Antwort auf die Forderung nach höherer Stromtragfähigkeit mit einem kleineren Format für den Einsatz in Industrieanlagen und andere Anwendungen, ein SiC-Modul in hochspannungsfester 1200-V-/100-A-Ausführung vorgestellt. Ne-ben einer deutlichen Reduzierung der Verlustleistung und der ge-ringeren Wärmeerzeugung – und damit reduzierten Kühlmaßnah-men – benötigte man weniger Bausteine, was wiederum den Platz-bedarf um 50 % verringerte und zur Miniaturisierung der Endpro-dukte beitrug.
Kompakt und verlustarmLast but not least entwickelte Rohm ein SiC-Power-Modul auf Ba-sis von SiC-MOSFET-Technik der zweiten Generation, bei der sich die Verringerung des Leitvermögens der Body-Diode minimiert lässt, so dass sich auf eine Dioden-Gleichrichtung verzichtet lässt. Hierdurch konnte man unter Beibehalten des kompakten Formats die Befestigungsfläche vergrößern, um die Stromtragfähigkeit zu verbessern. Als Resultat liegen die Verluste der SiC-MOS-Module um 50 % geringer als bei konventionellen Si-IGBTs, wie sie in Uni-versalwechselrichtern Einsatz finden. Diese Art von Leistungstran-sistoren weist einen niedrigeren On-Widerstand auf, da am Strom-fluss sowohl Elektronen als auch Minoritätsträger (Löcher) betei-ligt sind. Ein gravierender Nachteil ist, dass keine hohen Schaltfre-quenzen möglich sind, da die akkumulierte Ladung injizierter Löcher zu beträchtlichen Schaltverlusten führt. Rohm hielt bei seinen SiC-MOS-Modulen den On-Widerstand durch die dünne Bausteinstruktur gering und konnte damit die Leistungsfähigkeit des MOSFETs deutlich steigern.
Die Schalteigenschaften bleiben durch Verwendung einer einfa-chen MOS-Struktur, die für minimale Schaltverluste ohne Strom-schweif sorgt, auch ohne Schottky-Diode erhalten. Die Tatsache, dass anders als bei IGBTs kein Stromschweif auftritt (wie erwähnt,
verursacht die Akkumulationszeit injizierter Löcher oder die ver-schiedenen Schnittstellen der Bausteinstruktur beim Abschalten eines IGBTs diesen kurzzeitigen Strom) senkt die Verluste um über 50 %, macht die Performance stabiler und führt zu einer vermehr-ten Energieersparnis. Die reduzierten Verluste und die Eignung für eine mehr als 50 kHz Betriebsfrequenz des SiC-MOS-Moduls (die mit Si-IGBTs unmöglich wäre) sorgen nun dafür, dass kleinere Peripheriebausteine Verwendung finden, was weiteres Miniaturi-sieren der Endprodukte zulässt.
Universelle Si-IGBTs können keinen Strom in umgekehrter Richtung leiten, das heißt, im Wechselrichterbetrieb fließt Strom durch die Body-Diode, wodurch sich VF reduziert und kurze Sperrverzögerungszeiten erforderlich sind. Durch den Spannungs-abfall (Flussspannung) erhöhen sich die Verluste. Im Gegensatz dazu ist die Body-Diode im SiC-MOSFET immer in Sperrrichtung leitend. Abhängig vom Eingangssignal am Gate lässt sich der MOSFET außerdem in beiden Richtungen betreiben, wodurch der On-Widerstand geringer ist als mit der Diode allein. Diese Rück-wärtsleitungs-Eigenschaften ermöglichen eine effiziente Syn-chrongleichrichtung bei 1000 V und mehr. In diesem Spannungs-bereich sind Gleichrichterdioden nicht mehr einsetzbar.
Kriterien die zählenDie Erkenntnisse über die Mechanismen, mit denen sich Defekte durch die leitende Body-Diode ausbreiten, ermöglichen ein Mini-mieren der primär beteiligten Faktoren durch Maßnahmen am Prozess und der Konstruktion des Bauelements. Eine Verschlech-terung der Leiteigenschaften der Body-Diode kann nicht stattfin-den. Bei Universalprodukten ist bereits nach zwanzig Stunden eine erhebliche Zunahme des On-Widerstands zu beobachten. Bei dem jüngsten Modul dagegen ist sichergestellt, dass es auch nach über 1000 Stunden zu keiner Zunahme des On-Widerstands und damit zu keinen Performance-Einbußen kommt. Wirkungsgrad, Platzbe-darf und Kosten sind wichtige Faktoren: Diese Applikationsberei-che benötigen die Effizienz, mit der SiC aufwarten kann, außerdem – und das ist ebenso wichtig – stellen sie eine Einsatzumgebung dar, die auf die Temperaturstabilität der SiC-Produkte und ihre Eignung für höhere Betriebstemperaturen angewiesen ist. (rao)� n
Durch das Vermeiden der Verschlechterung der Leiteigenschaften der Body-Diode sind 1000 Stunden Betrieb ohne Performance-Einbußen möglich.
Die Rückwärtsleitungs-Eigenschaften des MOSFETs ermöglichen eine hocheffiziente Synchrongleichrichtung im Bereich von 1000 V und mehr. In diesem Spannungsbe-reich sind Gleichrichterdioden nicht mehr einsetzbar.
12_Rohm (rao).indd 14 16.04.2013 09:39:27
COMPETENCE IN COMMUNICATION
www.net-x.net
Ein Partner ›› Ein Chip ›› Alle Systeme
Einer für alle*
Ein Partner – ein Chip – alle Systeme. Vom Standardprodukt über OEM-Module bis hin zum Chip – wir bieten für jede Anforderung die passende Lösung. Setzen Sie bei Ihrer Lösung für die industrielle Kommunikation auf den technologischen Marktführer. netX, eine Lösung für alle Feldbusse und Realtime-Ethernet: Made in Germany.
Flexibler Highend Netzwerk-Controller als Single-Chip Lösung
Kommunikationskanäle als Real-Time-Ethernet oder Feldbus-Interface einzeln konfigurierbar
10 Jahre Liefergarantie
Neue Systemarchitektur optimiert auf schnelle Kommunikation und hohen Datendurchsatz
Für jede Anforderung der passende Chip
Die Netzwerk-Controller der netX-Familie ist dieintelligente Lösung, die bewährten Feldbusseund Real-Time-Ethernet-Systeme mit einemeinzigen Chip zu realisieren.
Anforderungen
netX-Familie – networX on chip:
Kommunikationskanäle als Real-Time-Ethernet oder Feldbus-Interface einzeln konfigurierbar
Neue Systemarchitektur optimiert auf schnelleKommunikation und hohen Datendurchsatz
Die Netzwerk-Controller der netX-Familie ist dieintelligente Lösung, die bewährten Feldbusseund Real-Time-Ethernet-Systeme mit einem
Einfach schraubenlos glücklichAufsteck-Stromwandler bis 1000 Ampere
Die Aufsteck-Stromwandler der Serie 855 von Wago sind für unterschiedliche Primärströme bis 1000 A verfügbar. Sie sind UL-zertifiziert (Recognized Components) und für den Einsatz in Niederspannungsnetzen mit 230, 400 und 690 V geeignet; die maximale Betriebsspannung beträgt 1,2 kV. Die Aufsteck-Stromwandler 855 transformieren primäre Bemessungsströme in galvanisch getrennte Sekundärströme bis 1 A
mit einer Messgenauigkeit von einem Prozent. Dieser Wert entspricht der Genauigkeitsklasse 1.
Die Stromwandler widerstehen Temperaturen von -5 bis +50 °C und lassen sich dauerhaft mit bis zu 120 Prozent des Nennstroms belasten. Ih-re Cage-Clamp-Anschlusstechnik ermöglicht die schraubenlose Kontaktierung von Leitern mit Querschnitten zwischen 0,08 und 4 mm2. Die Anschlüsse sind sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite der Stromwandler er-reichbar. Das Kunststoffgehäuse der Serie 855 ist robust und lässt sich auf verschiedene Arten montieren: auf Rundleitern, auf Kupferschienen, auf Montageplatten und – abhängig von der je-weiligen Variante – auf Tragschienen.
Aufsteck-Stromwandler erfassen hohe Ströme und verarbeiten diese; sie bilden damit zum Bei-spiel die Grundlage für die Energiedatenerfas-sung mit 3-Phasen-Leistungsmessklemmen aus der Serie 750 oder Jumpflex-Messumformern der Serie 857. (rao)� n
infoDIREKT 231ejl0213
Die Aufsteck-Stromwandler der Serie 855 sind mit der Cage-Clamp-Anschlusstechnik ausgestattet.
Ob Serienprodukt oder Einzelstück:Wir setzen bedingungslos auf das,was wir unter bester deutscherIngenieurskunst verstehen, nämlichauf solide Qualität und durch-dachte Innovationen!
Kontaktieren Sie uns, Sie werdenüberrascht sein, was Ihnen unsereProduktpalette alles bieten kann!
ETS_12_Anzeige_57x297_RZ.qxd:Layout 1 15.10.2
Weidmüller präsentiert die Blitz- und Über-spannungsschutzserie VPU. Laut Hersteller sorgt sie für höhere Planungssicherheit und In-vestitionsschutz von Anlagen. Die VPU-Serie umfasst die Typen 1, 2 und 3 und erfüllt die ak-tuelle IEC 61643-11- und die zukünftige EN 61643-11-Norm. Die 2013 eingeführte EN-Norm betont, wie relevant ein zuverlässiger Blitz- und Überspannungsschutz ist. Die VPU-Serie basie rt auf einer kombinierten Varistor-Gasableiter-Technologie. Durch die Normkon-formität von mindestens fünf Jahren reduzieren die Anwender mit dem Blitz- und Überspan-nungsschutz VPU die Iterati onsschritte bei der Planung nach der Anwendungsnorm IEC 61643-12 und die damit verbundenen Re-Designs.
Jedes VPU-Modul lässt sich durch seine 180-Grad-Drehbarkeit auf kurzem Wege zum Blitzschutzpotenzial ausgleich im Schaltschrank positionieren. Ein zentriertes Status fenster ver-mittelt gut sichtbar die Informa tion über die Schutz funktion. Ein Tragschie nenclip verein-facht die Montage. Die VPU-Serie ist werkzeug-los bedienbar. Die schnelle Demontage erfolgt ein fach durch Zurückziehen des Rastfußes – auch aus einem Modulverbund heraus. Die Me-
Lebensretter im EinsatzBlitz- und Überspannungsschutz für Energienetze
chanik des Rastfußes löst dabei das VPU-Modul von der Tragschiene. Der vibrationssichere Ab-leiter rastet für den Bediener hör- und fühlbar in den Sockel ein und der Fernmeldekon takt lässt sich mit Push-In-Anschlusstechnik zuverlässig anschließen. Er gibt eine Information über den jeweiligen Status der Schutzfunktion. (rao)� n
infoDIREKT 234ejl0213 ➤ Halle 7, Stand 225
Der Überspannungsschutz der VPU-1-Produkte basiert auf Varistor-Gasableiter-Technologie. Detail 1: Die Montage erfolgt durch den Tragschienenclip, Detail 2: Der Fernmeldekontakt informiert über den Status der Schutzfunktion.
DC/DC-Abwärtswandler sollen immer bessere Werte für Wirkungsgrad und Leistungsdichte haben. Eine Verbes-serung des Wirkungsgrades von angenommen 88 auf 92 Prozent mag auf den ersten Blick nicht gravierend sein, da
es ja nur ein Gewinn von vier Prozentpunkten gegenüber dem ur-sprünglichen Wert ist. Dies ist jedoch eine begrenzte Sichtweise. Sicher, ein höherer Wirkungsgrad ist umweltfreundlich und redu-ziert die Betriebskosten für die Versorgung aus dem Netz und die notwendige Kühlung des Systems. Aus Sicht des Designs hat ein höherer Wirkungsgrad noch andere Vorteile und betrachtet man die Reduzierung der Verluste, so sinken diese von 12 auf 8 Prozent; das heißt um den bedeutenden Anteil von einem Drittel.
Diese Verbesserung ermöglicht höhere Leistungsdichten und kleinere Bauformen sowie eine einfacher zu realisierende Entwär-mung des Systems (Kühlkörper, Luftstrom und Anforderungen an die Umgebungstemperatur) und niedrigere Betriebstemperaturen. Das Ergebnis ist weniger Stress und damit eine längere Lebensdau-er für den Abwärtswandler selbst sowie die Komponenten in des-sen Nähe. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, muss man das Augenmerk auf die Leistungsverteilung sowie die Eigenschaften der Umwandlungsstufen richten. Der Betrieb bei höheren Span-nungen ist ein Schlüssel zum Optimieren des Wirkungsgrades, da sich die Leitungsverluste durch niedrigere Ströme reduzieren. Eine weitere Verbesserung bewirkt der Einsatz einer einzigen statt der
Wirkungsvoll wie ein ZaubertrankDie Zero-Voltage-Switching-Topologie verbessert signifikant die Eigenschaften von Abwärtswandlern
Der Zero-Voltage-Switching-Ansatz (ZVS) nutzt eine Klemmschaltung und ermöglicht dadurch eine höhere Leistung und einen besseren Wirkungsgrad. Vicor zeigt im folgenden Beitrag, was genau hinter dieser Technik steckt und wo genau die Vorteile für die Anwendungen liegen. Autor: Chris R. Swartz
Mit weniger Verlust mehr gewinnenDie Zero-Voltage-Switching-Topologie hat gleich mehrere Vorteile. Dazu zählen niedrige Schalt-verluste bei hohen Frequenzen. Die Schaltung lässt sich bei hoher Frequenz, kombiniert mit ho-hen Eingangsspannungen, betreiben und die Einschaltzeit der Body-Diode lässt sich durch eine gute Schaltung der Gleichrichter vernachlässigen. Die interne Kompensation ermöglicht eine hohe Bandbreite und Phasenreserve.
infoDIREKT www.all-electronics.de 239ejl0213➤ Halle 9, Stand 155
Auf einen Blick
o� mals verwendeten doppelten Wandler-stufe (das bedeutet von 36 direkt herunter auf 1 V statt von 36 auf 12 V und dann von 12 auf 1 V). Um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte zu verbessern, muss der nicht isolierte PoL-Abwärtswandler (Point of Load) nicht nur eine höhere Eingangs-spannung und damit ein größeres Verhält-nis von Vin zu Vout verarbeiten können, son-dern auch über einen breiteren Eingangs-spannungsbereich verfügen. Gleichzeitig ist ein Betrieb bei höheren Schaltfrequen-zen erforderlich. Für konventionelle Ab-wärtswandler sind weite Eingangsspan-nungsbereiche problematisch und mit stei-gender Taktfrequenz erhöhen sich auch die Verluste.
Um diese Hürden zu überwinden, setz-ten Entwickler verschiedene Topologien und Regelungstechniken ein, wie Cur-rent-Mode-Control, digitale Regelung, Synchrongleichrichtung und adaptive Treiber. Zugleich kamen andere Gehäuse-bauformen, höhere Integrationsdichten und verschiedene Verbesserungen der MOSFET-Technologie mit niedrigeren Durchlasswiderständen. Diese Innovatio-nen kommen jedoch alle irgendwann zum Punkt eines reduzierten Kosten-Nutzen-verhältnisses. Wird die Schaltfrequenz ei-
nes konventionellen Abwärtswandlers er-höht, ergeben sich drei fundamentale Pro-bleme (Bild 1): ■ Verluste durch das harte Schalten: Bei
den meisten Topologien für nicht isolierte Abwärtswandler ergeben sich hohe Verlus-te im MOSFET, bedingt durch das gleich-zeitige Au� reten von hohen Strömen und Spannungen während der Ein- und Aus-schaltvorgänge. Mit steigender Taktfre-quenz und Eingangsspannung erhöhen sich diese Verluste und begrenzen dadurch die maximale Schaltfrequenz, den Wir-kungsgrad und die Leistungsdichte. ■ MOSFET-Gate-Treiberverluste: Auch
hier erhöhen sich mit steigender Frequenz die Verluste. ■ Verluste in der Body-Diode: Durch das
Ein- und Ausschalten des High-Side-MOSFETs entstehen hohe Pulsströme durch die Body-Diode des Low-Side-MOSFETs. Je länger Strom durch diese Di-ode � ießt, umso höher sind deren Durch-lass- und Reverse-Recovery-Verluste. Ebenfalls entstehen störende Überspan-nungen und Oszillationen.
Zusätzlich benötigt diese Topologie eine relative große Ausgangsinduktivität, was zusätzlich Kosten und einen erweiterten Platzbedarf bewirkt.
Bild 1: Die konventionelle Topologie für Abwärtswandler hat sich bewährt, stößt aber in Bezug auf mögliche Verbesserungen an ihre Grenzen.
Bild 2: Bei der ZVS-Variante wird ein zusätzlicher Klemmschalter über der Ausgangsdrossel angebracht, was Vorteile im Betrieb hat.
Mehr Informationen auf: www.omicron-lab.com/ej
Wie stabil ist IhrSchaltnetzteil?
• Schleifenverstärkung
• Streckenübertragungsfunktion
• Phasen- und Amplitudenreserve
Überprüfen Sie die Stabilität ganz einfach mit dem Vektor-Netzwerkanalysator Bode 100 und dem Breitband Einspeise-Übertrager B-WIT 100.
Messen Sie im Frequenz-bereich von 1 Hz bis 40 MHz:
Der Autor: Chris R. Swartz ist Principal Engineer für Picor Semiconductor Solutions bei der Vicor Corporation in Rhode Island, USA.
Der ZVS-AnsatzDamit der Abwärtswandler auch bei höhe-ren Frequenzen mit einem guten Wir-kungsgrad arbeiten kann, müssen die Ein-schaltverluste des High-Side-MOSFETs deutlich gesenkt werden. Die Zero-Volta-ge-Switching-Topologie (ZVS, Schalten bei Nullspannung) ist ähnlich zu einem kon-ventionellen Abwärtswandler, hat jedoch eine zusätzliche Klemmschaltung über der Ausgangsdrossel (Bild 2). Diese offensicht-lich kleine Änderung ermöglicht es, die in der Induktivität der Drossel gespeicherte Energie für den Schaltvorgang zu nutzen und die Einschaltverluste zu reduzieren. Zu bemerken ist auch, dass diese Drossel kleiner ist als in einem nicht ZVS-Wandler, was einen weiteren Vorteil bedeutet.
Wenn MOSFET Q1 eingeschaltet ist, wird Energie in der Aus-gangsdrossel gespeichert und der Ausgangskondensator wird gela-den. Schaltet Q1 aus und Q2 ein, wird die in der Drossel gespei-cherte Energie an den Ausgangskondensator und die Last abgege-ben. Q2 bleibt so lange eingeschaltet, bis etwas Energie vom Aus-gangskondensator zurück in die Drossel fließt. Ist genügend Energie gespeichert, schaltet der MOSFET aus und die Klemm-schaltung wird aktiviert, wodurch die Drossel vom Ein- und Aus-gang getrennt wird und gleichzeitig die Energie nahezu verlustlos als Strom weiterfließt.
Während dieser sehr kurzen Zeit versorgt der Ausgangskonden-sator die Last. Nach Ende der Klemmphase öffnet der Klemm-schalter und die gespeicherte Energie wird dazu genutzt, die Aus-gangskapazität von Q1 zu entladen und die von Q2 zu laden. Das Diagramm (Bild 4) zeigt den zeitlichen Ablauf.
Bewusst die Eigenschaften nutzen Als Ergebnis bietet diese ZVS-Schaltung viele Vorteile: niedrige Schaltverluste auch bei hohen Frequenzen, vernachlässigbare Ein-schaltzeit der Body-Diode durch nahezu ideale Schaltung der Gleichrichter, Betreiben bei hoher Frequenz auch bei hohen Ein-gangsspannungen, einfache interne Kompensation ermöglicht eine hohe Bandbreite sowie Phasenreserve, kleine Ausgangsdrossel, ho-he Taktfrequenz und große Bandbreite der Rückkopplungsschleife
ermöglichen eine konstant schnelle Reakti-on auf Transienten auch mit kleinen Kapa-zitäten am Ausgang, 20 ns minimale Ein-schaltzeit ermöglicht hohe Übersetzungs-raten (36:1) und einen sehr guten Wir-kungsgrad bei kleiner Last durch hocheffiziente Versorgung kombiniert mit dem Ausblenden von Pulsen.
Funktioniert es wirklich?Bei dieser Klemmschaltung sowie der ent-sprechenden Schaltung bei Nullspannung handelt es sich nicht nur um eine Idee, de-ren Vorteile ausschließlich in der Simulati-on nachgewiesen wurden. Die DC/DC-
Wandler-Familie-PI33XX mit weitem Eingangsspannungsbereich von Vicor enthält diese ZVS-Buck-Technologie. Diese nur 10 × 14 mm2 großen SiP-Buck-Regler benötigen nur eine kleine externe Induktivität und einige Keramikkondensatoren und damit insge-samt nur eine Fläche von 25 × 21,5 mm2 (Bild 5). Diese Produkte arbeiten über einen weiten Eingangsspanungsbereich von 8 bis 36 V und liefern bis zu 120 W oder 18 A mit maximalen Wirkungs-graden von 98 Prozent. Auch bei einem hohen und trotzdem effi-zienten Herabsetzen von 36 Vin auf 1 Vout kann ein PI33XX bis zu 10 A mit einem Wirkungsgrad von 85 Prozent liefern. Bild 3 zeigt die Wirkungsgradkurven eines PI33XX bei sechs üblichen Aus-gangsspannungen und einer Eingangsspannung von 36 V.
Die ZVS-Technologie ist von sich aus stabil mit einer Verstär-kung der Übertragungsfunktion von -1 und einem Phasenwinkel von 90 Grad, wodurch eine hohe Bandbreite in der Rückkoppel-schleife möglich ist. Die hohe Verstärkung der geschlossenen Re-gelschleife und die relative kleine Ausgangsdrossel bewirken eine niedrige Ausgangsimpedanz über einen großen Frequenzbereich und damit eine schnelle Reaktion auf Transienten mit Erholzeiten im Bereich von 20 bis 30 µs. Die Vorteile der ZVS-Schaltung wur-den überprüft und sind in Form der Zero-Voltage-Switching-Wandler erhältlich. (rao)� n
Bild 4: Die Darstellung zeigt einen Topologievergleich. Beim direkten Vergleichen der Funktionsabläufe eines Buck-Wandlers zu einem Zero-Voltage-Switching-Wandlers treten verschiedene Unterschiede auf, die signifikant die Zielanwendung beeinflussen können.
Bild 3: Die ZVS-Schaltung zeigt hohe Wirkungsgrade über einen weiten Bereich von Übersetzungsfakto-ren bei Eingangsspannung von 36 V.
Bild 5: Bei der Picor-PI33XX-IC-Familie wurde die ZVS-Topologie in einem kleinen LGA-SiP-Gehäuse untergebracht und die Vorteile dieser Schaltung nachgewiesen.
Bild
er: V
icor
18_Vicor (rao).indd 20 16.04.2013 09:46:08
Linear Technology GmbH +49-(0)89-9624550
Distributoren: Deutschland Arrow +49-(0)6103-3040 Farnell +49-(0)89-6139393 Setron +49-(0)531-80980 Digi-Key 0800.1.800.125
Distributoren Österreich Arrow +43-(0)1-360460 Farnell +43-(0)662-2180680 Digi-Key 0800.291.395
Der LTM®2883 ist ein komplett digitaler galvanischer µModule®-Isolator. Die interne induktive Isolationssperre des LTM2883 unterbricht Masseschleifen, indem die Logikpegel-Schnittstelle für SPI, I2C oder Allzweck-I/O isoliert wird. Ein störungsarmer DC/DC-Wandler liefert Strom an die interne Kommunikationsschnittstelle und an drei einstellbare isolierte Stromversorgungs-Ausgänge mit den Nennspannungen 5V, 12,5V und -12,5V. Der LTM2883 bietet eine einfache, hochintegrierte µModule-Lösung mit 2500Veff Isolation, einer Sekundär-Stromversorgung auf dem Chip, einer digitalen Kommunikationsschnittstelle und einer durch Gleichtakt-Transienten nicht unterbrochenen Kommunikation.
Eigenschaften
• Logik-Isolator für sechs Kanäle: 2.500Veff
• Isolierte einstellbare DC-Stromversorgung: 3V bis 5V mit bis zu 30mA ±12,5V mit bis zu 20mA• High-Speed-Logik-Isolation: 20MBit/s Digital (LTM2883-S) 4MHz Vollduplex SPI (LTM2883-S) 400kHz I2C (LTM2883-I)• Hohe Unempfindlichkeit gegen Gleichtakt- Transienten: 30kV/µs• Betrieb mit 3,3V oder 5V• 1,62V oder 5,5V Logik-Stromversorgung• ±10kV HBM ESD über die Isolationsgrenze• Arbeitsspannung: 560VPEAK
• Shutdown mit geringer Stromaufnahme (<10µA)• 15mm x 11,25mm BGA-Gehäuse
, LT, LTC, LTM, Linear Technology, das Linear-Logo und µModule sind eingetragene Warenzeichen der Linear Technology Corporation. Alle anderen Warenzeichen sind das Eigentum ihrer jeweiligen Besitzer.
SPI/I2C-µModule-Isolator mit 3 einstellbaren Stromversorgungen
EMI Leistung: LTM2883 gegen Mitbewerber A
www.linear.com/2883
Isolated Power Reg 5V
12.5V
–12.5V
Reg
Reg
LTM2883
3.3V or 5V
2500VRMS Galvanic Isolation
SPI/Digitalor I2C Bus
SPI/Digitalor I2C Bus
Keine externenKomponenten
benötigt
21_1_1 Anzeigenlayout.indd 21 16.04.2013 09:47:27
PowermanagementKompensationsmethoden
Formel-1-Auto oder Familienkutsche?Digital statt analog – von Kompensationsmethoden in Spannungsreglern
Die Rückkopplungssignale in Spannungsregler-Schaltkreisen sorgen für eine geregelte Ausgangsspannung. Bei richtiger Anwendung verbessert die Rückkopplung wiederum die Leistungsfähigkeit des Schaltkreises. Wesent licher Bestandteil beim Implementieren eines Rückkopplungsschaltkreises ist das Kompensationsnetzwerk; CUI gibt im folgenden Beitrag einen Überblick über die Kompensationsmethoden in Spannungsreglern, einschließlich Techniken zur automatischen und digitalen Kompensation. Autor: Bruce Rose
Um die Kompensation in Spannungsreglern richtig zu ver-stehen, hilft die Analogie zur Aufhängung eines Fahr-zeugs. Autofahrer wünschen sich je nach Nutzung ihres Fahrzeugs verschiedene Fahrarten. Fahrer von Limousi-
nen wollen ein sanftes Fahrerlebnis ohne Beeinträchtigungen von außen; Rennfahrer hingegen wollen, dass ihre Fahrzeuge schnell auf äußere Kräfte wie Start, Stopp und Kurvenfahrten reagieren. Beide Fahrzeugarten können zwar die gleichen Beeinflussungen von außen erleben, die gewünschte Reaktion darauf ist aber unter-schiedlich. Die Aufhängung eines Fahrzeugs wird deshalb an das gewünschte Verhalten angepasst. Eine korrekt angepasste Aufhän-gung gibt dem Fahrzeug das gewünschte Fahrverhalten. Die An-passung der Aufhängung ist damit ähnlich der Anpassung eines Kompensationsschaltkreises bei einem Spannungsregler.
Um bei der Leistungswandlung eine hohe Effizienz zu erreichen, kommen oft Schaltregler zum Einsatz (Bild 2). Sie bestehen aus zwei wesentlichen Funktionsblöcken: einer Leistungs- und einer Regelstufe. Die Leistungsstufe leitet den Stromfluss in den Span-
nungsregler. Dieser enthält Schalt-FETs (Feldeffekt-Transistoren), einen Schaltkreis zur Ansteuerung (Schalten) der FETs und einen Ausgangsfilter mit einer Induktivität und Kapazität. Die Regelstufe stellt die Signale der Leistungsstufe zur Verfügung, damit der Schaltregler das gewünschte Ausgangsspannungssignal erzeugen kann. Die Regelstufe besteht aus einem Dämpfungsglied, einem Fehlerverstärker, einem Verstärker- und Kompensationsschalt-kreis. Der Schaltregler lässt sich aus diskreten Bauelementen auf-bauen, die direkt auf die Host-Platine gelötet sind.
Aufbau der SchaltreglerEs gibt aber auch Hersteller, die Spannungsregler-PoL-Module (Point of Load) anbieten; bei ihnen sind die Bauteile auf einer Tochterplatine untergebracht. Der Entwickler verbindet diese Pla-tine dann mit der Haupt-Platine. Zu den Vorteilen der PoL-Modu-le zählt, dass der Modulhersteller einen Großteil des Spannungs-reglerdesigns übernimmt. Die Module benötigen zudem weniger Platz auf der Host-Platine als eine diskrete Lösung.
Richtig was leistenDie Novum Advanced-Power-Line-Baureihen an digitalen PoL-Modu-len haben eine automatische Kompensation. Die positiven Auswirkun-gen sind ein einfacher Einsatz und hohe Leistungsfähigkeit in diver-sen Anwendungen der nächsten Generation.
infoDIREKT www.all-electronics.de 210ejl0213
Auf einen Blick
Bei den meisten analogen Schaltreglern erfolgt eine Verlagerung der internen Knoten nach außen, damit der Anwender die Kom-pensationsbauteile auswählen kann. Mit dieser externen Kompen-sationsfunktion lässt sich die Performance des Schaltreglers opti-mieren. Um das Transientenverhalten des Spannungsreglers ver-bessern zu können, wird der Schaltkreis gemessen oder modelliert, um dann die Werte der Kompensationsbauteile berechnen zu kön-nen. Der Schaltkreis wird dann mit den installierten Kompensati-onsbauteilen modelliert oder gemessen.
Kompensationsmethoden implementierenUm das gewünschte Ergebnis zu erzielen, muss dieser Vorgang meist sehr o� wiederholt werden. Das Optimieren eines digitalen Schaltreglers erfolgt auf ähnliche Weise, nur dass hier die Ände-rungen mittels Firmware anstelle physikalischer Bauteile erfolgen. Die ordnungsgemäße Implementierung des Kompensationsnetz-werkes in einen anlogen Schaltregler erfordert vom Entwickler be-sondere Erfahrung, Fähigkeiten und Tools. Wird ein analoger
Schaltregler während der Entwicklung der Kompensationsstufe durchgemessen, muss die Platine sehr o� erneut gelötet werden. Wird der Schaltkreis modelliert und nicht gemessen, muss der Entwickler immer noch einen physikalischen Schaltkreis löten, um die Performance zu messen. Das stets erneute Zusammenlöten der Kompensationsbauteile erhöht das Designrisiko. So kann bei-spielsweise ein Kompensationsbauteil mit einem falschen Wert verlötet, ein anderer Teil des Schaltkreises aus Versehen verändert sein oder die Platine wurde während des Entwicklungsprozesses beschädigt.
Möglich ist auch, dass die Schaltkreise, die Strom vom Span-nungsregler beziehen, durch eine unsachgemäße Kompensation des Spannungsreglers Schaden nehmen. Tritt einer dieser Fälle auf, führt dies zu Zeitverzögerungen und Kosten, um das Problem zu � nden, eine Lösung bereitzustellen und die Reparatur durchzufüh-ren. Die genannten Risiken, Prozeduren und Maßnahmen ergeben sich, ob nun ein diskretes Design eines analogen Schaltreglers im-plementiert wird oder ein POL-Modul auf Basis eines analogen Schaltreglers Einsatz � ndet.
Das Design des analogen Schaltreglers entspricht in unserer Analogie zum Auto der Auswahl und Installation aller Au� än-gungsbauteile. Spezielle Werkzeuge, Wissen und Erfahrung sind notwendig, um die Au� ängung eines Fahrzeugs genau einzustel-len. Die Anpassung birgt Risiken, wie die Beschädigung des Fahr-zeugs, das Fahren mit einer schlecht eingestellten Au� ängung oder die Beschädigung von Bauteilen während der Anpassung. In jedem Fall ist dann Zeit und Aufwand erforderlich, um Schäden zu reparieren, die durch das Anpassen der Au� ängung entstanden sind. Als Folge der zunehmenden Zahl digitaler Systeme, die sich in heutigen Designs � nden, stellen Anbieter von Spannungsreg-lern analoge Schaltregler mit digitaler Hülle zur Verfügung (siehe Bild 3). Die Spannungsregler-Bestandteile dieser Schaltkreise sind denen analoger Schaltregler ähnlich.
Der Digitalteil ermöglicht den Einsatz von So� ware zur Kon� -guration, Regelung und Überwachung (CCM: Con� gure, Control,
Bild 1: Verschiedene Serien kommerzieller digitaler Spannungsregler mit automatischer Kompensation.
Bild
er: C
UI
Bild 2: Durch Schaltregler lässt sich bei der Leistungswandlung hohe Effi zienz erzielen.
Der Autor: Bruce Rose ist Technical Marketing Manager bei CUI in Tualatin, Oregon, USA.
Monitor) der Spannungsregler-Funktionen in begrenzter Form. Der Software-Einsatz der CCM-Funktionen in einem Spannungs-regler hilft dem Entwicklerteam während der Designphase und dem Anwender beim Einsatz des Endprodukts.
Kompensation analoger SpannungsreglerAnaloge Schaltregler mit Digitalteil stehen für Entwickler diskreter Designs als auch für Designs mit PoL-Modulen zur Verfügung. Ei-nige Modulanbieter integrieren dabei den Großteil der Kompensa-tionsbauteile in das Modulinnere. Dem Anwender steht dann ein einziger interner Kompensationsknoten zur Verfügung; er muss nur einen Widerstand und einen Kondensator wählen, um die Modul-Performance einzustellen. Die Regulierung der Modul-Leistungsfähigkeit ist damit einfacher, als wenn der Entwickler alle Kompensationsbauteile auswählen muss.
Ein Nachteil dieser Kompensationstechnik ist, dass der Anwen-der nicht den gesamten Satz an Bauteilen für das Kompensations-netzwerk wählen kann. Diese Möglichkeit würde eine noch bessere Optimierung der Leistungsfähigkeit des Spannungsreglers ermögli-chen. Die Option, nur noch einen Widerstand und einen Konden-sator zu wählen, entspricht in unserer Analogie der Wahl der Stoß-dämpfer für ein bestimmtes Auto – allerdings ohne die Freiheit, noch andere Komponenten der Aufhängung einstellen zu können.
Kompensation digitaler SpannungsreglerDie technische Weiterentwicklung von Spannungsreglern begann mit analogen Schalt-Topologien, die effizienter sein sollten. Dazu wurde ein Digitalteil mit begrenzten CCM-Funktionen hinzuge-fügt. Heutige digitale Schaltregler (Bild 4) sind wesentlich leis-tungsfähiger als frühere Topologien. Ähnlich wie bei analogen Schaltreglern erfordern auch digitale Regler einen Regelkreis und eine Leistungsstufe. Die Leistungsstufe für einen digitalen Schalt-regler ähnelt der eines analogen Schaltreglers.
Der Regelkreis eines digitalen Reglers wird mit digitalen und Mixed-Signal-ICs implementiert. Ein Vorteil der Digitaltechnik ist, dass sich umfangreiche CCM-Funktionen integrieren lassen. Diese weisen wesentlich mehr Vorteile auf, als die begrenzte An-zahl von CCM-Funktionen in einem analogen Schaltregler mit Digitalteil. Außerdem erfolgt beim digitalen Schaltregler das Opti-mieren der Leistungsfähigkeit einfach und automatisch.
Die Kompensationsfunktion in einem digitalen Regler lässt sich als PID-Abgriff (Proportional, Integral, Differential) einfügen. Diese Koeffizienten kommen im digitalen Regelkreis zum Einsatz, um das Antwortverhalten des Spannungsreglers zu definieren. Über Firmware-PID-Abgriffe kann der Entwickler die Leistungs-fähigkeit des Reglers über die Software konfigurieren und steuern. Die Charakteristika für das Ansprechverhalten des Schaltkreises lassen sich unbegrenzt ändern – und das ohne das Risiko einzuge-
hen, die Bauteile oder die Platine zu beschädigen. Darüber hinaus ist Systemverhaltens-Überwachen möglich, und auch die Perfor-mance des Spannungsreglers lässt sich während der gesamten Pro-duktlebensdauer neu abstimmen. Diese einfache Möglichkeit zur Anpassung der Performance entspricht in unserer Analogie dem Knopfdruck zur Fahrwerksabstimmung, wie sie in einigen Fahr-zeugen vorhanden ist.
Automatische KompensationFortschrittliche Digitalregler-Controller können den Regler auto-matisch für optimale Performance kompensieren, indem die Überwachung der Charakteristika der Ausgangsspannungs-Sig-nalform erfolgt. Bei der automatischen Kompensation benötigt der Entwickler keine besondere Erfahrung, Fähigkeiten und Tools, um die Leistungsfähigkeit des Spannungsreglers zu optimieren.
Bei einem Regler mit analoger Kompensation muss der Ent-wickler diese so einstellen, dass die Ausgangsspannungs-Charakte-ristika beispielsweise bei sich ändernden Bauteiltoleranzen, Alte-rung, Temperatur, Eingangsspannung akzeptabel sind.
Das bedeutet, dass der Schaltkreis niemals an seinem optimalen Leistungspunkt arbeitet. Die digitalen Spannungsregler mit auto-matischer Kompensation sorgen dafür, dass der Regler stets am optimalen Leistungspunkt arbeitet – unabhängig von jeglichen Systemänderungen. Die automatische Kompensation entspricht in unserer Analogie einem Mechaniker, der stets im Fahrzeug sitzt, um die Fahreigenschaften zu optimieren, ohne dass sich der Fahrer oder die Insassen darum kümmern müssen.
Die richtige AuswahlLaut CUI ist das Unternehmen der einzige PoL-Modulhersteller, der verschiedene Serien an kommerziellen digitalen Spannungs-reglern, die über eine automatischer Kompensation im Produkt-portfolio hat. Mit der richtigen Kompensation von Spannungsreg-lern lässt sich die optimale Leistungsfähigkeit in einem System er-zielen. Die Anpassung der Schaltkreis-Performance mit herkömm-lichen analogen Schaltreglern birgt hohe Risiken.
Anbieter analoger Spannungsregler basierter POL-Module bie-ten Lösungen, mit denen sich die Kompensation vereinfacht, bei denen die Auswahl für den Anwender aber eingeschränkt ist. Digi-tale Spannungsregler haben hingegen Firmware-basierte CCM-Funktionen; sie betreiben den Regler bei optimaler Performance. Alle diese Topologien erfordern jedoch ein Entwicklerteam, das spezielle Tools und Know-how im Bereich Stromversorgungsde-sign besitzt. (rao)� n
Bild 3: Häufigen Einsatz finden analoge Schaltregler mit digitaler Hülle. Bild 4: Digitale Schaltregler sind leistungsfähiger als frühere Topologien.
22_CUI (rao).indd 24 16.04.2013 09:50:12
Lust auf ein besseres Oszilloskop für den Alltag? Das neue ¸RTM: Einschalten, messen, fertig.Einfache Handhabung, schnelle und zuverlässige Ergebnisse – genau das erwarten Anwender von einem Universal-Oszilloskop. Rohde & Schwarz eröffnet eine neue Welt: An einem Bildschirm mit zwei Screens arbeiten; schnell auf alle Funktionen zugreifen; Messungen bereits auswerten, während andere noch booten; Signale sehen, wo sonst alles im Rauschen verschwindet. Das ist das ¸RTM.
Lust auf einfacheres Arbeiten? Lust auf zuverlässige Ergebnisse? Lust darauf, schnell am Ziel zu sein?
Dann schauen Sie vorbei.www.scope-of-the-art.de/ad/rtm-video
Warranty-Programm bis Juni 2013:Einfach Ihr neues Oszilloskop registrieren und fünf statt drei Jahre Garantie erhalten!www.scope-of-the-art.de/ad/warranty.
Bei digitalen Controller-ICs für Gleichspannungswandler ist die Voltage-Mode-Architektur mittlerweile weit ver-breitet. Das Problem dieser Topologie: Wegen der Nicht-linearität des A/D-Wandlers und der DPWM-Stufe ist der
Grenzzyklus nicht vorhersagbar. Die Current-Mode-Regelung er-gibt hingegen ein einfacheres Design, mit dem sich kostengünsti-gere digitale Regler herstellen lassen [1]. Als dritte Variante ist eine analog-digitale Mixed-Signal-Lösung möglich [2]. Hier wertet der Controller Strom- und Spannungsinformationen aus, um den Quantisierungse� ekt vernachlässigen zu können. Man � ndet in der Fachliteratur ein präzises Modell des Grenzzyklus’. Sein Au� re-ten hängt jedoch von der Au� ösung des A/D-Wandlers und der DPWM-Stufe ab [3].
Ein Wandler für alle FälleGleichspannungswandler mit adaptiver Regelung
ST Microelectronics beschreibt eine digitale Regelschleife, die mit einem neuen Pulsweiten-Modulator bestückt ist und bei hohen Frequenzen arbeitet. Die STVCOT genannte Technik kommt ohne eine Regelschleife mit nicht-linearer Charakteristik aus, was Kosten spart und das Applikationsdesign vereinfacht. Autoren: Alessandro Zafarana , Daniele Giorgetti , Osvaldo Zambetti
Adaptive RegelungDie digitale STVCOT-Regelschleife ist mit einem neuen Pulsweiten-Modulator bestückt. Sie eignet sich dank Keramik-Kondensatoren für den Betrieb mit hohen Frequenzen. Der Modulator kombiniert einen Constant-On-Time-Controller (COT) mit einem digitalen VCO (Voltage Controlled Oscillator), um die gegenseitige Phasenverschiebung je nach Last zu variieren. Daher ist keine Regelschleife mit nichtlinearer Charakteristik nötig. Außerdem ist eine einfache Stabilisierung des COT-Controllers möglich, ohne virtuelles Rippelkompensationssignal.
infoDIREKT 503ejl0213➤ Halle 9, Stand 526
Auf einen Blick
Problematisch am digitalen Controller ist außerdem, dass die Gesamtkosten stark von der Quantisierung der DPWM-Stufe und den Spezi� kationen des für die Spannungs- und Stromabtastung verwendeten ADC abhängen. Ein COT-Controller (Constant-On-Time) entschär� die Anforderungen an die Au� ösung des ADC und des DPWM [4], da der Regler zur Regelung des Ausgangs das O� -Intervall nutzt, das wesentlich länger dauert als das (bei einem COT-Regler per De� nition konstante) On-Intervall.
Der digitale COT-ReglerDie in diesem Beitrag vorgestellte digitale Current-Mode-Regler-architektur namens STVCOT begrenzt die Amplitude der Oszilla-tionen. Damit vereinfacht sich das Design des digitalen Controller-ICs. Als wesentliche Neuerung beruht diese digitale Regelschleife nicht auf einem Voltage-Mode-Controller, sondern auf einer Cur-rent-Mode-Regelschleife mit konstantem On-Intervall (COT). Das verringert die Auswirkungen der DPWM- und ADC-Au� ösung.
In [5] beschreiben die Autoren bereits einen für hohe Frequen-zen geeigneten digitalen COT-Controller mit keramischen Aus-gangskondensatoren. Allerdings kann die Instabilität bei diesem Ansatz infolge des Quantisierungse� ekts noch gravierender aus-fallen als bei einer analogen Version. Darüber hinaus würde dieser Controller einen sehr schnellen und präzisen ADC zur Erfassung des Drosselstroms erfordern, um beim Einsatz von Keramikkon-densatoren die Stabilität der Regelschleife zu gewährleisten. Insbe-sondere bei einem mehrphasigen Controller wäre somit ein sehr teurer ADC nötig.
Bild 1: Blockschaltbild der digitalen Constant-On-Time-Architektur. Bild 2: Blockschaltbild der digitalen Reglerarchitektur.
In [6] ist eine kostengünstigere Variante beschrieben, die eine Drosselstrom-Schätzfunktion zusammen mit einem ADC zur Ab-tastung des durchschnittlichen Drosselstroms einsetzt. Das Insta-bilitätsrisiko besteht aber weiterhin. Der STVCOT-Ansatz löst die-ses Problem durch einen speziellen ADC zur Digitalisierung des Gesamtfehlers, also des Ausgangsspannungsfehlers und der Dros-selströme. Die Schaltung nach [5] zeigt allerdings Oszillationen, die aus dem Grenzzyklus und der Sample-and-Hold-Stufe in der Stromregelschleife resultieren. Eine sorgfältig gewählte ADC-Auf-lösung in der Strom- und der Spannungsregelschleife löst das Grenzzyklus-Problem. Um die Nachteile der Sample-and-Hold-Stufe auszugleichen, ist extern eine Rampe mit hoher Steilheit nö-tig, die das Einschwingverhalten beein� usst. Die STVCOT-Imple-mentierung kommt ohne jede Steilheitskompensation aus.
Der passende AD-WandlerPreis und Leistungsfähigkeit des Spannungs-ADCs sind weitere wichtige Kriterien. Seine Wandlungsrate beein� usst das Ein-schwingverhalten des gesamten Controllers. Wie in [7] erwähnt, wurden mehrere komplexe, nichtlineare Verfahren angewendet, um hier ohne einen sehr schnellen und damit teuren ADC auszu-kommen. STVCOT entschär� die Anforderungen an den ADC,
Bild 4: Vcore (grün) von 0 A bis 5 A Laststrom und Jittermessung bei 400 kHz (360 nH, drei Phasen).
Bild 3: Die Versorgungsspannung Vcore (orange) bei einer sprungförmigen Änderung des Laststroms von 18 A auf 176 A, einer Anstiegsgeschwindigkeit von 550 A/µs bei DC, 350 kHz und 1 MHz.
Bild 5: Vcore (orange) bei 150 A/µs, 550 A/µs und 1750 A/µs.
ohne dass sich die Komplexität erhöht. Am ADC-Eingang liegt die gesamte analoge Fehlerspannung (Bild 1) mit der Referenzspan-nung und dem Spannungsabfall an den Widerständen zum Erfas-sen des Drosselstroms an.Das ADC-Design ist hierdurch einfacher und schneller möglich.
Außerdem muss man keine komplexe nichtlineare Charakteris-tik implementieren, um die mangelnde Geschwindigkeit des ADC auszugleichen. Die Feinabstimmung der Applikation gelingt damit viel einfacher und schneller, da bis auf die PID-Koe� zienten keine weiteren Parameter festzulegen sind. Die nichtlineare Charakteris-tik wird häu� g auch zur Phasenüberschneidung bei großen Last-sprüngen genutzt. In der STVCOT-Architektur wird die Phasen-überschneidung dagegen durch einen digitalen spannungsgesteu-erten Oszillator (VCO) koordiniert, der sich zwischen dem PID-Block und dem On-Time-Modulator be� ndet (Bild 1).
Der VCODer PID-Regler ersetzt das analoge Filter bei der Schleifenkom-pensation. Sein Ausgang (hier mit COMP bezeichnet) ist ein digi-tales Signal, das der neuen, auf einem digitalen VCO basierenden PWM-Stufe zugeführt wird. Mit dem Einfügen des VCO zwischen dem PID-Regler (COMP) und der PWM-Stufe entsteht ein neuer
Die kostengünstige Alternative zum CP-Kommunikationsprozessor oder zum IE/PB Link.
NEU: CommDTM frei verfügbar NEU: Master Klasse 2 für azyklische Dienste (DPV1)NEU: Parametrierung von Feldgeräten und Antrieben (DPV1)NEU: S7-Verbindungen (RFC1006) direkt und geroutet, auch für BedienpanelsNEU: SPS <> SPS Kommunikation, auch über Subnetzgrenzen hinwegNEU: Windows®7 (32-Bit + 64-Bit) UnterstützungNEU: TIA IntegrationNEU: Hochsprachen-ZugriffNEU: Online auf SIMATIC® S5 über SINEC L2
Pulsweitenmodulator, der seinen Fehlerverstärker aus der klassi-schen analogen Voltage-Mode-Technik bezieht und die On-Time-Generierung mit den COT-Reglern gemeinsam hat. Die Verstär-kung des neuen PWM lässt sich wie folgt berechnen:
Darin steht der erste Term für die PWM-Verstärkung, während GVCO die Verstärkung des VCO angibt. Aus der Formel ist zu ent-nehmen, dass die Verstärkung zwischen COMP und Tastverhält-nis-Generierung proportional zur Ausgangsspannung ist. Die Ab-hängigkeit von der Eingangsspannung steht dagegen für die Stör-größenaufschaltung.
Der Einfluss der Ausgangsspannung stellt hinsichtlich der Stabi-lität des Systems eine Schwachstelle dar, da die Gesamtverstärkung, die Phasenreserve und die Systembandbreite bei verschiedenen geregelten Ausgangsspannungen möglicherweise nicht unter Kon-trolle sind. Um diese Abhängigkeit aufzuheben, muss GVCO von der Ausgangsspannung und der nominellen Schaltfrequenz FSW ab-hängig werden:
Dann berechnet sich GVCO wie folgt:
In einem Mehrphasensystem sorgt der digitale VCO dafür, die ge-genseitige Phasenverschiebung automatisch entsprechend der Ausgangsspannung anzupassen: Der VCO-Ausgang triggert ein-fach einen On-Impuls im PWM-Signal. Die nominelle Ausgangs-frequenz des VCO ist dann das N-Fache des Nennwerts von FSW, wobei N die Zahl der Phasen angibt.
Die COT-Architektur kann aber keine konstante Schaltfrequenz garantieren, da eben nicht die Frequenz, sondern das On-Intervall des PWM konstant bleibt. Tatsächlich muss die Frequenz sogar va-riieren, um Änderungen des Laststroms zu berücksichtigen [8]. Zur Lösung dieses Problems muss in den Modulator ein weiteres
System, nämlich eine DFLL-Stufe (Digital Frequency Locked Loop) integriert werden [9]. Bild 6a zeigt das Ansprechverhalten des Modulators, wenn die Schaltfrequenz im statischen Zustand durch die DFLL-Stufe konstant gehalten wird. In Bild 6b ist die dem VCO zu verdankende geringere Phasenverschiebung nach ei-ner Laständerung zu sehen.
Kriterien für das Design von DPWM und ADCAus [3] lassen sich einige Bedingungen entnehmen, die unbedingt erfüllt sein müssen um Grenzzyklen zu vermeiden:
Diese Bedingung setzt in der Regel einen hochauflösenden DPWM voraus. Sie besagt, dass die DPWM-Quantisierung (dTON) im stati-schen Zustand eine Ausgangsspannungsänderung hervorbringen muss, die geringer ist als die Auflösung des Analog-Digital-Wand-lers (LSBADC). Für einen COT-Regler lässt sich die folgende Glei-chung herleiten:
Das STVCOT-Design hat eine maximale Schaltfrequenz von 1,1 MHz und eine maximale Ausgangsspannung von 2,3 V. Damit sind LSBADC = 2,3 mV und dTSW = 190 ps. Der ADC wandelt die gesamte Fehlerspannung um: soll eine Abweichung der offenen Regelschleife von ±128 mV korrigiert werden, betrifft dies nur sie-ben A/D-Bits.
Die Latenz-Werte des A/D-Wandlers sind von grundlegender Bedeutung für ein schnelles Ansprechverhalten. Daher fiel die Wahl auf einen Pipeline-A/D-Wandler mit drei Stufen à 1,5 Bit (Dual Edge). Die verbleibenden vier Bits werden mit einem Flash-Umsetzer implementiert. Die maximale Latenz beträgt hier zwei Taktperioden. Zum Minimieren der Abtastverzögerung entschied sich ST Microelectronics für ein Oversampling der Fehlerspan-nung. Infolge der 40 MHz betragenden Taktfrequenz ergibt sich eine maximale Latenz von 50 ns. Das Stabilitätsdesign des kom-pletten Systems kann dank des Oversamplings auch im analogen Bereich verifiziert werden.
Die digitale Architektur im DetailBild 2 zeigt die digitalen Komponenten des Reglers. Die PID-Stufe implementiert das Kompensationsnetzwerk. Am Ein- und Aus-gang der PID-Stufe sind Anti-Aliasing-Tiefpassfilter nötig. Die di-gitale Übertragungsfunktion der PID-Stufe lautet:
Der mit „nom_working_woint“ bezeichnete Block in Bild 2 er-zeugt einen Offset, der zu COMP addiert wird, um die Nennfre-quenz des VCO festzulegen. Der VCO integriert das COMP-Signal bis zu einer bestimmten Schwelle, um das Einschalten einer Phase auszulösen. Außerdem legt der Working-Point-Block abhängig von der Referenzspannung und der Eingangsspannung der Regel-schleife den nominellen Wert von TON fest.
Variiert wird TON durch die mit einem digitalen FSW-Filter imple-mentierte DFLL-Stufe. Dieser Block vergleicht die vom VCO kom-mende tatsächliche FSW mit der nominellen FSW im statischen Zu-stand. Durch Integration dieses Frequenzfehlers erfolgt die Anpas-sung von TON. Der „phase_mng“-Block nimmt zusätzlich eine ge-ringfügige Anpassung von TON vor. Dies geschieht abhängig vom
Bild 6a: Ansprechverhalten des Modulators.
Bild 6b: Der VCO verringert die Phasenverschiebung bei sprungför-migen Lastwechseln.
26_STM (lei).indd 28 16.04.2013 09:57:09
Powermanagement Regelschleifen-Design
IBH Link S7++
Die kostengünstige Alternative zum CP-Kommunikationsprozessor oder zum IE/PB Link.
NEU: CommDTM frei verfügbar NEU: Master Klasse 2 für azyklische Dienste (DPV1)NEU: Parametrierung von Feldgeräten und Antrieben (DPV1)NEU: S7-Verbindungen (RFC1006) direkt und geroutet, auch für BedienpanelsNEU: SPS <> SPS Kommunikation, auch über Subnetzgrenzen hinwegNEU: Windows®7 (32-Bit + 64-Bit) UnterstützungNEU: TIA IntegrationNEU: Hochsprachen-ZugriffNEU: Online auf SIMATIC® S5 über SINEC L2
Stromau� eilungs-Fehler, der sich aus der digital gemittelten Di� e-renz zwischen dem durchschnittlichen Strom und den einzelnen Phasenströmen ergibt.
Der „endrv_mng“-Block ist für das Pulse-Skipping und Phase-Shedding verantwortlich. Hierfür nutzt er Nulldurchgangskompa-ratoren, um die einzelnen Phasen hochohmig zu schalten. Im Pulse-Skipping-Betrieb wird TON von der DFLL-Stufe so variiert, dass die Summe von TON und TOFF bei der nominellen Schaltperio-de (1/FSW) angepasst und der Systemwirkungsgrad optimiert wird.
Ist FSW kleiner als die minimale Schaltfrequenz (Grenze zum Ultra-schall), wird der Low-seitige MOSFET eingeschaltet, um den Aus-gang zu entladen.
ErgebnisseDie Messungen in Bild 3 wurden an einer Server-Processor-Multi-phasen-Applikation mit 1 MHz Schaltfrequenz, sechs Phasen, 100-nH-Drosseln und ausschließlich mit Keramikkondensatoren bestückten Ausgängen vorgenommen.
Die Abbildungen geben die außergewöhnliche Anpassungsfä-higkeit der STVCOT-Regelschleifen-Architektur wieder, auch wenn sich der digitale Verbraucher he� ig und unvorhersehbar ver-hält. Die Ausgangsspannung wird stets so geregelt, dass sie trotz des sehr großen Frequenzspektrums des digitalen Verbrauchers im vorgesehenen Spannungsfenster bleibt (Bild 3). Dies gilt bei gerin-ger ebenso wie bei sehr hoher Ausgangsleistung (Bild 4) und sogar bei unterschiedlichsten Laständerungsraten in der Größenord-nung von 150 A/µs bis 1750 A/µs (Bild 5).
Fazit und AusblickDer vorgestellte kostenoptimierte digitale Regler basiert auf einem Constant-On-Time-Regler mit einem digitalen VCO im Pulswei-tenmodulator. Die digitale Regelschleifen-Architektur (STVCOT) lässt mit Keramikkondensatoren Frequenzen von über 1 MHz je Phase zu, ohne dass eine Steilheits- oder virtuelle ESR-Kompensa-tion erforderlich wäre. Der Jitter ist sehr gering und es kommt zu keinen Grenzzyklen. Diese Architektur ermöglicht eine DPWM-Lösung ohne Dithering, die mit einer Au� ösung von 190 ps und einem A/D-Wandler mit einer Stufenbreite von 2,3 mV, 7 Bit Auf-lösung und einer Abtastrate von 40 MSample/s realisiert ist. Das Ergebnis wurde dank des digitalen VCO ohne nichtlineare Regel-charakteristik erzielt, so dass sich das Applikationsdesign einfach und schnell gestaltet. Zum Zeitpunkt der Verö� entlichung werden alle Messwerte bei 1 MHz Schaltfrequenz und für sechs Phasen einschließlich der Jittermessung vorliegen. (lei) ■
Die Autoren: Alessandro Zafarana, Daniele Giorgetti und Osvaldo Zambetti arbeitet im Marketing bei ST Microelectronics in Mailand, Italien.
Referenzen[1] Jian Li, Fred C. Lee: „Digital Current Mode Control Architecture
With Improved Performance for DC-DC Converters“, Center for Po-wer Electronics Systems, APEC 2008, S. 1087-1092
[2] G. Garcea, P. Mattavelli, K. Lee, F. C. Lee: „A Mixed-Signal Control for VRM applications“, proceedings of 11th European conference on power electronics and applications, September 2005.
[3] A. V. Peterchev, S. R. Sanders: „Quantization resolution and limit cycling in digitally controlled PWM converters“, IEEE Transactions on Power Electronics, Jan 2003, Vol. 18, S. 301-308
[4] Bin Huang, „Modeling and Design of Digital Current-Mode Cons-tant On-time Control“, Thesis submitted to the Faculty of theVirgi-nia Polytechnic Institute and State University, Feb. 19 2008, S. 32
[5] Shuilin Tian, Kuang-Yao Cheng, F. C. Lee, P. Mattavelli: „Small-sig-nal Model Analysis and Design of Constant on-time V2 Control for Low-ESR Caps with External Ramp Compensation“, Energy Con-version Congress and Exposition (ECCE) 2011, IEEE, S. 2944-2951
[6] Kuang-Yao Cheng, Feng Yu, Shuilin Tian, F. C. Lee, P. Mattavelli: „Digital hybrid ripple-based constant on-time control for voltage regulator modules“, APEC 2011, S. 346-353
[7] Bin Huang, „Modeling and Design of Digital Current-Mode Cons-tant On-time Control“, Thesis submitted to the Faculty of theVirgi-nia Polytechnic Institute and State University, Feb. 19 2008, S. 19
[8] A. Mariani, G. R. Corva, Patent US2011/0148372 A1: „Switching voltage regulator and relative feed-forward control method“, ST Microelectronics, Agrate Brianza, IT
[9] LTC3770-Datenblatt: „Fast No RSENSE Step-Down Synchronous Controller with Margining, Tracking and PLL“, Linear Technology
Sicher ist: Wenn irgendein Aspekt der Netzversorgung für eine bestimmte Anwendung entscheidend ist, sorgt meist eine AC-Leitungsüberwachung im Hintergrund dafür, dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Für eine be-
stimmte Anwendung lässt sich die passende Netzleitungsüberwa-chung noch recht einfach finden: Zuerst ein Pflichtenheft erstellen, das die Anforderungen der Endanwendung umfasst. Zudem sind per galvanischer Trennung Sicherheitsstandards einzuhalten, und die Kostenabschätzung spielt ebenfalls eine Rolle. Für einzelne oder eine geringe Anzahl von Überwachungsanwendungen entwi-ckeln manche Anwender ihre eigene AC-Leitungsüberwachung mittels Spannungs- und Stromwandlern (und möglicherweise mit Halleffekt-Stromsensoren). Die Ausgänge werden dann an externe Voltmeter oder andere Instrumente angeschlossen.
Dieser Ansatz mag zur Überwachung einfacher Ein/Aus-An-wendungen ausreichen; die Baugröße und elektromagnetische In-terferenz (EMI) erschweren aber eine Skalierung und zukünftige Erweiterungen. Der simple Ansatz kann daher nicht mit der Grö-ße, Genauigkeit und Widerstandsfähigkeit von AC-Leitungsüber-wachungen auf Systemebene mithalten.
Netzleitungsüberwachung im DetailUnabhängig von ihrer Komplexität, verwenden die meisten moder-nen AC-Leitungsüberwachungen einen oder mehrere Analog-Di-gital-Wandler. Die digitalisierten Daten werden dann von einem schnellen Prozessor vor Ort verarbeitet (Bild 1). Damit kann die Überwachungslösung viele nützliche Betriebsparameter indirekt ableiten: Spitzen- und durchschnittliche Ausgangsleistung, Leis-tungsfaktor, Phasenwinkel, harmonische Spannungsamplitude und die Netzfrequenz lassen sich über die Spannungs- und Stromdaten berechnen.
Die Wahl der richtigen AC-Leitungsüberwachung hängt von den Anforderungen der Endanwendung ab. Stromzähler dienen zum Beispiel als Grundlage zur Abrechnung des Strompreises. Für solche Präzisionsanwendungen muss die Netzleitungsüberwa-chung hochgenau und manipulationssicher sein. Dabei kommen
QualitätsfrageIsolierte A/D-Wandler für die Netzleitungsüberwachung
Die AC-Leitungsüberwachung misst die Echtzeit-Qualität der an eine Last gelieferten Energie. Entsprechende Lösungen reichen von simplen Einphasen-Fehlerdetektoren bis zu hochgenauen Mehrphasensystemen. Letztere erfassen und speichern Frequenz, Spannungs- und Stromabweichungen, harmonische Spannungsspitzen und Spannungsungleichheiten. Autor: Don Alfano
Bild 1: Funktionsschema einer Netzleitungsüberwachung. Bild 2: Beispiele einer AC-Leitungsüberwachung.
separate ADCs (gleichzeitig angesteuert) zur Spannungs- und Strommessung zum Einsatz, auch um die Spannungs-Strom-Pha-senverschiebungsfehler zu minimieren (Bild 2a). Diese Überwa-chung verwendet ebenfalls hochpräzise ADCs (zum Beispiel 24 Bit), um Systemstörungen gering zu halten und die erforderliche Anzahl effektiver Bits (ENOB – Effective Number of Bits) für hohe Messgenauigkeit bereitzustellen.
Im Gegensatz dazu gibt es Anwendungen, bei denen nur grobe Leitungsfehler erkannt werden müssen und die Lasteffizienz zu messen ist. Ein solches System würde wesentlich weniger ausge-reift sein als das Beispiel mit dem Stromzähler und einen kosten-günstigen 10- bis 12-Bit-ADC (Bild 2b) verwenden. Gleiches gilt für Leitungsüberwachungen mit integrierter Signalverarbeitung. Der mathematische Overhead in einem Stromzähler würde einen Highend-Mikrocontroller oder einen DSP erfordern. Dabei könn-te die gesamte Funktion der Leitungsüberwachung in einer klei-nen Zustandsmaschine oder in einer kostengünstigen Standard-MCU untergebracht werden.
AC-Monitor-Analog-Frontend (ACAFE)Anspruchsvolle Netzinstallationen benötigen eine hochpräzise und teure Leitungsüberwachung. Es gibt aber zahlreiche weniger anspruchsvolle Anwendungen, für die ein AC-Monitor-Analog-Frontend (ACAFE) genügt, das Daten misst, umwandelt und an externe Datenverarbeitungskomponenten weiterleitet. Der AC-AFE-Ansatz ist flexibel, da jeder Prozessor mit UART-, I2C- oder SPI-Port das AC-Monitor-Analog-Frontend direkt ansteuern und die gewandelten Daten erhalten kann (Bild 3). Das ACAFE lässt
Stromschwankungen erkennenWenn Geräte eine sichere und hochwertige Stromversorgung benötigen, dann empfi ehlt es sich, die Qualität der Netzleitung auch zu überwachen. Entsprechende Messeinrichtungen gibt es von sehr simplen Ausführungen bis hin zu komplexem Equip-ment. Allen gemein ist, dass sie Sensoren, Analog-Frontends, AD-Wandler und einen Mikrocontroller verwenden. Der Artikel gibt einen Überblick über entsprechende Lösungen.
Der Autor: Don Alfano ist Director Power Products bei Silicon Laboratories in Austin, Texas, USA.
Bild 5: ACAFE-Evaluierungsboard, Gehäuse und Leiterplatte.Bild 3: AFE-basierte Netzleitungsüberwachung.
sich via Protokollwandler (zumBeispiel I2C zu USB) an PCs und andere Rechensysteme anschließen.
Das ACAFE basiert auf einem isolierten, intelligenten ADC, zum Beispiel dem Si890x von Silicon Labs. Dieser Baustein enthält ein ADC-Subsystem mit SAR-ADC (10 Bit, 500 kSamples/s), einen vorgeschalteten 3-Kanal-Analog-Eingangs-Mulitplexer (MUX) und einen seriellen Verstärker mit programmierbarer Verstärkung von 1x oder 0,5x. Der ADC verfügt über eine interne Referenz, kann auf Wunsch aber auch eine externe Referenz verwenden. Zu den weiteren integrierten Funktionen zählen eine Zustandsma-schine, die alle Transaktionen zwischen Host-Controller und ACAFE steuert, ein serieller UART-, I2C- oder SPI-Port sowie ein galvanischer Isolator für bis zu 2,5 oder 5 kV, der Ein-/Ausgangs-Sicherheitsisolierung und eine Spannungspegelverschiebung ge-währleistet. Diese hochintegrierte Einchip-ACAFE-Implementie-rung vereinfacht das Design und bietet eine hochleistungsfähige Überwachungsfunktion zu einem günstigen Preis.
Der passende ModusDas ACAFE kann in einem von zwei wählbaren Modi arbeiten: Im Demand-Modus löst der externe Host-Controller eine einzelne ADC-Umwandlung auf Befehl aus. Dieser Modus eignet sich, wenn eine Wandlung zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgen soll, zum Beispiel aufgrund von Störungen oder bei bestimmten Systemzuständen. Das ACAFE kann auch im Burst-Modus betrie-
ben werden, wobei es ADC-Wandlungen dauerha� durchführt. Der System-Host-Prozessor kann je nach Bedarf zwischen beiden Modi wechseln.
Die seriellen UART- und I2C-Ports arbeiten mit 250 kBit/s; der SPI-Port mit bis zu 2,4 MBit/s. Diese Ports sind durch Silicon Labs' CMOS-Isolator auf Wunsch bis 2,5 oder 5 kV isoliert. Bild 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel des ACAFE Si890x, wobei der Baustein als Einphasen-Netzleitungs- und Stromüberwachungsbaustein zum Einsatz kommt. Der Anwender stellt den netzseitigen Schnitt-stellen-Schaltkreis zur Verfügung: einen di� erenziellen Verstärker, VDDA-DC-Biasing mit Operationsverstärker, einen LDO und passive Bauelemente. Der Wechselstrom wird über den ADC-Ein-gang AIN0 gemessen; die Netzspannung wird über die Widerstän-de R17 und R18 skaliert und über die 1,5 V VREF pegelverschoben. Der Wechselstrom wird über den di� erenziellen Verstärker U1 gemessen, der mit dem Shunt-Widerstand R1 verbunden ist. Die Daten werden über den isolierten seriellen Port an den externen Controller oder Prozessor übertragen.
ACAFE-Test und -EvaluierungDas sofort einsatzfertige ACAFE-Evaluierungsmodul ermöglicht ein sicheres und einfaches Testen des ACAFE (Bild 5). Das Modul enthält eine voll implementierte Netzschnittstelle mit Bias-Versor-gung und arbeitet mit allen drei Versionen der isolierten Si890x-ADCs. Anwender können jeden der Bausteine für Testzwecke aus-wählen. Das Modul enthält auch einen Host-Prozessor, der ADC-Wandlungsbefehle ausgibt und Daten empfängt. Der Host-Prozes-sor verfügt über zwei integrierte D/A-Wandler, welche die Digitalsignale zurück in Analogwerte wandeln, womit der Anwen-der die wiederhergestellten Analog-Signalformen auf einem Oszil-loskop betrachten kann. Entwickler können den Flash-basierten Host-Controller mit einem Entwicklungskit von Silicon Labs auch umprogrammieren, um ihn auf ihre Bedürfnisse abzustimmen.
Elektrische EreignisseDie AC-Leitungsüberwachung überwacht die Netzleitung hin-sichtlich potenziell schädlicher elektrischer Ereignisse. Diese Sys-teme sind in verschiedenen Formen, Größen und Funktionen er-hältlich und lassen sich an die jeweilige Anwendung anpassen. Der ACAFE-Ansatz bietet dabei eine � exible, kleine und kostengünsti-ge Netzleitungsüberwachungslösung, die sich zur Überwachung von Anwendungen mit mittlerer Komplexität eignet. (lei) ■
LeitungsüberwachungViele Endanwendungen benötigen eine AC-Leitungsüberwachung: Die immer größer werdenden Datenzentren überwachen nicht nur die Leistung, die sie zur Datenverarbeitung brauchen, sondern auch den Energieverbrauch der Infrastrukturausrüstung, also zum Beispiel von Heizung, Klimaanlage, Beleuchtung, Sicherheit und Kommuni-kation. Das Ziel ist dabei, alle Betriebsparameter mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben. Auch Erneuerbare-Energie-Systeme, wie Photovoltaik-Wechselrichter, erhöhen die Nachfrage nach einer AC-Leitungsüberwachung. Selbst auf Baustellen und in Infrastrukturpro-jekten kommt eine Netzleitungsüberwachung zum Einsatz, um porta-ble Generatoren zu überwachen und teure Ausrüstung vor instabilen Frequenzen, Spannungs- und Stromspitzen und anderen Anomalien zu schützen. Hinzu kommt der langfristige Einsatz der Leitungsüber-wachung in medizintechnischen Einrichtungen, Forschungslaboren und Industrieanlagen.
Wer in der Leistungselektronik Betriebsströme misst, hat es in der Regel mit Gleich- oder Wechselströmen bis zu einigen hundert Hertz und hoher Amplitude zu tun. Sie sind überlagert von den Taktströmen der Leis-
tungshalbleiter, die sich im ein- bis mittleren zweistelligen Kilo-hertzbereich bewegen und Oberwellen bis in den dreistelligen Be-reich aufweisen. Deren Amplitude liegt um eine Größenordnung niedriger. Die Stromerfassung hat dabei eine Reihe anspruchsvol-ler Aufgaben zu erfüllen, etwa die stetige präzise Abbildung der momentanen Größe des Gleichstroms bis mindestens zur Grenz-frequenz des Regelkreises, die typischerweise bei 30 kHz liegt. Zum Erkennen einer Überlast muss der Sensor innerhalb von 1 bis 3 µs reagieren. Eine große Bandbreite von beispielsweise 200 kHz und eine Reaktionszeit unter 1 µs verbessern die Regelgüte und die sichere Erfassung von Kurzschlüssen. Manche Anwendung braucht eine Genauigkeit unter 0,5 % bei hoher Temperaturstabilität.
Die Stromerfassung muss zwischen Last- und Signalstromkreis fast immer galvanisch isoliert sein, wobei sich die Anforderungen je nach Norm (EN61800, UL508 oder UL1741) unterscheiden. Ebenfalls bedeutend sind die Umweltanforderungen, zum Beispiel an Temperaturen und Vibrationen. Anwendung � ndet diese Art der Strommesstechnik in der gesamten Bandbreite der getakteten Leistungselektronik, vom Erfassen der Motorströme in Frequenz-umrichtern über die DC-, AC- und Fehlerstromerfassung in Pho-tovoltaik-Wechselrichtern bis hin zur Stromerfassung in Schweiß-invertern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen.
Zu unterscheiden sind resistive und magnetische Messverfah-ren. Beim resistiven Verfahren (Shunt) wird der Spannungsabfall über einen vom Messstrom durch� ossenen Widerstand ermittelt.
Langlebige guteBeziehungenVon Messungen mit Stromsensoren in der industriellen Leistungselektronik
Ströme messen kann ein Ingenieur mit Shunts oder Open- und Closed-Loop-Sensoren. Welche kleinen Hinterhalte die verschie-denen Verfahren aufweisen, was Strommesstechnik eigentlich leisten muss, und welche Sensoren sich an welche Applikation richten, zeigt VAC im folgenden Beitrag. Autor: Klaus Reichert
Besondere ChrakteristikenFür das Messen von Betriebsströmen gibt es viele Sensoren. Aber nicht jeder eignet sich für jede Applikation. Die hier vorgestellten Stromsensorenfamilien unterscheiden sich durch ihre Grundfl äche, ihre Montage, die Nennströme und den Messbereich, der sich mit ihnen erfassen lässt.
infoDIREKT www.all-electronics.de 265ejl0213➤ Halle 7, Stand 119
Auf einen Blick
Bei magnetischen Messverfahren gibt es Open- und Closed-Loop-Sensoren auf der einen Seite, bei denen man den vom Strom� uss angeregten magnetischen Fluss in einem weichmagnetischen Kern auswertet, und magnetoresistiven Verfahren auf der anderen Seite, bei denen man die Abhängigkeit des Widerstandes eines Leiters von einem angelegten Magnetfeld nutzt. Alle Messverfahren er-mitteln zunächst eine Hilfsgröße, also zum Beispiel eine Spannung oder eine magnetische Feldstärke.
Von Shunts und magnetischen VerfahrenBei kleinen Strömen von wenigen Ampere sind Shunts am ge-bräuchlichsten. Sie sind klein und kostengünstig, arbeiten zwar nicht verlustfrei, aber das ist erst bei höheren Stromstärken rele-vant. In jedem Amperebereich muss man aber zwischen Verlust-leistung und Messfehler abwägen. Shunts bieten zudem keine gal-vanische Trennung, diese lässt sich über einen Isolationsverstärker herstellen. Die Auswahl des Operationsverstärkers, seine Versor-gung, die Art der galvanischen Trennung, das Vermeiden von Fre-quenz- und Phasenfehlern durch die Induktivität des Widerstan-des, dessen Kühlung und weitere wichtige Randbedingungen ma-chen den Shunt-Einsatz zur anspruchsvollen Aufgabe. Die Genau-igkeit von Messsystemen mit Shunts reicht für viele Aufgaben, erreicht aber in der Regel nicht diejenige hochwertiger magneti-scher Sensoren.
34_VAC (rao).indd 34 16.04.2013 10:02:37
www.elektronikjournal.com 35
PowermanagementStromsensoren
elektronikJOURNAL 02/2013
Bei magnetischen Verfahren sind die direkt abbildenden Senso-ren (Open-Loop) und Kompensationssensoren (Closed-Loop) am gebräuchlichsten. Closed-Loop-Sensoren können sich noch in der Art der Feldsonde unterscheiden. Open-Loop-Sensoren messen die magnetische Feldstärke im Luftspalt des Magnetkerns per Hallsonde. Die erzeugt eine kleine, zur Feldstärke proportionale Ausgangsspannung, die nur noch verstärkt wird. Vorteile sind die niedrige Stromaufnahme und die kompakte Bauform, Nachteile die mäßige Bandbreite (etwa 10 oder 30 kHz) und die hohe An-stiegszeit. Problematisch ist der Abbildungsfehler, besonders des-sen Temperaturabhängigkeit. Über einen weiten Anwendungstem-peraturbereich wie von -25 bis +85 °C betrachtet, kann der Fehler sogar im zweistelligen Prozentbereich liegen. Open-Loop-Senso-ren eignen sich daher für weniger anspruchsvolle Anwendungen.
Geschlossene SchleifeBei Closed-Loop-Sensoren (Bild 6) erweitert sich der Grundauf-bau des Open-Loop-Typs um eine Kompensationsspule. Die Elek-tronik des Sensors wertet das Sondensignal aus, leitet daraus einen Kompensationsstrom ab und treibt ihn mit umgekehrter Polarität durch die Kompensationsspule. Das regelt den magnetischen Fluss im Kern, welcher durch den Primärstrom erzeugt würde, auf Null. Die Feldsonde fungiert also nur noch als Nullfelddetektor und läuft nicht mehr im linearen Bereich, was die Genauigkeit erhöht.
Bild 2: N4646-X2xx für die Printmontage, aber mit Durchstecköffnung.
Die Bandbreite des Regelkreises liegt unter 10 kHz. Sie ist für die Bandbreite des gesamten Sensors jedoch nicht entscheidend, denn bei höheren Frequenzen funktioniert der Magnetkreis als Strom-transformator. In der Konsequenz bildet der Kompensationsstrom, beziehungsweise die über dem Messwiderstand daraus abfallende Spannung den Primärstrom präzise ab, und zwar im Frequenzbe-reich von Gleichstrom bis typischen 100 oder 200 kHz. Als Feld-sonde fungiert bei Closed-Loop-Sensoren häufig ein Hall-Element. Dessen Nachteile, wie höherer Temperaturdrift, kleines Aus-gangssignal und geringe Lang-zeitstabilität, wirken sich hier nur in abgemilderter Form aus.
Die MagnetsondeBesser ist es, eine Magnetson-de, auch Fluxgate-Sonde ge-nannt, zu verwenden. Bei der von Vacuumschmelze (VAC) entwickelten Sonde handelt es sich um eine Anwendung des Fluxgate- oder Sättigungskern-sonden-Prinzips. Sie erfasst das Feld im Luftspalt des Magnet-
Bild 1: N4646-X7xx – eine kleine Bauform für große Ströme.
Bild 3: Auf dem Chassis montierte Sensoren für hohe Ströme.
Bild 4: Auf das Chassis montierte Sensoren für sehr hohe Ströme, Baureihe P4640-X1xx.
Bild 5: Die Differenzstromsensoren aus der Baureihe N4646-X9xx.
Der Autor: Klaus Reichert ist Leiter Produktmarketing Industrieanwendungen bei Vacuumschmelze in Hanau.
Bild 7: Die statistische Verteilung der Ausgangsgröße von typischen Sensoren mit 25 A.
Bild 6: Das Blockschaltbild eines Closed-Loop-Stromsensors zeigt, wie eine elektronische Schaltung den Kompensationsstrom gewinnt.
kerns von einer Spule auf einem kurzen Streifen amorphen Mag-netmaterials, die Teil eines selbstschwingenden Kreises ist und deren Kern wechselseitig in die Sättigung getriebenen wird. Ein auf sie einwirkendes externes Feld verschiebt die magnetische Symme-trie des Kerns und ändert damit das Tastverhältnis eines abgeleite-ten PWM-Signals. Hieraus lässt sich der Kompensationsstrom ge-winnen. Die Arbeitsfrequenz der Sonde liegt bei 400 kHz oder höher. Ihr Ausgangssignal hat eine hohe Amplitude, benötigt also keine signifikante Verstärkung. Die Genauigkeit der Sonde hängt außerdem von der physikalisch bedingt immer perfekten Symme-trie der Hystereseschleife ab und nicht von ihrer Steigung oder der Sättigungsinduktion des Materials. Diese Eigenschaften unterlie-gen einer geringen Temperaturabhängigkeit.
Closed-Loop-Sensoren mit magnetischer Sonde arbeiten im re-levanten Temperaturbereich etwa doppelt so genau wie Closed-Loop-Sensoren mit Hall-Element. Ihr Gesamtfehler bei Raumtem-peratur liegt bei 0,1 %, die Temperatur- und Langzeitstabilität der Offsetgrößen liegt bei einigen 100 ppm. Bild 7 erläutert die Vertei-lung der gemessenen Ausgangsströme von mehr als 2000 Exemp-laren eines 25-A-Sensors, ausgedrückt als Übersetzungsverhältnis mit Nennwert 1:1000. Die Fertigungsstreuung liegt im Promille-bereich, der CpK-Wert ist größer als 5. Der Offset liegt unter einem Tausendstel des Nennstroms. Die Closed-Loop-Sensoren mit ma-gnetischer Sonde stellen das hochwertigste unter den kostengüns-tigen, in hohen Stückzahlen gefertigten Messverfahren dar. Solche Sensoren sind immer Plug&Play-Varianten, die ohne großen Engi-neering-Aufwand schnell zu Entwicklungen führen.
Mehr Platz und erhöhte ZuverlässigkeitDie Elektronik der Sensoren ist fast vollständig in einem applikati-onsspezifischen Schaltkreis integriert. Der enthält die Signalverar-beitung, einen Differenzverstärker für das Ausgangssignal, eine hochpräzise Referenzspannungsquelle, sowie eine Reihe von Kon-troll- und Überwachungsfunktionen. VAC liefert Stromsensoren mit 5-V-Versorgung und Spannungssignal am Ausgang sowie mit +12- bis +15-V-Versorgung und Stromausgang. Der am Eingang des A/D-Wandlers der Anwendung benötigte Pegel lässt sich ent-weder durch Auswählen des geeigneten Sensortyps oder durch Auslegen des Messwiderstandes anpassen. Die Bauformen erstre-cken sich von primär- und sekundärseitig printmontierten Typen
über Ausführungen, die primärseitig über eine Durchstecköffnung verfügen bis hin zu Panel-Mount-Typen, die sich direkt auf dem Gerätechassis montieren lassen. Der Normenbezug erfolgt dort meist nach der Antriebstechnik-Norm EN61800; der Löwenanteil der Standard-Typen ist auch nach UL508 zugelassen.
Der N4646-X7xx (Bild 1) belegt auf der Leiterplatte eine Grund-fläche von nur 22,2 x 13,7 mm2. Er kann Ströme von 50 Aeff verkraf-ten und erfasst diese im Messbereich von +150 A. In gleicher Auf-lösung lässt sich auch ein Messbereich von nur +5 A abdecken. Die Sensoren weisen gute Isolationseigenschaften auf. Luft- und Kriechstrecken von 9,6 oder 10,6 mm ermöglichen zusammen mit einem CTI 600-Gehäusewerkstoff beispielsweise eine Arbeitsspan-nung von 1060 V nach EN61800 unter den üblichen Bedingungen.
Hohe StrömeDa Ströme über 100 A nicht mehr über Leiterplatten laufen, gibt es für Nennströme bis 200 Aeff und Messbereiche über 400 A die Bau-formen N4646-X1xx und die -X2xx (Bild 2). Die Reihe N4646-X0xx eignet sich sogar für Nennströme bis 700 Aeff und Messberei-che von +1250 A (Bild 3). Die Abmessungen (56 x 56 x 26 mm3 ohne Fußwinkel) sind kompakt und die Durchstecköffnung ist mit 30 x 13 mm2 ausreichend groß für die hier üblichen Stromschie-nen. Beim T60404-P4640-X1xx (Nennstrom 1000 Aeff und Mess-bereichen bis ±2500 A, Bild 4) nutzt VAC das Prinzip des Kompen-sationssensors mit Magnetsonde zum ersten Mal für sehr hohe Ströme. Bei markttypischen Außenabmessungen haben sie eine Durchstecköffnung von 40,5 x 40,5 mm (mit Schrägen).
Eine besondere Anwendung des VAC-Erfassungsprinzips ist der Differenzstromsensor (Bild 5), er eignet sich unter Anderem für transformatorlose Solarwechselrichter. Eine wichtige Sicherheits-funktion der Geräte ist das Überwachen des Ableitstroms des ge-samten System. Da dieser Gleich- und Wechselkomponenten ent-halten kann, ist ein allstromsensitives Überwachen notwendig. Die niedrigste Auslöseschwelle nach der Norm EN62109 beträgt 30 mA. Der Differenzstromsensor bildet sie sicher ab – und das bei einem Betriebsstrom bis zu 50 A. (rao)� n
Unsere 10-seitige Produktübersicht finden Sie hier:
www.pce-powercontrol.deTel: (+49)08374-23260-0
Automatische Testsysteme für Stromversorgungen
DC-Stromversorgungen0-1200V, 0-3.000A, bis 100kW
• Power Meter• HIPOT & SAFETY Tester• Video Pattern Generator & Color Analyzer
AC-Quellen 1- und 3-phasig 0-300VAC/ph bis 90kVA
Elektronische Lasten60W bis 100kW
PRÄZISIONS- TEMPERATURSENSOREN
www.amsys.de
Besuchen Sie uns auf der Messe in Nürnberg:
+ + + Sensor + Test • Halle 12 • Stand 523 + + + AMSYS
Linear Technology präsentiert mit dem LTC3863 einen invertieren-den Hochspannungs-DC/DC-Reg-lercontroller. Er kommt mit einer einzigen Induktivität aus und setzt eine positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspan-nung um. Die meisten anderen Inverter dieser Leistung verwen-den Koppelspulen oder einen Transformator, dadurch wird die Schaltung größer und komplexer. Als weitere Vereinfachung sind beim LTC3863 alle Schnittstellen-signale positiv gegenüber Masse.
Infineon bringt zwei neue 650-V-Silizium-Dioden mit hohem Wir-kungsgrad und schneller Sperr er-holzeit: Rapid 1 und Rapid 2. Mit der ultradünnen Wafer-Technolo-gie von Infineon für eine vertikale Struktur mit sehr geringen Verlus-ten und ihrem Zell-Design setzen die Rapid-Dioden laut Infineon
AMS stellt den Miniatur-DC-Auf-wärtsregler AS1345 vor, der hohe Effizienz für kleine, mittelgroße und große Displays verspricht. Es gibt vier Varianten mit Spulenspit-zenströmen von 100, 200, 350 und 500 mA. Die Ausgangsspan-nung kann zwischen den Fixwer-ten 12, 15 und 17 V oder von 5 bis 18 V frei einstellbar gewählt wer-
DC/DC-Reglercontroller für Eingangsspannungen bis 60 V
Vereinfachtes Design gewinnt650-V-Dioden der Rapid 1- und Rapid 2-Familien
Hochvolt-Hyperfast-Siliziumdioden
18-V-Aufwärtsregler für mobile Endgeräte
Für viele Gerätevarianten geeignet
Da kein Anschluss eine negative Spannung führt, wird die Aus-gangsspannung nur durch die externen Bauteile begrenzt. Der Eingangsspannungsbereich reicht von 3,5 bis 60 V, die Ausgangs-spannung ist von -0,4 bis -150 V programmierbar. Dadurch eignet sich der Chip für 12- oder 24-V-Anwendungen im Automobil, in Schwermaschinen, Industriesteu-erungen sowie in der Robotik und Telekommunikation.
infoDIREKT 257ejl0213
neue Performance-Maßstäbe. Sie schließen die Lücke zwischen Si-liziumkarbid- (SiC) und Emitter-gesteuerten Dioden. Sie eigenen sich für hohe Schaltfrequenzen von 18 bis zu 100 kHz.
infoDIREKT 506ejl0213 ➤ Halle 9, Stand 311
den. Mit einer Baugröße von nur 2 x 2 mm2 ist der AS1345 ideal für kompakte Geräte. Sein hystereti-scher HF-Regelkreis benötigt nur sehr kleine externe Komponen-ten, gleichzeitig verfügt er über integrierte MOSFETs für Strom-versorgung und Trennschaltung.
infoDIREKT 507ejl0213
Bild
: Lin
ear T
echn
olog
y
Maxim Integrated liefert erste Muster des Li-Ionen-Akkuladers MAX 77301. Der Baustein verfügt über die nötige Intelligenz zur An-meldung am Host (Enumeration),
Intelligenter, enumerationsfähiger Akkulader
Mobile Powerzur automatischen Identifikation des Netzteiltyps und zur Ermitt-lung der schnellsten Lademetho-de. Dank seiner Temperaturüber-wachung kann der MAX77301
den Ladestrom und die Lade-spannung so modulieren, dass bei allen Umgebungstemperatu-ren die maximale Sicherheit ge-währleistet ist. Diese Funktionen
brauchen keine zusätzliche Hard-ware. Zudem ist der Chip per I²C-Interface programmierbar.
infoDIREKT 508ejl0213
37_PB (lei).indd 37 16.04.2013 10:04:42
StromversorgungenDimensionierung
Bild fotolia: vectomart
Neben der richtigen Größe und Spezifikation eines AC/DC-Netzteils kommt es auch darauf an, es nicht zu über-dimensionieren. Zu viel des Guten hat negative Auswir-kungen auf den Wirkungsgrad, die Kühlung, die Größe
des Gesamtsystems und eventuell sogar auf den Anbieter selbst – zusätzlich zu den höheren Kosten.
Erster und größter Faktor, der beim Netzteil-Design zu berück-sichtigen ist, ist das Anpassen der Ausgangsleistung an die Last (Bild 1). Beträgt die maximale Belastung (DC-Gleichspannung mal Strom) zum Beispiel 500 W, bietet ein 1000-W-Netzteil we-sentlich mehr Entwicklungsspielraum als eigentlich benötigt.
Welche Folgen ergeben sich, wenn ein Netzteil mit so viel Reser-ve verwendet wird? Der Vorteil ist, dass viele Ampere für die gefor-derten Nennspannungswerte zur Verfügung stehen. Das ist aber auch schon alles. Es gibt wesentlich mehr Nachteile, wenn so viel ungenutzte Leistung zur Verfügung steht.
Ineffiziente ArbeitsbereicheDer größte Nachteil hat mit Ineffizienz und deren Folgen zu tun. Jedes Netzteil hat einen eigenen Wirkungsgrad-Last-Graph (Bild 1). Bei einem durchdacht entwickelten Schaltnetzteil ist dieser Wirkungsgrad im Bereich 80 bis 95 % der maximalen Nennlast am größten. Diese allgemeine Richtlinie trifft zwar nicht auf Linear-regler und -Netzteile zu, da diese nur geringe Leistungen von we-nigen Watt bereitstellen, passt bei den meisten AC/DC-Netzteilen aber recht gut.
Beim Betrieb mit niedriger Last kann die Stromversorgung viel zusätzliche Wärme erzeugen. Genau hier beginnen die Probleme für den Entwickler, die offensichtliche und unbeabsichtigte Folgen haben können. Der offensichtliche Effekt ist, dass das Gerät mehr Leistung aus dem Netz verschwendet. Damit wird der Betrieb des Netzteils teurer: diese Kosten sind einfach festzustellen. Ein größe-res Netzteil ist zudem noch teurer in der Anschaffung.
Die richtige PowerAC/DC-Netzteile nicht überdimensionieren
Eine zu klein dimensionierte Stromversorgung ist der Tod jedes elektri-schen Geräts und damit eine große Sorge der Entwickler. Um das auf jeden Fall zu umgehen, spezifizieren sie lieber mehr als tatsächlich nötig – und mindern damit die Effizienz des Systems. Manchmal wäre weniger tatsächlich mehr: Ein Plädoyer für die richtige Auslegung. Autor: Don Knowles
Die Last mit der LastWie viel Netzteil braucht ein Design? Diese Frage ist gar nicht so leicht zu beantworten, da es gilt, auch Spitzenlasten zuverlässig ab-zufedern. Wer als Entwickler einfach in die Vollen greift und die Stromversorgung überdimensioniert, hat es aber mit vielen negativen Begleiterscheinungen zu tun. Auch bei den Zusatzfunktionen gilt es, nur das tatsächlich sinnvolle einzukaufen.
infoDIREKT www.all-electronics.de 501ejl0213
Auf einen Blick
Weg mit der WärmeNeben diesem einfach zu ermittelnden Faktor ergeben sich weitere Nachteile, die schwieriger zu erfassen sind. Die zusätzliche Wärme, die abgeführt werden muss, führt zu einem komplexeren Design und Budget-Fragen müssen geklärt werden, die mit der Konvekti-onskühlung (die unter Umständen nicht mehr möglich ist), Lüf-tern, Lu� strom-Layout und Kühlkörpern einhergehen. Diese Al-ternativen verursachen direkte Kosten und fügen Materialien, Un-zuverlässigkeit und Einschränkungen beim Gehäuse und Layout hinzu. Selbst die Flexibilität, mehr Funktionen in das Gehäuse zu integrieren, ist eingeschränkt oder das Gehäuse wird größer. Ein höher ausgelegtes Netzteil hat zudem eine größere Stell� äche.
Bei der Entscheidung für ein größeres Netzteil � nden sich auch weniger Hersteller und Second-Source-Anbieter. Dies mag für Entwickler nicht von Belang sein, aber für die Einkaufsabteilung oder den EMS kann dies Probleme bereiten.
Nachträglich skalierenAus diesem Grund bieten die meisten AC/DC-Netzteilhersteller eine Vielzahl ähnlicher Einheiten an, die sich nur in ihrer Aus-gangsleistung unterscheiden. Damit lässt sich die Größe des Netz-teils an die Last anpassen, ohne Überkapazitäten zu erzeugen. So sind die AC/DC-Netzteile der XL-Serie von N2Power in den eng zueinander dimensionierten Nennleistungen 125, 160, 275 und 375 W erhältlich.
Netzteile mit solchen eng dimensionierten Werten unterschei-den sich nur durch ihre Nennleistung, sie haben aber die gleichen Abmessungen und Anschlüsse. Damit wird ein einfaches Austau-schen, Ab- oder Aufrüsten möglich, sobald sich die Lastanforde-rungen ändern. Bild 2 zeigt das N2Power XL125 und XL160, die mit 3 mal 5 Zoll (7,5 mal 12,5 cm2) beide die gleichen Abmessun-gen aufweisen.
Richtig dimensionierenDas Design auf weniger Gesamtstromaufnahme auszulegen und dann an die maximale Last anzupassen ist in der Realität kein gangbarer Weg. Das Problem ist das große Verhältnis zwischen der Maximal-/Spitzenlast und der typischen Last. Ein Verhältnis von 2:1 oder sogar 3:1 ist hier meist üblich. Das Netzteil muss zwar für die Spitzenlast ausgelegt sein, aber die meiste Zeit wird es für An-forderungen unterhalb dieses Wertes in Betrieb sein, und damit genau im ine� zienten Bereich.
Es gibt durchaus verschiedene Möglichkeiten, dies zu umgehen. Zum Beispiel können ein zusätzlicher Booster, ein Superkondensa-tor oder andere Techniken Spitzenlasten abdecken. Jede dieser Lö-sungen bringt jedoch neue Designprobleme mit sich, da sie zur Last hinzugeschaltet und auf Lasttransienten abgestimmt werden müs-sen. Um also eine Überdimensionierung zu vermeiden, sollte man die Maximallast des Systems so weit wie möglich auf den typischen Lastwert verringern.
Jenseits des WirkungsgradsZu den weiteren Faktoren, die zu berücksichtigen sind, zählen der Temperaturbereich, der Betriebsspannungsbereich, die Netz-/Lastregelung, verschiedene Schutzarten, Redundanz und die I/Os.
Hinsichtlich der Betriebsumgebung und der Kühlung stellt sich die Frage, welche Betriebstemperatur für das Netzteil erforderlich ist. Ein Netzteil, das für höhere Temperaturen ausgelegt ist, kostet mehr – aber es ermöglicht auch einen geringeren Kühlungsauf-wand. Auch ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen muss berück-sichtigt werden, wenn die Anwendung zum Beispiel bei Minusgra-den eingeschaltet wird.
Eine weitere Abwägung ist die Nennspannung des AC-Netzes: Ist ein Netzteil nur für 115 oder für 230 VAC erforderlich, oder eines mit einem breiten Eingangsspannungsbereich, das beide Werte ab-deckt? Auch hier muss der Anwender sachlich abwägen: ein Netz-teil für beide AC-Werte ist generell etwas teurer, aber die zusätzli-chen Kosten können sich rechnen, da man mehr Netzteile dieser Art kaufen kann. Die größeren Stückzahlen verringern die Kosten für den Einkauf und den Support.
ToleranzfrageEtwas komplizierter wird es mit der Toleranz, die rund um die Netznennspannung erforderlich ist. Muss das Netzteil für modera-te ±5 % Abweichung, mittlere Abweichungen von ±10 % oder so-gar für einen Bereich von ±20 % ausgelegt sein? Netzteile, die an stark schwankenden AC-Netzen (innerhalb der Spezifikation) be-trieben werden, sind teurer und nur von wenigen Anbietern er-hältlich. Falls große Schwankungen toleriert werden sollen, ist es kostengünstiger, einen separaten Vorregler zu installieren, der die Netzleitung in einem engeren Bereich hält und dann ein Low-Cost-Netzteil einzusetzen.
Welches Maß an absoluter Genauigkeit, Stabilität und Regulie-rung erfordert das System? Die meisten Netzteile werden ab Werk für einen Nennausgangswert eingestellt, womit die Einheit den spezifizierten Wert relativ genau erfüllt. Stabilität und Regulierung
variieren allerdings von Anbieter zu Anbieter, und strengere Spezi-fikationen erhöhen die Kosten. Diese zusätzlichen Spezifikationen können sogar überflüssig sein. Der Grund dafür ist, dass viele AC-zu-DC-Versorgungsschienen nun aus mehreren Stufen bestehen, wobei der AC/DC-Wandler der ersten Stufe einen IBC (Intermedi-ate Bus Converter) oder POL-Wandler (Point of Load) speist, statt die endgültige Schiene. Diese DC/DC-Wandler stellen die eigentli-che Spannung für das System bereit, und sie können kleine Ände-rungen des AC/DC-Netzteils zu ihren DC-Eingängen tolerieren.
Rundum-SchutzNahezu alle Anbieter bieten Funktionen wie Schutz vor Überspan-nung und Kurzschluss. Einige bieten zusätzlichen Schutz gegen hohe Netztransienten, einschließlich blitzinduzierter Spannungs-spitzen. Falls mit solchen Ereignissen nicht gerechnet wird oder das Netzteil mit externen diskreten Komponenten geschützt wird, kann man eine Einheit verwenden, die grundlegende Transienten-spezifikationen erfüllt anstelle einer, die größeren Schutz bietet.
Einige Hersteller bieten N+1-Fähigkeit, womit sich Netzteile mit automatischer Umschaltung verwenden lassen, für den Fall, dass ein Netzteil ausfällt. Falls dieses Maß an Zuverlässigkeit nicht er-forderlich ist oder nur ein einziges AC/DC-Netzteil bevorzugt wird, kann und sollte man auf diese Funktion verzichten.
In größeren Systemen zeigt sich der Trend, dass das Netzteil ei-gene Betriebszustände (vor allem die interne Temperatur) an eine Systemüberwachung kommuniziert. Dann lassen sich auch Be-triebsparameter über einen System-Controller ändern. Für An-wendungen, die diese Art der Versorgungs-/Systeminteraktion nicht erfordern, erübrigen sich ein I/O-Port (I2C, PMBus, SPI) und dazugehörige Schaltkreise im Netzteil.
Nur nicht übertreibenOb ein Netzteil aufgrund des mangelnden Verständnisses über die Systemanforderungen oder Versorgungsparameter überdimensio-niert wird, oder ob man einfach nur auf Nummer sicher gehen will – es gibt keinen Grund dafür. Wie bei allen Entwicklungsentschei-dungen sollte genau das spezifiziert werden, was auch gebraucht wird und nicht mehr. Sind die Prioritäten eines Projekts, dessen Einsatzfeld und alle Abwägungen erst einmal bekannt, ergibt sich auch das richtige Design. (lei)� n
Der Autor: Don Knowles trat vor 12 Jahren N2Power in Simi Valley, Kalifornien, als Vice President Engineering bei.
Bild 1: Der Wirkungsgrad eines Netzteils ändert sich mit der Last. Der größte Wert ergibt sich bei 80 bis 95 % der maximalen Nennlast. Der Graph zeigt das Netzteil XL280-48 von N2Power.
Bild
er: N
2Pow
er
Bild 2: Das AC/DC-Netzteil XL125 (125 W) (li.) und das XL160 (160 W) von N2Power unterschei-den sich hauptsächlich durch ihre Nennleistung. Die Abmessungen, Baugröße, Anschlüsse und anderen Spezifikationen sind gleich.
38_N2 Power (lei).indd 40 16.04.2013 10:06:09
StromversorgungenHighlight
Einfach die Richtige aussuchenZum Auswählen unterbrechungsfreier DC-Stromversorgungen
Die Siemens Division Industry Automation stellt die dritte Version des Sitop Selection Tool vor, mit dem sich schnell und mit wenigen Klicks eine unterbrechungsfreie Stromversorgungen (DCUSV) aussuchen lässt. Neben den Gleichstromversorgungen umfasst die Auswahlhilfe sowohl unterbrechungsfreie Gleichstromversorgungen mit Kondensator als auch mit Batterietechnologie. Nach dem Eingeben der wichtigen Parameter wie Pufferzeit oder Laststrom per Mausklick zeigt das Tool die zutreffenden Kondensator oder Batteriesysteme mit ihren Leistungsmerkmalen an. Zur
einfachen Handhabung passt es je nach Eingabe die möglichen Eingabebereiche weiterer Parameter dynamisch an. Dabei sind diverse Änderungen bei den Auswahlparametern jederzeit möglich.
Zusätzlich lassen sich bei der Auswahl mehrerer Konfigurationen die ausgewählten DCUSVGeräte anhand ihrer Leistungsmerkmale vergleichen. Bei der Anzeige kann der Anwender zwischen allen Daten, allen gleichen Daten oder allen unterschiedlichen Daten wählen. Anschließend kann er die relevante DCUSVKonfiguration in die Produktliste übernehmen. Auch
die Auswahl mehrerer Konfigurationen ist möglich. Das Auswahlergebnis kann der Nutzer als Excel oder AdobeDatei abspeichern oder in den Warenkorb der IndustryMall (OnlineKatalog und Bestellsystem für die Automatisierungs und Antriebstechnik) übernehmen und dort bestellen. Zudem stellt das Sitop Selection Tool zu allen Produkten weitere Produktinformationen wie 3DDaten, Schaltplanmakros, Betriebsanleitungen oder Zertifikate zum sofortigen Abruf zur Verfügung. (rao)� n
infoDIREKT 245ejl213
Programmierbare Elektronische DC-LastenProgrammierbare Elektronische DC-Lasten mit Netzrückspeisung
• Leistungen 400W bis 10,5kW, Systeme bis 105kW• Spannungen 0...80V bis 1500V DC• Ströme 0...25A bis 600A, Systeme bis 5100A• μ-Prozessor gesteuert, FPGA gesteuert (ELR)• Betriebsmodi CC+CV+CP+CR• Alle Werte im Display, intuitives Touchpanel-Menue• Für automatische Prüfsysteme, Burn-In Einrichtungen• Luft- oder wassergekühlt• Für Photovoltaik (PV) Arrays bis 1500V• Für Lithium (E-Vehicle), Ultracap, Brennstoffzellenentladung• Dynamische Testfunktionen, Funktionsgenerator• Kombinierte Quellen- und Lastschränke• Tischversion, 19“-Einschub und 19“ Schranksysteme 42HE • Schnittstellen: Analog, CAN, GPIB, Ethernet, RS232, USB• Bedienersoftware
Programmierbare Labor- und Hochleistungsnetzgeräte
• Leistungen 640W bis 150kW• Spannungen 0...32V bis 1500V DC• Ströme 0...10A bis 5100A• μ-Prozessor gesteuert• Für Photovoltaik und E-Vehicle Anwendungen• PV Array Simulation (Für MPPT Test, run-in Test)• Li- Batterieladung, Li-Batteriesimulation• Flexible Ausgangsstufe• Speicherbare Gerätekonfiguration• Integrierte Sequenz-Funktion• Innenwiderstandsregelung optional• Kombinierte Quellen- und Lastschränke• Tischversion, 19“-Einschub und 19“ Schranksysteme 42HE• Schnittstellen: Analog, CAN, GPIB, Ethernet, RS232, USB• Bedienersoftware
In künftigen Smart Homes soll der Gleichstrom direkt aus der Dose kommen. Bis es so weit ist, lässt sich improvisieren: mit effizienten Mini-Netzteilen und LED-Treibern zum Versorgen von Gleichspannungsverbrauchern.
In der Welt von Tablet-PCs, Smartphones und Peripherie ist der USB-Bus längst zur zentralen Nabelschnur für die Spannungsver-sorgung geworden. Ursprünglich für den Datenaustausch konzi-piert, liefert er inzwischen den Ladestrom für unzählige Akkus, die in netzunabhängigen Kleingeräten ihren Dienst verrichten. Diese modernen Gerätschaften verzichten zunehmend auf das früher übliche Steckernetzteil, weil sich fast immer irgendwo ein USB-Anschluss in Reichweite befindet. Lässt sich von dieser Entwick-lung ableiten, wie die Spannungsversorgung im Smart Home der ferneren Zukunft ausschauen wird?
Versorgen wir den Wohn- und Schlafbereich künftig mit Gleich-spannung, weil einschließlich des Lichts alles elektronisch ist?
Gleichspannung salonfähig machenEffiziente Netzmodule für das Smart Home
Nicht zuletzt Edisons Glühbirne haben wir es zu verdanken, dass unsere Häuser und Büros Wechselstrom benöti-gen. Die Heimelektronik arbeitet hingegen längst mit Gleichspannung und die Beleuchtungstechnik fährt mit dem Umstellen auf LEDs in dieselbe Richtung. Autor: Reinhard Zimmermann
Wenn wir dies noch nicht eindeutig bejahen können, dann liegt das schlicht daran, dass die auf 230 VAC gepolte Basis noch zu mächtig ist.
Gleichspannung dominiertWährend sich Glühbirnen, Kochplatten und Elektromotoren di-rekt mit Wechselspannung betreiben lassen, arbeitet die gesamte Heimelektronik intern mit Gleichspannung. Vom Weckradio über TV, HiFi-Anlagen und Festplattenrecorder bis hin zu Computer, Router und Drucker verfügt jedes Elektronikgerät über ein eigenes Netzteil, das aus 230 V Wechselspannung die benötigte Gleich-spannung macht. Das gilt auch für LEDs als Lichtquellen der Zu-kunft. Auch hier ist Gleichspannung erforderlich, diese wandelt der Treiber in einen konstanten Gleichstrom.
Jedes dieser Netzteile muss für maximale Belastung ausgelegt sein, obwohl diese in der Praxis selten eintritt. So laufen Fernseher
Bild
er: R
ecom
Bild 1: Bis Gleichspannung direkt aus der Dose kommt, werden noch unzählige hoch effiziente Mininetzteile gebraucht.
Gleichspannung heißt die DeviseSpätestens seit das Licht dank LEDs elektronisch wird, ließe sich im Wohn- und Schlafbereich auf das gewohnte Wechselstrom-Lichtnetz verzichten. Das bleibt Utopie solange die Mehrzahl der Häuser nicht mit Gleichspannung vernetzt ist. In der Zwischenzeit wandeln unzählige Klein-netzteile Wechselspannung in Gleichspannung. Besonders praktisch sind dabei runde, fl ache Mininetzteile, die in Unterputzdosen Platz fi nden. Wichtig sind bei diesen Helfern neben Langle-bigkeit und Effi zienz auch eine niedrige Leerlaufl eistung.
infoDIREKT www.all-electronics.de 238ejl0213➤ Halle 7, Stand 449
Auf einen Blick
oder HiFi-Anlage meist auf Zimmerlaut-stärke, obwohl sie von den technischen Möglichkeiten die halbe Nachbarscha� be-glücken könnten. Da der Wirkungsgrad solcher Netzteile mit sinkender Auslastung abnimmt, wird durch die Verwendung vie-ler kleiner Einzelnetzteile allein durch de-ren suboptimale Auslastung viel Energie verschwendet. Es wäre e� zienter, die Heim elek tronik aus einem einzigen, gro-ßen Netzteil zu versorgen. Größere Netz-teile erzielen generell einen besseren Wir-kungsgrad als kleine. Außerdem können sich die Leistungsspitzen einzelner Ver-braucher so besser kompensieren.
Langfristig darf man davon ausgehen, dass energiee� ziente Smart Homes neben 230 VAC auch ein Bordnetz haben, das ähn-lich Ethernet oder USB nicht nur der Kom-munikation dient, sondern Heimelektro-nik einschließlich Sensorik und Überwa-chung mit Gleichspannung versorgt. Das Versorgen und Vernetzen dür� e zu einem gemeinsamen � ema verschmelzen. Denk-bar wäre, in Anlehnung an das Ethernet, eine 48-VDC-Versorgung, allerdings mit deutlich höherem Strom.
Obwohl technisch vieles dafür spräche, steht die bereits installierte Basis mit Macht dagegen. Auch gibt es noch keine Stan-dards, die die Datenübertragung mit ihren unterschiedlichen Anforderungen und den bereits existierenden Bussen unter einen Hut bringen könnten. Es wird deshalb ver-mutlich Jahre dauern, bis Plug&Play im Smart Home Einzug hält. In der Zwischen-zeit triumphiert die Improvisation bei de-zentralen Kleinnetzteilen und AC/DC-LED-Treibern. Im Sinne der Energiee� zi-enz ist es dabei wichtig, Wirkungsgrad und Leerlaufverbrauch jedes einzelnen Moduls zu optimieren.
EuP-Richtlinie sorgt für BewegungSeit Januar 2010 ist die EuP-Rahmenricht-linie (Energy Using Products) der EU in Kra� getreten, die den maximal zulässigen Verbrauch im Standby- und Scheinaus-
Need Power?ThinkGlobTek
Smarte Batterie-Ladegeräte bieten Drei-Phasen-BetriebErhältlich in 4,2V, 8,4V oder12,6V-Versionenbei 1A für Ein-oder Mehrfach-Batterie-Konfig-urationen, bietetGlobTeksGTM91128 Familie an Li-Ionen Batterie-Ladegeräten drei Ladeoptionen: Kondi-tionierung, Konstantstrom sowieKonstantspannung. Die Universal-Ein-gangs-Geräte bieten eine Minimalstrom-Ladung mit Abschaltautomatik undTimer-Unterstützung sowie eine LED-Lampe, die den Ladezustand anzeigt. Einweiteres Produktmerkmal ...weitere Informationen unter www.globtek.de
Medizintechnischzugelassene Open-Frame Netzgeräte liefern bis zu 240WGeeignet fürzahlreiche mediz-
intechnische sowie ITE- und PoE-An-wendungen, liefert die GTM91110P240Famile an Open-Frame AC/DC Schalt-netzteilen von GlobTek bis zu 240W ineinem 3 x 5 Inch Footprint. Die Gerätesind werkseitig mit Ausgängen von 12 bis55V (in 0,1V Schritten) ausgestattet. Er-hältlich in Klasse I oder II Version, be-sitzen die 1,75 Hochspannungsnetzteileeine Effizienz von 85% bei Volllast undzeichnen sich durch Produktmerkmalewie Active PFC, eingebauter EMV-Filter,...weitere Informationen unter www.globtek.de
Akku-Pakete liefern Ladezustands-DatenMit seiner wiederaufladbaren Stromver-sorgung für mobile und Remote-Geräte,eröffnet das BL3100C1865004S1PSQA Li-Ionen Akku-Pack von GlobTek dieMöglichkeit, denLadezustand desGerätes jederzeitabzulesen. Das14,4V-Pack bieteteine Kapazität von3,1Ah sowie einge-baute Überstrom-Schutzschaltung. “Mittlerweile sollte jedeBatterie, die in heutigen Geräten einge-setzt wird, Informationen über denLadezustand liefern, da die Laufzeit eines ...weitere Informationen unter www.globtek.de
www.globtek.de
GlobTek 2.13.13_ELEKTRONIC journal 2/26/2013 9:46 AM Page 1
Betrieb elektronischer Geräte regelt. Zu Beginn dieses Jahres haben sich die ur-sprünglichen Grenzwerte halbiert, so dass für einfache Standby-Steuerungen und für Scheinaus-Betrieb nur noch maximal 500 mW zulässig sind. Dies brachte einen Stein ins Rollen. Elektronikhersteller wa-ren frühzeitig gezwungen, die Standby-Elektronik ihrer Produkte durch separate Mini-Netzteile zu versorgen. Hinzu kam, dass auch viele Kleingeräte in Haus und Büro e� zienter arbeiten und mit weniger Leistung auskommen. Zum Beispiel arbei-ten Mikrocontroller inzwischen mit Leis-tungen im Milliwatt-Bereich – Sensoren zur Steuerung von Jalousien im niederen, einstelligen Wattbereich.
Dies alles hat mit dazu beigetragen, dass inzwischen ein eigenständiger Markt für kleine Netzmodule in der Leistungsklasse von 1 bis 10 W entstanden ist. Da kleine Netzteile aber beim Wirkungsgrad nicht mit absoluten Spitzenwerten brillieren können, wird das � ema E� zienz in vielen Datenblättern recht sparsam beleuchtet. Nicht selten ist nur ein einziger Wert ge-nannt, der sich auf das Modell mit der höchsten Ausgangsspannung bezieht und nur für Volllast gilt. Dies ist aber besten-falls die halbe Wahrheit und für die Praxis nicht wirklich aufschlussreich. So haben Netzteile mit niedrigerer Ausgangsspan-nung naturgemäß einen schlechteren Wir-kungsgrad. Die Unterschiede können durchaus zehn Prozentpunkte betragen, wie die Kurvenschar für das 3-W-Modul RAC03 von Recom zeigt. Während es die 24-V-Version bei Volllast noch spielend auf 80 Prozent bringt (Bild 2, gelbe Linie), scha� ein Modul mit 3,3 VDC am Ausgang nur noch gut 70 Prozent (rosa Linie).
Große Unterschiede im unteren LastbereichGrundsätzlich erreicht ein Netzteil bei Volllast seinen besten Wirkungsgrad. Die-ser reduziert sich mit sinkender Last, bis er im Leerlauf gegen Null tendiert. Optimal
Der Autor: Reinhard Zimmermann ist im Produktmarketing bei Recom Electronic in Neu-Isenburg.
konstruierte Netzteile zeichnen sich durch einen ausgesprochen flachen Verlauf aus. Beim zuvor genannten RAC03 knickt die Kur-ve erst im Lastbereich um 10 Prozent steil ab. Dies ist in Zeiten von Eco-Design und immer knapper werdenden Energiebudgets von erheblicher Bedeutung. Zum einen wird man selten die exakt pas-sende Leistung finden und so die nächst höhere Klasse mit weniger Last betreiben. Zum anderen schwankt die Belastung bei vielen Anwendungen beträchtlich.
Verlauf des WirkungsgadsFür die tatsächlichen Verluste, insbesondere für die Wärmeverlus-te, ist der Verlauf des Wirkungsgads im unteren und mittleren Lastbereich relevant. Deshalb spezifiziert Recom in seinen Daten-blättern für AC/DC-Wandler generell den Wirkungsgrad in Ab-hängigkeit der Last. So lässt sich für das jeweilige Lastprofil sehr genau ermitteln, mit welchen Leistungsverlusten tatsächlich zu rechnen ist. Vergleichsmessungen zwischen den Produkten ver-schiedener Hersteller haben gezeigt, dass insbesondere im Bereich von 10 bis 50 Prozent gravierende Unterschiede auftreten können.
Da Netzmodule häufig im Leerlauf arbeiten (Standby-Modus), ist der Leerlaufverbrauch wichtig für die Energiebilanz. Auch hier gibt es gravierende Unterschiede. Mit der Erfahrung aus mehr als zwei Jahrzehnten Moduldesign ist es den Entwicklern von Recom gelungen, außergewöhnlich gute Werte zu erzielen. Das kleinste Netzmodul beispielsweise – der RAC01 mit 1 W Nennleistung – bringt es auf einen Leerlaufverbrauch von 30 mW. Fehlen solche Spezifikationen im Datenblatt, kann sich ein Vergleichstest lohnen.
3-W-Netzteil liefert Gleichspannung aus der DoseIn zunehmendem Maße bahnen sich smarte Komponenten und Systeme ihren Weg ins Haus von morgen. Intelligente Schalter, die auf Gesten reagieren und berührungslos Licht oder Raumtempera-tur steuern. Türöffner mit eingebautem Fingerabdruck-Sensor zum Erkennen von Personen mit Zugangsberechtigung. Steckdo-sen mit intelligenter Stromüberwachung, die abschalten, sobald ein Verbraucher längere Zeit im Standby-Modus ist.
Oder Minipumpen, die unsere Blumen mit Wasser versorgen, solange wir im Urlaub sind. Applikationen wie diese benötigen Gleichspannung, die im Idealfall aus der Dose kommt. Der RAC03-SCR/277 ist ein geregeltes Netz-Modul, das für den Einbau
in handelsübliche Unterputzsteckdosen konzipiert ist. Aufgrund seiner runden, ultraflachen Form lässt es sich schnell und einfach installieren, ohne dass Renovierungsarbeiten notwendig sind. Die 11 mm dünnen Scheiben lassen sich problemlos hinter Schaltern oder Dimmern unterbringen und sorgen dafür, dass überall dort Gleichspannung aus der Dose kommt, wo dies für Smart Home-Applikationen erwünscht ist.
Die flache Power-Scheibe erreicht bei 3 W Nennleistung einen hervorragenden Wirkungsgrad von 78 Prozent. Mit ihrem weiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 VAC ist sie weltweit ein-setzbar – insbesondere auch im amerikanischen Drehstrom-Licht-netz, das Spannungen von 277 VAC erreicht. Das Modul ist wahl-weise mit Ausgangsspannungen von 3,3; 5; 12 oder 24 V lieferbar. Entsprechend seiner Nennleistung von 3 W sind dabei Ströme von 900, 600, 250 und 125 mA verfügbar. Mit einem Leerlaufverbrauch von 40 mW unterbietet es die Vorgaben für Standby-Netzteile um das mehr als das Zehnfache. Der RAC03-SCR ist am Ausgang mit 3 kVAC isoliert und arbeitet zuverlässig bei Umgebungstemperatu-ren bis +85 °C.
EMV daheimDa das Thema elektromagnetische Verträglichkeit gerade im Home-Bereich einen hohen Stellenwert hat, verfügen alle Netzmo-dule der RAC-Familie serienmäßig über einen Klasse-B-Filter. So lassen sich Störungen direkt an der Quelle beseitigen, wodurch sich Filterkomponenten wie Ferritkerne und Drosseln im Ver-gleich zu einer externen Beschaltung kleiner dimensionieren las-sen. Dies reduziert den Leistungsbedarf im Leerlaufbetrieb und erspart zudem die Kosten für Material und EMV-Tests.
Die RAC-Familie ist für vielfältige Aufgaben in der Gebäudeau-tomation, in Sicherheitssystemen und Kommunikationseinrich-tungen geeignet und für viele Jahre Dauerbetrieb konzipiert. Alle Module sind kurzschlussfest, gegen Überspannung und Überlast geschützt und gemäß CE und UL zertifiziert. Recom verwendet hochwertige Komponenten und gibt eine Gewährleistung von drei Jahren auf die Netzmodule. (rao)� n
Bild 2: Da Netzmodule wie der RAC03 in der Praxis nur selten bei Volllast arbeiten, ist es wichtig, dass der Wirkungsgrad bei sinkender Last möglichst lange auf hohem Niveau bleibt.
Bild 3: Die nur 11 mm dünne Powerscheibe von Recom passt spielend in jede Unterputzdose und lässt noch genügend Platz, um Schalter und Dimmer in derselben Dose zu platzieren.
42_Recom (rao).indd 44 16.04.2013 10:09:31
StromversorgungenHighlight
Bis zu 200.000 Akkupacks jährlichGroße Pläne: eine Produktionsanlage für Lithium-Akkus
BMZ wird am Firmenstammsitz in Karlstein bei Aschaffenburg in Kürze mit dem Bau von einer weitestgehend vollautomatisierten AkkupackFertigung beginnen. In der voraussichtlich Anfang 2014 fertig gestellten 800 Quadratmeter großen Produktionsstätte lassen sich jährlich bis 200.000 Akkupacks nach speziellen Kundenvorgaben weitgehend automatisch bestücken, schweißen und testen.
BMZGründer Sven Bauer sieht in der Ausweitung der Produktionskapazitäten einen Meilenstein auf dem Weg zu intelligenten AkkuLösungen. „Wer als deutsches Unternehmen in einem so wichtigen Zukunftsmarkt wie der mobilen Energieversorgung auf Dauer eine internationale Stellung einnehmen will, sollte sich nicht nur auf seine innovativen Produktideen und sein SystemKnowhow verlassen. Mit unserer weitestgehend vollautomatisierten AkkupackFertigung wollen wir den Beweis antreten, dass BMZ am Standort
Deutschland auch produktionstechnisch in jeder Hinsicht international konkurrenzfähig ist.“ Einzelne Fertigungsschritte wie das Zuführen der Zellen, das Platzieren der Zellhalter und das Aufschweißen der Zellverbindert wird mittels Widerstandsschweißen in mehrere austauschbare ProduktionsZellen aufgeteilt, um später eventuell nötige Anpassungen mit geringem Folgeaufwand vornehmen zu können.
InverterSchweißanlagen sichern bei der Überwachung des Prozesses eine hohe Schweißqualität. Die Prüfung der AkkuPacks erfolgt bis auf wenige, von Art und Konfiguration der jeweiligen AkkuPacks abhängige Ausnahmen, ebenfalls automatisiert. Eine integrierte Kennzeichnung der kundenspezifischen Werkstückträger mit relevanten Einzelparametern und Fertigungsschritten gewährt zusätzliche Sicherheit. Durch die Speicherung aller Akkupackbezogenen Daten der einzelnen Fertigungsstationen und deren Zuordnung zu dem jeweiligen Produkt ist eine Rückverfolgbarkeit jedes produzierten Akkus gesichert. Die Produktionsanlage ist in der ersten Ausbaustufe für unterschiedliche AkkupackGrößen im Gewichtsbereich von 200 Gramm bis 3 Kilogramm konzipiert.
Dadurch lassen sich hier kleine Einheiten für Haushaltsgeräte genauso fertigen wie sehr große Akkus für EBikes. Bauer erläutert: „Der modulare Ansatz garantiert nicht nur Flexibilität bei der Produktionsplanung und eine optimierte Auslastung der Fertigungskapazitäten, er trägt auch dazu bei, die Qualität unserer Produkte weiter zu steigern – alles wichtige Voraussetzungen, um BMZs Position als europäischer Systemlieferant für intelligente LithiumAkkuLösungen konsequent weiter ausbauen zu können.“ (rao)� n
infoDIREKT 253ejl0213
Sven Bauer ist sowohl Gründer als auch Alleininhaber der BMZ GmbH.
In der geplanten BMZ-Produktionsstätte sollen bislang noch manuell durchgeführte Arbeits-schritte wie das Widerstandschweißen künftig weitgehend automatisiert erfolgen.
Bei medizintechnischen Applikationen gilt wie in vielen anderen Branchen auch: Vor der Beratung, welche die richtige Stromversorgung ist, muss eine genaue Betrach-tung der Applikation erfolgen. Im hier untersuchten An-
wendungsbeispiel handelt es sich um Operationsleuchten, in die der Medizingerätehersteller LED-Technologie integrierte. Im Be-trieb traten jedoch signifikante Schwierigkeiten mit der Entwär-mung der AC/DC-Netzversorgung auf. Probleme bereitete dem Hersteller auch, die EMV-Bedingungen (Elektromagnetische Ver-träglichkeit) zu erfüllen.
Auf dem OperationstischDie mehrfarbigen vorselektierten LEDs werden auf Leuchtenkör-per montiert und so gruppiert, dass sie sich im Winkel zum Stativ verstellen lassen. Das auf den Patienten gerichtete Licht kann der Operateur in der Einfallsrichtung variieren, um Abschattungen bei der Operation zu vermeiden, beispielsweise im Thorax. Darüber hinaus wird das Nachjustieren von Lichtintensität und Lichtfarben beim Diagnostizieren und Operieren möglich.
Auf innere Werte setzen Langzeitstabile Stromversorgung für die Medizintechnik
In modernen Operationssälen spielt die Stromversorgung eine zentrale Rolle: Sie muss zuverlässig und effizient arbeiten. TDK-Lambda zeigt im folgenden Beitrag anhand eines praktischen Anwendungsbeispiels eines LED-Operationslichts, welche Überlegungen vorab erfolgen müssen, wie die Umsetzung aussehen kann und worin genau die Herausforderungen bestehen. Autor: Peter R. Runz
Nachdem die Stative zunächst nur als Lichtträger Einsatz fan-den, gab es im späteren Verlauf die Ausstattung des Stativ-Hand-griffs mit einer Kamerafunktion. Mittels eines CCD-Chips lassen sich Bild- und Videodaten des Patienten aufnehmen und auf einen Monitor übertragen. Der Chirurg erhält so detaillierte, vergrößerte Aufnahmen, die ihm das Erstellen der Diagnose erleichtern. Eine Bildweiterverarbeitung in ein Graustufenmodell ermöglicht es, Gewebearten zu unterscheiden. Die Tumor-Erkennung wird durch das Verfahren erheblich vereinfacht. Das Medizinteam kann die gewonnenen Bild- oder Videodaten an eine entfernte Stelle über-tragen. Nach diesem Prinzip erfolgt auch die begleitende Echtzeit-beratung eines Berliner Herzspezialisten bei der Operation eines Patienten in München. Ein weiteres Szenario: Medizinstudenten können zu Lehrzwecken in einem Raum fernab die Operation mit-verfolgen und auf diese Art eine praxisnahe Ausbildung durchlau-fen, ohne die Sterilität des Operationssaals zu beeinträchtigen oder den Operateur abzulenken. Sehr wichtig: Anwendungen dieser Art fordern hohe Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität – das gilt auch für das eingesetzte AC/DC-Netzteil.
Bei allen Anwendungen in der Medizintechnik steht die Zuverläs-sigkeit an der ersten Stelle.
Die hohe Kunst den Richtigen zu fi ndenBeim Erarbeiten von Netzteillösungen gilt es, die Kundenanforderun-gen im Detail zu erfassen. Eine präzise Analyse der technischen An-forderungen führt zur richtigen Wahl, welches Netzgerät oder welcher AC/DC-Wandler am besten im Operationssaal Anwendung fi ndet.
infoDIREKT www.all-electronics.de 243ejl0213➤ Halle 7, Stand 302
Auf einen Blick
Drum prüfe, wer sich ... bindetMit dem ursprünglich eingesetzten Netzgerät traten nach Inbe-triebnahme der CCD-Kamera unerwünschte Störungen auf dem generierten Bild auf, die sich auch nach mehrfachen Korrekturver-suchen nicht beheben ließen. TDK-Lambda führte als ersten Schritt zur Fehlerbehandlung eine genaue Analyse und Bewertung der Anforderungen und der Umgebungsbedingungen durch. Als Ergebnis entstand eine Netzteilspezi� kation. Im Fokus standen: ■ technische Details wie Dauer- und Spitzenlast-Anforderungen, ■ thermische Umgebungsbedingungen, ■ die Einbau-Situation des Netzteils sowie ■ akustische Bedingungen bei der Operation.
Die zunächst nur theoretisch betrachteten Schallwerte der Lü� er (dB) wurden unterstützend durch praktische Hörversuche mit freistehenden und eingebauten eigenentwickelten Netzgeräten vervollständigt. Im Weiteren erfolgte eine systemorientierte Ana-lyse der Isolationsstrecken der gesamten Leuchte, vom Netzan-schluss bis hin zum Chirurgen und zum Patienten. Die entspre-chende Risikoanalyse, stellt einen wichtigen Parameter im Hin-blick auf die normgerechte Zulassung der Leuchte nach der Medi-zingerätenorm IEC/EN 60601-1 dar.
Erste Wahl seinNach der Bemusterung der medizintechnisch zugelassenen AC/DC-Stromversorgung HWS300/ME begann TDK-Lambda mit ersten Tests. Die Ingenieure integrierten nach ausgiebigen Prüfun-gen das HWS300/ME; es besitzt eine kompakte Bauform mit inte-griertem Lü� er und verfügt über die notwendige medizinische Zulassung. Es ist mit einer sogenannten PV-Option ausgestattet (Programmable Voltage), die einen weiten Ausgangsspannungs-Einstellbereich ermöglicht. Dieser ist bei einer solchen Applikation hilfreich, weil die vielfach kombinierten LED-Typen (-Farben) zu Ketten geschaltet sind und dann in Strängen gruppiert werden.
Das Ziel der Leuchtenentwickler war es, eine hohe Lumenzahl und große Farbqualität zu erreichen.
Zusätzlich bringt die Anordnung und Verschaltung der LEDs eine erhöhte Sicherheit gegen den Ausfall der OP-Leuchte. Für die Stromversorgung selbst bedeutete es, dass es obligatorisch war auf Kundenwünsche bei der Ausgangsspannung � exibel zu reagieren. Anfangs betrug die Geräteausgangsspannung 48 V, später folgten Geräte mit 40 V. Die Spannungswerte richten sich nach den Anfor-derungen. Festlegungen sind hier schwierig, da sich die Werte durch stetige Weiterentwick-lungen in der LED-Chip-Technik oder durch alterna-tive Anordnungen bezie-hungsweise Verkettung von mehr oder weniger LEDs verändern.
Vielfache oder Summen-werte der entsprechenden Diodenspannungen ergeben den spezi� zierten Wert Uout für die AC/DC-Netzversor-gung. Die beim HWS-Netz-gerät mögliche PV-Option erlaubt es, schnell zu reagie-ren. Die Nominalspannung liegt bei den Geräten der 300- und 600-W–Klasse in einem Bereich von 20 bis 120 %, bei 48-V-Geräten sind es 20 bis 110 %. Bei den HWS-1000- und 1500-W-Geräten ist die PV-Option standard-mäßig implementiert. Die HWS-Serie gewährt eine le-benslange Garantie.
Keine Qual bei der WahlFür etwaige Systemtests und beispielsweise für das Opti-mieren der LED-Kombinati-onen auf Versuchsleiterplat-ten o� erierte TDK-Lambda für die Laborarbeit auch ein-stellbare Geräte der Reihen
LEDs setzen nur wenig Energie in unerwünschte Wärme um. Die Effi zienz der CFE400M-Serie bei verschiedenen Lasten.
Genesys (750...15 kW) und ZUP/Z+ (200...800 W). Sie können Spannung von 0...Umax liefern, lassen sich aber auch als Stromquel-le einsetzen. Dieser Mehrwert steht Kunden schon während des Entwickelns eines Medizingerätes zur Verfügung. Die LED-Leuch-tenkörper gab es zunächst nur in größeren Konfigurationen für OP-Säle oder für Herzzentren. Doch auch Kliniken und kleinere Praxen wie Zahn- oder Hausarzt zählen zur Zielgruppe. Sie benö-tigen allerdings kleinere Varianten, die mit einem oder drei statt mit fünf Leuchtenkörpern auskommen.
Die Vorteile sind offensichtlich: Der Chirurg kann unter deut-lich besseren thermischen Bedingungen arbeiten, da LEDs spürbar weniger Energie in Wärme umsetzen als herkömmliche Lichttech-nik. Das ermöglicht dem Medizinpersonal ein entspannteres und konzentrierteres Arbeiten und Operieren, wenn notwendig über mehrere Stunden hinweg und dies bei vorteilhaftem Licht – be-dingt durch optimierte Lumenanzahl und Farbtemperatur. Für mobile, fahrbare und kleine Leuchtenvarianten eignen sich die HWS- und HWS/ME-Medizingeräte, da sie im Leistungsspektrum von 15 bis 1500 W arbeiten. Für ein Sonderleuchtenmodell fiel die Wahl auf die ebenfalls mit medizinischer Zulassung versehene EFE300M-Reihe, die mit höherer Leistungsdichte aufwarten kann, aber einen externen Luftstrom benötigt.
Gut verstecktDie Montage der lüftergekühlten 300-W-HWS-Geräte erfolgt in der Regel in den Decken von OP-Sälen oder im Kopfteil des OP-Leuchtenstativs, so dass eine akustische Distanz zum Chirurgen wie auch zum Patienten gegeben ist. Da dies nicht immer möglich ist, entwickelte man eine rein konvektionsgekühlte Netzteillösung ohne Lüfter. Doch es gab noch eine Anforderung: Das Bremsen der schweren Deckenstative sollte nicht mehr wie bisher von Hand, sondern künftig elektrisch erfolgen. Mechanisch große Konfigura-tionen führen zu relativ hohem Kraftaufwand beim Bedienen der Leuchte. Hingegen lassen sich elektrisch gebremste Systeme deut-lich komfortabler und sicherer handhaben. Als AC/DC-Versor-gung setzte TDK-Lambda seine Geräteserie CFE400M ein.
Die Geräte stellen 300 W bei reiner Konvektion, bis zu 400 W bei einem relativ schwachen externen Luftstrom von 1,5 m/s dauerhaft und bis zu 450 W Leistung für kurzzeitige Impulsbelastungen (Peak) bereit. Die Geräteserie ist nach der Medizinzulassung IEC/EN 60601-1 (3rd Edition) spezifiziert, kommt mit geringem Leck-strom aus und ist digital gesteuert. Dadurch kann die CFE400M mehrere Betriebsmodi fahren und arbeitet auch im Nicht- oder Teillastbereich effizient; ihr Wirkungsgrad reicht bis 94 %. Der
Wert des Wirkungsgrades über einen weiten Lastbereich ist für Techniker wichtig, da zu Beginn einer Entwicklung selten die spä-teren Lastbedingungen bekannt sind. Dazu zählen die Anzahl der Steuerkarten oder der Pumpen, Antriebe und Stell-Motoren.
Einige Medizinkunden greifen auf modulare Konzepte zurück und gestalten ihre Gerätefamilien so wirtschaftlich und wettbe-werbsfähig. Sie erstellen einen Grundrahmen oder eine Basiskon-figuration, die später einen Ausbau, entsprechende Erweiterungen und flexible modulare Anbauten bis hin zur Maximal-Konfigurati-on erlauben. Arbeitet eine Stromversorgung nur über 20 % ihres Lastbereichs effizient, dann muss der Anwender für verschiedene Leistungsklassen auf unterschiedliche Gerätefamilien zurückgrei-fen, anstatt bei einer einheitlichen Stromversorgung zu bleiben.
Er steht vor der Wahl, die Möglichkeiten seines medizinischen Systems nicht optimal auszuschöpfen oder viele Modellvarianten zu generieren, die wiederum die Lager- und Inventory-Kosten in die Höhe treiben. Die CFE400M ist eine breit anwendbare und ef-fiziente Stromversorgung, die der Ökodesignrichtlinie entspricht, den Climate-Savers-Gold-Standard erfüllt und fünf Jahre Garantie hat. Die Netzteile kommen mit der kompakten Fläche von 4 x 7 Zoll (100 x 177,8 mm2) aus. Für den Kunden bedeutet das weniger Entwicklungszyklen sowie Einsparungen bei Entwicklungskosten und -Ressourcen. Ferner verringert Effizienz beim Netzgerät die thermische Belastung der umliegenden Baugruppen.
Wenn der Wirkungsgrad zähltWenn man aber nur die Wirkungsgradwerte an sich betrachtet, so scheinen die Unterschiede zunächst gering, 94 % klingen nur un-wesentlich besser als 86 % Wirkungsgrad. Bei einer Nominalleis-tung von 400 W entstehen bei 94 % Wirkungsgrad aber 25,5 W Verlustleistung, während sie bei 86 % Wirkungsgrad schon 65,1 W beträgt. Das effizientere Netzteil erzeugt 60,8 % weniger Verlust-leistung – das ist weniger als die Hälfte.
Da hier deutlich weniger Wärmeverluste weggekühlt werden müssen, bleibt das System bei gleicher Nominallast deutlich küh-ler, was eine längere Lebensdauer begünstigt. Dem Versorgungs-netz wird bei gleicher Nennlast messbar weniger Leistung entnom-men. Es ergibt sich so eine relevante Energieeinsparung über die gesamte Betriebsdauer. Ein etwas höherer Anschaffungspreis amortisiert sich daher schnell. (rao)� n
Der Autor: Diplom-Ingenieur Peter R. Runz ist Market Development Manager bei TDK-Lambda in Achern.
Die HWS- und HWS/ME-Medizingeräte decken das Leistungsspektrum von 15 bis 1500 W ab.
Die Netzteilserie CFE400M ist in Anlehnung an die Ökodesign-Richtlinie (ErP compliant) spezifiziert.
46_TDK (rao).indd 48 16.04.2013 10:14:55
StromversorgungenHighlight
Sich auf leisen Sohlen anpirschenKompakte PC-Netzteile für die Industrie
Das kompakte 350-W-Flex-ATX-Netzteil BEH-635H von Bicker Elektronik verbin-det Schaltungsdesign und Energieeffizienz mit der Robustheit einer industriellen Stromversorgung. Das 80-Plus-Gold-zerti-fizierte Netzteil arbeitet zuverlässig unter rauen Umgebungsbedingungen. Die ver-wendeten japanischen 105-Grad-Celsius-Marken-Elkos, kombiniert mit langlebigen Polymer-Kondensatoren, Leiterplatten in FR4-Industriequalität und die DC/DC-Wandlertechnologie, sind Qualitätsmerk-male des BEH-635H. Durch seine präzise Spannungsregelung und die Netzteilspezi-
fikation nach ATX12V v2.31 und EPS12V eig-net es sich für den Ein-satz in Embedded-In-dustrie-Mainboards.
Das Netzteil BEH-635H ist mit einem mi-nimalen Standby-Ver-brauch von weniger als 0,5 W (ErP Lot 6 2013 ready) und aufgrund des temperaturgeregel-ten Lüfters sehr leise. Abhängig von der je-weiligen Umgebungs-temperatur aktiviert die Regelung den ku-gelgelagerten Lüfter ab einer Ausgangslast von
zirka 170 W. Hierdurch reduziert sich die Geräuschentwicklung erheblich. Das BEH-635H arbeitet in einem weiten Umge-bungstemperaturbereich von -10 bis +50 °C und kann kurzzeitig eine Peak-Aus-gangsleistung von 385 W liefern. Geschützt sind alle Ausgänge mit einem Kurzschluss-schutz, einem Überlast-Schutz mit Ab-schaltung, sowie einem Überspannungs-chutz an +3,3 V, +5 V, +12 V sowie am +5-V-Standby-Ausgang.
Für den internationalen Einsatz ist das Flex-ATX-Netzteil BEH-635H mit einem Weitbereichseingang von 90 bis 264 VAC
und aktiver Leis-tungsfaktorkorrek-tur (Power Factor Correction, PFC) ausgestattet. Es er-füllt die internatio-nalen Sicherheits-standards IEC/EN/UL60950-1, sowie CAN/CSA C22.2 No. 60950-1. Mit dem optional erhältlichen Montage-Set X1-184 gibt Bicker Elektronik seinen Kunden die Möglichkeit, das BEH-635H in ein Stan-dard-1HE-Gehäuse, das Abmessungen von 100 x 190 mm aufweist, einzubauen.
Das Montage-Set beeinhaltet eine Front-platte, einen Haltewinkel (hinten) und die passenden Montageschrauben für den schnellen und sicheren Einbau. Daneben steht mit dem X1-132 ein passender Kalt-gerätestecker nach IEC-60320-C13 als op-tionales Zubehör zur Verfügung. Das 350-W-Flex-ATX-Netzteil BEH-635H hat eine MTBF-Rate (Mean Time Between Fai-lures) von 100.000 Stunden bei +25 °C Umgebungstemperatur. Der Wert bezieht sich auf den Einsatz ohne Lüfter.
Die Abmessungen des BEH-635H-Netz-teils betragen 81,5 x 190 x 40,5 mm (Breite x Tiefe x Höhe) ±0,5 mm und es wiegt
Markus Bicker ist Geschäftsführer bei Bicker Elektronik in Donauwörth.
Das BEH-635H ist mit einem Weitbereichseingang von 90 bis 264 V Wechselstrom und einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ausgestattet.
0,83 kg netto. (rao) n
infoDIREKT 261ejl0213
Der Kopf sagt ja
Und der Bauch? Das Vertrauen von Kunden in aller Welt gibt uns das sichere Gefühl, den richtigen Weg
zu gehen. Wir kennen die Dynamik der Märkte und reagieren auf ihre besonderen Herausforderungen mit
der optimalen kundenspezifi schen Lösung. Innovative Stromversorgungen mit dem Optimum an Energie-
effi zienz, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit machen uns zum gefragten Partner.
Wer einen Spannungswandler sucht, wird nach passen-der Ausgangsleistung, Spannung, Strom, Temperatur-bereich, EMV-Verhalten und Baugröße Ausschau hal-ten. Im zweiten Schritt kommen Anschaffungskosten,
Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit als weitere Kriterien hinzu. Da viele Aspekte eine Rolle spielen, fällt die Auswahl recht schwer.
Im Bahnbereich sind Nennspannungen von 24 bis 110 VDC als Speisespannung inklusive der Toleranzen von ±40 % nach der Bahnnorm EN 50155 spezifiziert. In dem Eingangsspannungsbe-reich müssen die Wandler ordnungsgemäß über den Temperatur-bereich unter Einhaltung der EMV-Vorgaben funktionieren. Ein-flüsse wie Feuchte, Betauung, Vibration- und Schockbelastungen gelten für die gesamte Brauchbarkeitsdauer, die in Bahnanwen-dungen zwischen 20 und 30 Jahren liegt. Beträgt die Einsatzdauer 16 Stunden pro Tag, ergeben sich bei 20 Jahren 116.800, bei 25 Jah-ren 146.000 und bei 30 Jahren 175.200 Betriebsstunden (bei 365 Tagen im Jahr). Die Herstellerangabe zur Gerätezuverlässigkeit MTBF (Mean Time Between Failure) trifft eine statistische Aussa-ge, mit wie vielen Ausfällen innerhalb der Brauchbarkeitsdauer zu
Die richtige Auswahl treffenWenn Preis, Leistung und Zuverlässigkeit bei Spannungswandlern zählen
Den passenden Stromwandler zu wählen, ist gar nicht so leicht. Grau Elektronik zeigt in diesem Beitrag anhand von Beispielen, welche Aspekte der Systementwickler vorab beachten sollte. Autor: Wilhelm Spiesz
rechnen ist. Für einen realistischen Vergleich sind die MTBF-Wer-te auf eine bestimmte Umgebungstemperatur (TU = +40 °C) bei gleichen Belastungen der Ausgangsleistung zu referenzieren.
Ein praktisches BeispielAusgewählt werden soll ein DC/DC Wandler mit 500 W Aus-gangsleistung für 72 V und 110 V Nennspannung. Hersteller A hat einen MTBF von 250.000 Stunden, Hersteller B von 500.000 Stun-den bei TU = +40 °C und Nennleistung. Die zu erwartende Aus-fallwahrscheinlichkeit lässt sich errechnen: ■ R = e-λt
Dabei ist R = Reliability, λ = Ausfallrate und t = Betriebszeit. Wei-terhin gilt: λ = 1/MTBF. Daraus folgt: ■ R = e-t/MTBF
Für die Fehlerrate F gilt: F = 1-R. Für eine Betriebsdauer über zehn Jahre ergibt sich somit eine statistisch errechnete Verfügbarkeit für Hertseller A: Betriebsdauer 10 Jahre, 16 Stunden am Tag, an 365 Tagen im Jahr bei einer MTBF von 250.000 Stunden: ■ R = e-10 · 365 · 16 / 250.000 = 0,7916.
Die Auswahl des geeigneten DC/DC- Wandlers hängt von vielen Gesichts-punkten ab.
Für DC/DC-Wandler gilt: Neben den Anschaffungskosten zählen auch die Lebenszykluskosten.
50_Grau Elektronik (rao).indd 50 16.04.2013 10:18:28
www.elektronikjournal.com
StromversorgungenWandler für die Bahn
Das bedeutet, dass für einen Zehn-Jahres-Zeitraum die Wahrscheinlichkeit der kor-rekten Funktion bei knapp 80 % liegt.
Für 20 Jahre ergibt sich laut Tabelle 1: Bei Gerätetyp A dürften 0,38 · 500 = 190 Stück in dieser Zeit ausfallen, bei Gerätetyp B sind es 0,21 · 500 = 105 Stück. Das ist bei-nahe die Hälfte weniger Ausfälle bei Her-steller B. Neben den Anschaffungskosten, sind auch die Lebenszykluskosten zu be-achten. Dazu zählen Gerätestückkosten und die Sekundärkosten wie Fahrzeugaus-fall und Wartungsaufwand.
EigenschaftenanalyseWoher stammen nun die zwei unterschied-liche Werte von 250.000 gegenüber 500.000 Stunden? Zum einen ist es das gewählte Schaltungsdesign, Dimensionierung und Auslastung der Bauelemente. Je höher der Wirkungsgrad des Wandlers, desto niedri-ger die Verluste und Verlustwärme.
Bei Al-Elkos gilt beispielsweise eine Hal-bierung der zu erwartenden Lebensdauer bei zehn Kelvin höherer Bauelementetem-peratur. Daneben sind Spannungs-, Strom- und Umgebungsbedingungen, Verarbei-tungsqualität bei der Herstellung als Fakto-ren, die die Brauchbarkeitszeit reduzieren, zu beachten. Um attraktive Preise zu erzie-len, geht der Trend zu Weitbereichswand-lern. Mit einem Gerätetyp lassen sich meh-rere Systemspannungen abdecken; höhere Stückzahlen sind erreichbar.
Damit die Ausfallrate nicht ansteigt, ist wichtig, dass die MTBF nicht absinkt, also der Wirkungsgrad auch bei niedrigeren Spannungen ebenso hoch bleibt. Da Strö-me mit kleinerer Spannung ansteigen, ist dies nicht leicht: ■ P = U · I → I = P / U.
Die Verluste steigen dabei quadratisch mit dem Strom: P = I² · R.
Auf der sicheren SeiteSchwierig ist die richtige Dimensionierung der Sicherung. Die Sicherung soll im Feh-lerfall schnell den Stromkreis trennen; sie darf aber nicht zu empfindlich sein, sonst gibt es beim Einschalten der Wandler Pro-
bleme. Beim Weitbereichswandler ver-schärfen sich die Anforderungen. Für ei-nen Wandler, unter der Annahme bei ei-nem konstanten Wirkungsgrad von 90 % mit PA = 500 W, ergeben sich die angegebe-nen Maximalströme (Tabelle 2).
Um Halbleiter zuverlässig zu schützen, sind flinke Sicherungen zu empfehlen. Da-mit sie nicht versehentlich ansprechen, ist ein Mindestbemessungswert 50 % über dem Maxstromwert anzusetzen. Im Fall 1 (Nennspannung UE = 110 V ±40 %) ergibt sich: 1,5 · 8,41 A = 12,6 A. Bei einem mög-lichen Fehlerstrom von 125 A (I / Irat = 10) würde die 12,5-A-Sicherung schnellstens nach zirka 1 ms, längstens erst nach 40 bis 50 ms trennen. Bei einem Fehlerstrom von 25 A (Faktor 2) dauert die Trennung min-desten 300 ms, längstens 1000 s. Folge: thermische Überhitzungen von Leiterbah-nen oder Bauteilen, was zu Entzündungen oder Lichtbogenbildungen führen kann. Beim Weitbereichswandler ist die Spann-weite weitaus größer. 1,5 · 12,86 A = 19,29 A. Es braucht hier eine 20-A-Sicherung; diese benötigt bei kleinen Fehlerströmen länger zum Auslösen. In diesem Stadium ist das Wissen von Schaltungsentwicklern und Sicherungsherstellern gefragt, um durch Legierungen die erforderliche Aus-lösecharakteristik zu erzielen.
Um ein zuverlässiges System zu bekom-men, reicht es nicht Wandler von der Stan-ge zu verwenden. Grau Elektronik berät Kunden, um unliebsame Überraschungen und Systemstörungen zu reduzieren. Ein etwas teurer Anschaffungspreis ist oft die preiswertere Variante. (rao)� n
Der Autor: Wilhelm Spiesz ist Technischer Leiter und Geschäftsführer der Grau Elektronik GmbH.
SPÜRNASE.Wir suchen die Nähe zu unseren Kunden. Persönlich. Aktiv. Vor Ort.
LABORSTROM-VERSORGUNGEN
HOCHLEISTUNGS-STROMVERSORGUNGEN
Delta ElektronikaSM3300-Serie
RegatronTopCon Quadro-Serie
Zeit Hersteller A Hersteller B
250.000 Stunden
R F 500.000 Stunden
R F
5 Jahre 29.200 0,89 0,11 29.200 0,94 0,06
10 Jahre 58.400 0,79 0,21 58.400 0,89 0,11
15 Jahre 87.600 0,70 0,30 87.600 0,84 0,16
20 Jahre 116.800 0,62 0,38 116.800 0,79 0,21
25 Jahre 146.000 0,56 0,44 146.000 0,75 0,25
Tabelle 1: Zahlen für Betriebs-stunden und Anzahl möglicher Ausfälle während der Laufzeit (Werte für 500 Geräte; Zahlen sind nach der zweiten Stelle gerundet).
PA UE IE
500 W 110 V 5,05 A
66 V 8,41 A
72 V 7,71 A
43,2 V 12,86 A
Tabelle 2: Für einen Wandler, der bei konstantem Wirkungs-grad von 90 Prozent mit PA = 500 W operiert, ergeben sich verschiedene Maximalströme.
Bilder: Grau Elektronik
50_Grau Elektronik (rao).indd 51 16.04.2013 10:18:30
StromversorgungenBahnanwendungenBi
ld fo
tolia
: kal
afot
o
Gleichspannungswandler, die in Bahnfahrzeug-Applika-tionen Einsatz finden, müssen die Anforderungen der europäischen Norm EN50155:2007 erfüllen. Diese defi-niert eine Reihe nomineller Batteriespannungen, die in
den besagten Anwendungen vorkommen können, mitsamt den möglichen Schwankungen und Unterbrechungen.
Die Nennspannungen sind 24, 48, 72, 96 und 110 VDC, jeweils mit einer Toleranz von -30 bis +25 Prozent. Bei Schwankungen darf die Spannung ihren Nennwert für die Dauer von einer Sekun-de um 40 Prozent überschreiten oder für 100 ms um 40 Prozent unterschreiten. Rechnet man alle Nennspannungen einschließlich der zulässigen Schwankungen ein, erstreckt sich der Bereich der möglichen Spannungen von 14,4 bis 154 V (nämlich von 24 V und 40 Prozent bis 110 V + 40 Prozent).
Zugkonform mit der NormEisenbahnnorm-Anforderungen an DC/DC-Wandler mit geringer Leistung
Die EN50155- und RIA12-Normen für elektronische Einrichtungen auf Bahnfahrzeugen gelten auch für Gleich-spannungswandler. Generell legen die beiden Eisenbahnnormen EN50155 und RIA12 den Bereich von Nenn-Eingangs-, Unter- und Überspannungen sowie Spannungsunterbrechungen für Ausrüstungen fest, die sich aus der Fahrzeugbatterie oder anderen Kleinspannungsquellen speisen. Murata zeigt im folgenden Beitrag, welche Herausforderungen sich dabei stellen. Autor: Paul Lee
Über den Tellerrand blickenDie Normen anderer Länder weichen hiervon ab. So liegen die no-minellen Batteriespannungen in den USA zwischen 37 und 74 V. In der RIA12-Norm des Vereinigten Königreichs sind Überspan-nungen von 1,5 x Un für eine Sekunde und 3,5 x Un für 20 ms zuläs-sig, und die französische Norm NF-F-01-510 toleriert Spannungs-einbrüche auf 12 V mit einer Dauer von 100 ms (Bild 1).
Laut EN50155 dürfen völlige Unterbrechungen der Spannung bis zu 10 ms (Klasse S2), beim Umschalten der Stromversorgung auch 30 ms (Klasse C2), dauern. Außerdem definiert die EN50155 Stromstöße, elektrostatische Entladungen und kurzzeitige Span-nungsspitzen gemäß der Norm EN50121-3-2. Einen Spannungs-wandler für eine oder mehrere Nennspannungen auszuwählen, ist keineswegs trivial. Herkömmliche Wandler, die einen Eingangs-
EN50155 und der RIA12. Der EMV-Filter, er entspricht der Norm EN50121-3-2, dämp� Störungen, die aus dem Gleichspannungs-wandler in die Quelle zurückgelangen aber er schwächt etwaige aus der Quelle kommende Spannungsspitzen und Bursts ab.
Da diese von relativ geringer Energie sind, lässt sich die Schaltung aus LC-Filtern und Spannungsbegrenzern wie Überspannungs-Schutzbausteinen auf Halbleiterbasis und Va-ristoren kon� gurieren. Der vorgeschaltete Regler muss die Überspannung von 3,5 x Un = 168 V mithilfe eines Längselements (wie eines Mosfets) auf einen niedrigeren Wert herabset-zen. Wegen der hohen Energie ist es nicht praktikabel, die Überspannung mit einem Par-allelelement zu begrenzen. Wenn man bei-spielsweise eine Überspannung von 168 V aus einer RAI12-konformen Quelle mit einer Im-pedanz von 0,2 Ω für eine Dauer von 30 ms auf sichere 70 V begrenzt, fällt im Begrenzerbau-stein eine Energie von 1000 Joule ab, bei einer maximalen Leistung von 34,3 W. Dem vorge-schalteten Regler muss somit eine sorgfältige
spannungsbereich von 4:1 abdecken, sind in der Regel für Spannungen von 9 bis 36 V oder von 18 bis 72 V vorgesehen. In der EN50155 kommen sie nur für Nennspannungen von 24 und 48 V in Frage, wobei kein Spielraum nach oben besteht, wenn man auch die 1-s-Über-spannung gemäß RIA12 miteinbezieht.
In beiden Fällen müsste man allerdings die von der RIA12 vorgesehene Überspannung von 3,5 x Un in einem vorgeschalteten Regler auf eine Spannung reduzieren, die für die Wandler unschädlich ist.
In der Praxis anwendbarBetrachtet man beispielsweise eine realistische Schaltung für ein System mit 48 V Nennspan-nung, die mit einem standardmäßigen Gleich-spannungswandler für einen Eingangsspan-nungsbereich von 18 bis 72 V bestückt ist (sie-he Bild 3), erfüllt sie die Anforderungen der
Stets gut versorgtDer Gleichspannungswandler RUW15 ist über den gesamten nominellen Eingangsspannungs-bereich hinweg kontinuierlich funktionsfähig und kann mithilfe eines kleinen, extern vom Anwen-der hinzuzufügenden Kondensators auch Span-nungsunterbrechungen bestimmter Länge – ab-hängig von der Kapazität des Kondensators – überbrücken.
infoDIREKT 241ejl0213
Auf einen Blick
Bild 1: Verschiedene Spannungsschwankungen für Batteriestromversorgungen von Bahnfahr-zeugen inklusive der Werte für die USA und die der französischen Norm NF-F-01-510 (links).
Bild 2: Die Ansicht eines RUW-Gleichspannungs-wandlers.
Bilder: Murata
• DC/DC-Wandler• medizinische Netzteile• Tisch- und
Der Autor: Paul Lee ist Director für Business Development bei Murata Power Solutions in Milton Keynes, United Kingdom.
Entwicklung zugrunde liegen, weil schon im Normalbetrieb eine gewisse Verlustleistung anfällt, die im Fall einer Überspannung auf 28 W ansteigt (bei einem 15-W-Gleichspannungswandler). Auch das Auswählen der Ausgangsspannung des Vorreglers ist für den Entwickler nicht unerheblich.
Sie muss einerseits so niedrig sein, dass sie für den Gleichspan-nungswandler unkritisch ist. Andererseits ist sie so hoch anzuset-zen, dass der Vorregler nicht schon im normalen Spannungsbe-reich aktiv wird und eine unnötige Verlustleistung abfällt.
Klein ist TrumpfDer Kondensator am Eingang des Gleichspannungswandlers dient der Überbrückung von Spannungsunterbrechungen am Eingang. Die Diode (D) entlädt den Kondensator zurück in die eingangssei-tige Spannungsquelle. Bei einem 15-W-Gleichspannungswandler mit 75 Prozent Wirkungsgrad, einer kleinen Eingangsspannung von 18 V und einer Unterbrechungszeit von 10 ms bei 48 V Nenn-spannung (nach Klasse S2) muss der Kondensator (C) eine Kapa-zität von etwa 220 µF innehaben. Seine Spannungsfestigkeit muss 100 V betragen, damit er die maximale Ausgangsspannung des Vorreglers einschließlich einer gewissen Sicherheitsmarge verkraf-tet (Kasten: Berechnung der Entladezeit).
Das Volumen dieses Kondensators von etwa 5 cm3 (wie der EEU FC2A221 von Panasonic ) entspricht ungefähr dem des Gleich-spannungswandlers (wie der UEI15 von Murata ). Soll man Unter-brechungen bis zu 30 ms überbrücken (Klasse C2), die beispiels-weise beim Umschalten von einer auf 0,7 x Un entladenen Batterie auf ein stabilisiertes Netzteil vorkommen können, ist ein sehr kost-spieliger Kondensator mit 1500 µF / 100 V) notwendig, dessen Vo-lumen rund 17 cm3 beträgt.
Alternativ lassen sich die RUW15-Gleichspannungswandler von Murata verwenden. Sie haben Ausgangsspannungen von 12, 24 und 5 V (jeweils mit 15 W Leistung). Wichtige Eigenscha� en der Serie sind der Eingangsspannungsbereich von 16 bis 170 V (peak), die aktive Überbrückungsfunktion und die verstärkte Isolation.
Die Wandler erfüllen die Nennspannungs- und Spannungs-schwankungs-Anforderungen der EN50155 für 24-V- und 48-V-Systeme und widerstehen Überspannungen von 3,5 x Un in 24-V-Systemen (NF-F-01-510). Mit externem Vorregler kombiniert, er-füllt die Serie außerdem die Anforderungen von Systemen mit 72, 96 und 110 V Nennspannung gemäß den Normen EN50155 und NF-F-01-510 sowie von US-Systemen mit Nennspannungen von 37 und 74 V.
Kein Vorregler nötigDas System mit 48 V Nennspannung (Bild 3) entspricht dem typi-schen 48-V-System, das mit einem herkömmlichen Wandler für einen Eingangsspannungsbereich von 4:1 bestückt ist. Der Unter-schied: Es ist mit der Serie RUW15 bestückt (Bild 4).
Der EMV-Filter ist der gleiche, aber auf den Vorregler lässt sich verzichten, da die Überspannung von 3,5 x Un in den Eingangs-spannungsbereich des Wandlers fällt. Der Stützkondensator ist nicht mehr mit der Eingangsquelle verbunden, sondern wird an einen speziellen Anschluss des Gleichspannungswandlers ange-schlossen und von einer internen Schaltung des Bausteins auf eine konstante Spannung von zirka 80 V geladen. Kommt es zu einer Spannungsunterbrechung oder bricht die Eingangsspannung un-ter ihren nominellen Mindestwert ein, übernimmt der Kondensa-tor automatisch und übergangslos die Versorgung. Ein Kondensa-tor mit 68 µF / 100 V reicht hier aus, um 10 ms dauernde Unterbre-chungen der Eingangsspannung (Klasse S2) zu überbrücken.
Ein solcher Baustein ist nur ein Drittel so groß wie der Konden-sator aus dem vorigen Beispiel. Noch deutlicher ist die Platzerspar-nis bei Unterbrechungen der Klasse C2. Hier benötigt man einen Kondensator von 220 µF / 100 V, der nur ein Sechstel so groß ist. Die Kapazität lässt sich bereits mit einem Array aus MLCCs (Mul-tilayer Ceramic Capacitors) implementieren, so dass man auf Elek-trolytkondensatoren verzichten kann. Diese haben nur eine kurze Lebensdauer und sind nur eingeschränkt zuverlässig. Auch die externe Diode (D) kann entfallen, da sie bereits in die Serie RUW15 integriert ist. Aber Achtung: es dauert einige Sekunden, bis der Stützkondensator nach einer Spannungsunterbrechung wieder aufgeladen ist. Unter Umständen ist diese aktive Überbrückungs-funktion nicht erforderlich (wie bei höheren Eingangsspannun-gen). Sie lässt sich weggelassen, was den Wandler etwas kosten-günstiger macht und den Wirkungsgrad im Betrieb erhöht.
Wenn Fläche auf Wirkungsgrad trifftBei großen Eingangsspannungsbereichen gibt es einen Zielkon� ikt zwischen Platzbedarf und Wirkungsgrad. Die RUW-Serie hat bei den nominellen Eingangsspannungen einen Wirkungsgrad von 75 Prozent. Sie ist mit der Fläche von 50 mm2 und Bauhöhe von 15 mm, gemessen an anderen 15-W-Wandlern recht groß. Jedoch kann die Platzersparnis durch den Wegfall des Vorreglers und des sperrigen Elkos dieses zusätzliche Volumen mehr als aufwiegen.
Zu den Vorteilen gehört ein DC-OK-Signal. Es kündigt einen bevorstehenden Einbruch der Ausgangsspannung mit einer Vor-warnzeit von einigen Millisekunden an, wenn eine Unterbrechung der Eingangsspannung länger dauert als die Norm es vorsieht. Die Isolationsspannung beträgt 4 kVAC und der Wandler besitzt ein ge-kapseltes Metallgehäuse, das mit den zusätzlichen Lötfahnen eine sichere mechanische Befestigung ermöglicht. (rao) ■
Auf die Formel kommt es anFormel zur Berechnung der Entladezeit in Sekunden (t) eines Konden-sators mit der Kapazität in Farad (C) von einer Spannung V1 auf eine Spannung V2 bei konstanter Leistung in Watt (P):
t = C / 2P ∙ (V12 – V2
2)
Berechnung der Entladezeit
Bild 3: Ein typisches 48-V-System, das mit einem herkömmlichen Wandler für einen Eingangsspan-nungsbereich von 4:1 bestückt ist.
Bild 4: Ein 48-V-System, das bei den selben Voraussetzungen mit einem RUW15-Wandler bestückt ist.
52_Murata (rao).indd 54 16.04.2013 10:20:15
www.elektronikjournal.com
StromversorgungenNeue Produkte
eine eingebaute On/Off-Funktion und einen 5 V / 0,3 A Standby-Ausgang, um eine Leistungsauf-nahme von weniger als 0,5 W im Leerlaufbetrieb zu erzielen. Die MSP-200-Serie reduziert mit ei-ner Einschaltstrom-Störfestigkeit von 300 V
AC für 5 s durch instabile Wechselstromnetze verursachte Schäden. Sie entsprechen den internatio nalen Sicherheitsvor-
Peak Electronics stellt die zwei AC/DC-Wandler PPM50 mit 50 W Leistung und PPM40 mit 40 W vor. Die Module haben einen Wir-kungsgrad bis zu 84 %; er ist ab-hängig von der Ausgangsspan-nung. Bislang umfasste die PPM-Serie neben einem 60 W-Wandler weitere Versionen mit einer Leis-tung zwischen 2 und 20 W. Je nach Typ liefern die PPM-Module eine Ausgangsspannung von 5, 9,
Tracopower erweitert seine DC/DC-Konverter um die kompakten Serien TEN-60N und TEN-60WIN. Sie liefern bei Abmessungen von 25 x 50 x 10 mm eine Ausgangs-leistung von 60 W. Über einen breiten Lastbereich erreichen sie einen Wirkungsgrad bis 92 %. Durch geringe Verlustleistung und die Komponenten sind die Wand-ler im Temperaturbereich von -40
Das MSP-200 (200 W) von Mean Well (Vertrieb: Schukat) hat einen Wirkungsgrad von 89 % und ar-beitet bei Temperaturen von +40 in voller Auslastung sowie bei Teillast bis +70 °C mit Konvekti-onskühlung. Die Bausteine benö-tigen niedrigen Leckstrom (klei-ner als 450 µA). Sie besitzen ei-nen integrierten aktiven PFC-Fil-ter, ein flaches 1U-Profil-Gehäuse,
AC/DC-Module mit 40 und 50 W Leistung
Immer schön im Stromfluss bleiben
Die primär getakteten kompakten DC/DC-Wandler PCMDS80 von MTM Power liefern eine Aus-gangsleistung von 80 W und ar-beiten nach dem Eintaktprinzip. Mit Transformator und sekundär-seitiger Längsdrossel wird eine galvanisch getrennte Ausgangs-spannung (12, 13,8, 24, 27,6 oder 48 V) erzeugt, die ein PWM nach dem Current-Mode-Prinzip regelt. Die Wandler haben drei Eingangs-
Kompakte DC/DC-Konverter
Einfach, klein und fein
12, 15 und 24 VDC. Ihr universeller Eingangsbereich reicht von 85 bis 264 VAC oder von 120 bis 370 VDC. Die AC/DC-Wandlerserie weist ei-ne geringe Standby-Verlustleis-tung von 0,5 W und einen niedri-gen Ripple & Noise auf. Ohne ex-terne Beschaltung wird ein elekt-rostatischer Schutz von 6 kV / 8 kV und eine Surge Pulse Group Class 4 erreicht. Darüber hinaus verfügen die Konverter über einen
bereiche und decken somit die gängigen Batterienetze mit 4, 36, 48, 60, 72, 80, 96 oder 110 V ge-mäß EN 50155 ab. Die Abmes-sungen mit Grundplatte betragen 119 x 100 x 40 mm3 und die der Kühlkörpervariante 119 x 115 x 65 mm3. Der thermoselektive Va-kuumverguss der Wandler sichert eine homogene Wärmeverteilung im Modul sowie eine Beständig-keit gegenüber Umweltbelastun-
Bild
: Pea
k El
ectro
nics
Bild
: MTM
Pow
er
Bild
: Tra
copo
wer
MERKMALE:• Echter 4-Quadrantenbetrieb• Quelle und Senke• Störungsfreier Nulldurchgang• Idealer Quellwiderstand• Ca. 0 Ohm im U-Betrieb• Hochohmig im I-Betrieb• Erprobte Zuverlässigkeit
bis +85° C einsetzbar und bis +50 °C ist keine zusätzliche Küh-lung notwendig. Mit einem optio-nalen Kühlkörper sind höhere Be-triebstemperaturen möglich (oh-ne Zwangskühlung). Die TEN-60N- und WIN-Konverter lassen sich extern ein- und ausschalten. Die Ausgangsspannung ist im Be-reich von ±10 % einstellbar. Die Versionen haben die Eingangsbe-
Bild
: Mea
n W
ell
Schaltnetzteil mit medizinischer Zulassung
Sicherheit wird groß geschrieben
DC/DC-Wandler für die Fahrzeug- und Bahntechnik
Mal richtig auf große Fahrt gehen
gen wie Schock, Vibration und Feuchte. Die Geräte sind leerlauf-fest und durch primär- und se-kundärseitige Leistungsbegren-zung kurzschlusssicher.
infoDIREKT 230ejl0213
schriften (Moop-Level) und dem EMI-Schutz der Klasse B.
infoDIREKT 259ejl0213
Kurzschlussschutz, einen Über-spannungs- und einen Über-stromschutz; sie zeigen außer-dem ein gutes EMV-Verhalten.
infoDIREKT 232ejl0213
reichen 9-18, 18-36, 36-75, 9-36 oder 18-75 VDC. Am Ausgang ste-hen 3,3 sowie 5 12, 15, 24 ±12 oder ±15 zur Verfügung.
Die aus Schalt- und Leitverlusten entstehende Verlustleis-tung eines Halbleiters wird normalerweise über einen Kühlkörper abgeführt. Um den thermischen Kontakt zwischen Modul und Kühlkörper zu erhöhen, kommen
Wärmeleitmaterialien wie Wärmeleitpasten oder Wärmeleitfolien zum Einsatz. Da beide Materialien aber eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, sollten Entwickler diese in möglichst ge-ringen Schichtdicken auftragen.
Denn es gilt: Je dicker die Schicht, desto höher der Temperatur-fall und desto höher die Sperrschichttemperatur. Um einen mög-lichst guten thermischen Widerstand (Rth) zu erzielen, stattet Vin-cotech seine Flow-Module mit einer Schicht aufgedrucktem Pha-se-Change-Material aus. Je nach Modulgröße und Typ können die Schichtdicke sowie das Muster variieren. Der dazu verwendete Siebdruckprozess gewährleistet eine sichere Applizierung sowie einen guten Rth.
Das Phase-Change Material (PCM) ist bei Raumtemperatur im festen Zustand. Damit gibt es keine speziellen Vorschriften wäh-rend des Transports, der Handhabung oder der Verarbeitung der Module. Das Material ist thixotrop; das heißt, dass das Material im flüssigen Zustand ohne Druck nicht fließt. Daher kann das Materi-al mit durch den Lötofen fahren. Bild 1 zeigt die Rückseite eines Flow0-Moduls mit einer aufgedruckten Schicht PCM.
Was dahinter stecktVerwendung findet das Phase-Change-Material Loctite PSX-Pm. Das Material hat den Vorteil, dass es sich mit einem Sieb oder einer Schablone auftragen lässt. Es wird im flüssigen Zustand aufgetra-gen und trocknet anschließend unter Temperatureinfluss. Das Ma-terial hat eine wesentlich höhere thermische Leitfähigkeit ge-genüber Standard-Wärmeleitpasten (Tabelle 1).
Durch den besseren Rth sinkt die Sperrschichttemperatur des Halbleiters. Bei diesem PCM handelt es sich um silikonfreies Material. Nachdem das Mate-rial getrocknet ist, lässt sich das Modul wie jedes andere verwenden. Seine besonderen Eigenschaften sind: ■ Eine schnelle und einfache Montage des
Moduls, ■ eine optimale Schichtdicke, ■ der verbesserte Rth und reduzierte
Bruchgefahr der DCB, ■ ein automatisierter Sieb-
druckprozess,
Ein anschmiegsames WesenPCM auf Power-Modulen als Alternative zu Wärmeleitpasten und -folien
Leistungsmodule mit aufgedrucktem Phase-Change-Material (PCM), bei denen das Material über einen Siebdruck-prozess in konstanter Schichtdicke aufgetragen wird, eignen sich zur thermischen Anbindung an den Kühlkörper. Vincotech beschreibt im folgenden Beitrag die Vorteile des PCMs und seinen Einsatz. Autor: Patrick Baginski
■ kein Risiko das Material zu verschmieren, ■ der feste Zustand des Materials bei Raumtemperatur, ■ das Verwenden des Standardlötprozesses ist möglich ■ und die Kompatibilität zu Modulen mit Press-fit-Kontakten.
Modellgenaue Anpassung Aufgedrucktes Phase-Change-Material lässt sich automatisiert mit-tels eines Siebdruckprozesses reproduzierbar auftragen. Es ist bei Raumtemperatur fest und wird erst ab Temperaturen über 45 °C weich und füllt die Zwischenräume. Dabei ist das Material thixotrop und fl ießt nur unter Druck. Ein wichtiger Punkt ist auch die Formsta-bilität, wenn das Modul durch einen Lötofen fährt. Selbst die Press-fi t-Kontakte bei Power-Modulen stellen kein Ausschlusskriterium für das Verwenden von Phase-Change-Material dar.
infoDIREKT www.all-electronics.de 237ejl0213➤ Halle 9, Stand 324
Auf einen Blick
Module mit aufgedrucktem PCMVincotech rüstet seine Flow-Module im Rahmen eines zusätzlichen Services mit aufgedrucktem PCM aus. Die Module sind UL-gelistet, womit auch das PCM automatisch der UL-Listung entspricht. Die Modullieferung erfolgt in Standard-Blister-Verpackungen, wo-durch die Rückseite des Moduls geschützt ist. Es emp� ehlt sich, die Module in den Blistern aufzubewahren. Ein Alterungse� ekt des Materials ist nicht bekannt. Das Material durchlief eine Reihe von Tests, wie den � ermal-Shock- und den High-Temperature-Sto-rage-Test, um die Langzeitstabilität zu sichern.
Die Bilder 2a und 2b (rechts oben auf der Seite) zeigen verschie-dene Muster und Abstände des PCMs auf der Rückseite eines Flow1-Moduls. Die kleinen aufgetragenen Dreiecke in den Ecken gelten als Passer-Markierungen, um den Einpressblock für Module mit Press-Fit-Kontakten auszurichten.
Umgang und Verhalten im BetriebDie Module lassen sich ganz normal, nach dem Löt- oder Ein-pressprozess, auf dem Kühlkörper montieren. Ein spezieller Ein-pressstempel ist bei Modulen mit Press-� t-Kontakten erforderlich. Dieser Block besteht aus einer Vielzahl von Sti� en, die nur partiell auf die Rückseite der DCB drücken. Ein � acher Block würde das PCM beschädigen. Die Verarbeitung des Moduls kann, wie in den gültigen Montagehinweisen beschrieben, erfolgen.
Der Unterschied zu Modulen mit Wärmeleitpaste besteht darin, dass sich die Anschraublaschen direkt mit dem vollen Drehmo-ment gegen den Kühlkörper schrauben lassen, da das Material bei Raumtemperatur fest ist. Während des ersten Betriebs des Moduls in der Applikation – bevor das Material aufgeschmolzen ist – liegt der Rth zwischen Sperrschicht und Kühlkörper zirka 10 bis 15 Pro-zent höher als im aufgeschmolzenen Zustand. Dies liegt zum Einen daran, dass das Material noch nicht groß� ächig zwischen Modul und Kühlkörper verteilt ist und sich zwischen den einzelnen Wa-ben noch Lu� be� ndet; zum Anderen daran, dass das PCM noch nicht die � nale Schichtdicke erreicht hat.
Der Autor: Patrick Baginski ist Field Application Engineer bei Vincotech in Unterhaching.
Bild 1: Das Modul ist mit einer Schicht PCM ausgestattet. Bild 2a und 2b: Nach dem Auftragen des PCMs entstehen Abstände und Muster.
Bild
er: V
inco
tech
Bild 3 (links): Der thermische Widerstand gegenüber der Kühlkörpertemperatur.
Tabelle 1: Die physikalischen und die thermischen Eigenschaften des Phase-Change-Materials.
Der leicht erhöhte Rth sollte jedoch kein Problem darstellen, da die Kühlkörpertemperatur unter 45 bis 50 °C liegt und noch genug Sicherheit bis zur maximal zulässigen Sperrschichttemperatur be-steht. Die Zeit, bis das Material aufschmilzt, ist eine Funktion aus Druck und Temperatur. Ein weiterer Faktor ist die Zeit, mit der sich die Temperatur ändert. Nachdem das Modul montiert ist, soll-te der Entwickler das System au� eizen.
Dies kann beispielsweise während des Burn-In- oder Run-In-Prozesses geschehen. Ab 45 °C wird das Material weich. Die Zeit ist so zu wählen, dass das Material genug Zeit hat, zu schmelzen und damit Unebenheiten zwischen Modul und Kühlkörper zu füllen, bis sich ein optimaler thermischer Widerstand einstellt. Ein weite-rer Schraubvorgang ist nicht erforderlich. Das PCM geht in den festen Zustand zurück, wenn die Temperatur unter 45 °C fällt. Je-des Über- und Unterschreiten dieser Temperatur führt zu einem Phasenwechsel. (rao) ■
Stromführungsschienen (Busbars) sind Energieautobah-nen: sie sichern den Stromfluss zwischen der Energiequel-le und den Kondensatoren, Widerständen, integrierten Schaltkreisen, bipolaren Transistoren oder kompletten
Modulen. In jüngster Vergangenheit leiden Busbars allerdings zu-nehmend unter den wachsenden Leistungsansprüchen. Immer hö-here Stromstärken werden verlangt, dabei kommt es parallel zu einer gesteigerten Belastung für die Schaltkreise, wodurch Wärme entsteht. Diese wird in den gängigen Printed Circuit Boards (PCB), durch diverse Schichten und Leiter geradezu eingeschlossen, was zu Schäden am Material führen kann.
Die Rogers Corporation entwickelte daher die Ro-Linx-Power-Circuit-Busbars. Die Modelle in der Ro-Linx-Busbars-Reihe sind von einem dünnen Isolationsfilm umhüllt. So lässt sich die durch elektrische Belastung entstehende Wärme einfach und schnell ab-geben. Dieses positive Thermal-Management der Power-Circuits führt zu einer Verdoppelung der Lebensdauer.
Auf das Material setzenDie maximale Dicke des Kupfers beträgt bei PCB lediglich 400 μm, wodurch sie nur bis zu einer Stromstärke von 100 A einsetzbar sind. Standard-Stromführungsschienen haben dagegen eine Kup-ferdicke von mindestens 800 μm und sind ab einer Stromstärke von 500 A rentabel. Dadurch ergibt sich eine Lücke zwischen 100 und 500 A, die weder PCBs noch Standard-Busbars optimal bedie-
nen können. Gleiches gilt für Kupferstärken zwischen 400 und 800 μm. Zum Überbrücken entwickelte Rogers die Ro-Linx-Power-Circuit-Busbars, die sich exakt in diesen Bereichen einsetzen las-sen. Damit sind sie zum einen eine Variante für die verstärkte Nachfrage nach höheren Stromstärken und sie richten sich zum anderen an der wachsenden Sensibilität für Energieeffizienz auf Grund steigender Preise aus.
Die Power-Circuits eignen sich für insbesondere für Elektro- und Hybridautos zur Elektrizitätsumwandlung, in Solarinvertern sowie in variablen Frequenzlaufwerken.
Integrieren von Planar-TransformernBetreffend ihrer 3D-Einsatzfähigkeit stoßen PCBs an ihre Gren-zen. Aufgrund ihres flachen Designs ist es teuer und aufwändig, sie mit zusätzlichen Komponenten auszustatten, weshalb diese Vari-ante der Stromführungsschienen nicht in großen Stückzahlen in die Produktion geht. Dies wäre elektrisch ineffizient. Die Busbars der Rogers Corporation sind auf 3D-Anpassungen ausgelegt.
Koen Hollevoet, Produkt Manager der Rogers Corporation in Gent, Belgien erläutert: „Die Ro-Linx-Power-Circuit-Busbar ist sozusagen ein All-in-One-Produkt, bei dem keine weiteren Ablei-terteile angebaut werden müssen. Dadurch können zusätzliche Verbindungen vermieden werden, die sonst Anschlussausfälle und Fehlerrisiken in der Produktion sowie bei der Anwendung begüns-tigen würden.“ Proportional zur Anzahl an Verbindungen lassen
Leistungsstark den Schienen nachThermal-Management verlängert das Leben von Stromführungsschienen
Die Nachfrage nach höheren Stromstärken hat kolossale Folgen: Verursacht durch die elektrische Belastung entsteht unerwünschte Wärme. Diese loszuwerden ist die hohe Kunst. Die Rogers Corporation stellt im folgenden Beitrag ihre Busbars als langlebige Alternative dazu und das Prinzip dahinter vor. Autorin: Julia Rummel
Bild
: Kur
t F. D
omni
k, p
ixelio
.de
Die Integration des hochleis-tungfähigen Planar-Transfor-mers in Busbars verbessert die Effizienz (unten).
Bild
: Rog
ers
Corp
orat
ion
Die Busbars sind 3D-anpass-bar und eignen sich auch zum Wellenlöten (oben).
Bild
: Rog
ers
Corp
orat
ion
Die Busbars sind eine energieeffiziente Alternative für höhere Stromstärken. Zu den
Applikationen zählen auch Elektro- und Hybridautos (rechts).
58_Rogers (rao).indd 58 16.04.2013 10:29:01
Thermal Management Stromführungsschienen
www.all-electronics.de
Vom Abgeben und ÜberlebenHohe Stromstärken belasten den Strom-kreis. Die Folge: unerwünschte Wärme ent-steht. Die Ro-Linx-Busbars sind clever kon-zipiert; sie hüllen sich in einen dünnen Iso-lationsfi lm ein. So können sie die Wärme schnell und einfach loswerden. Und diese Eigenschaft verhilft den Bausteinen außer-dem zu einem deutlich längeren Leben.
infoDIREKT 203ejl0213➤ Halle 9, Stand 348
Auf einen Blick
Die Ro-Linx-Power-Circuit-Busbarsbringen es auf eine vierzigährigeLaufzeit:
Koen Hollevoet ist als Produktmanager bei der Rogers Corporation in Gent, Belgien, tätig.
sich damit auch die Anzahl der Kontaktwi-derstände halten, was die Anzahl der Wär-mequellen und die Produktionskosten senkt. Das Gleiche gilt für die Anbindung der Stromführungsschienen an Hochleis-tungskomponenten. „Hier wird in der Re-gel verschraubt, was einiges an Arbeitszeit kostet. Power-Circuits können auch ma-schinell durch Wellenlöten verbunden werden“, erklärt Hollevoet. „Dies ist ein ausschlaggebender Kostenfaktor, der bei der Massenproduktion den Unterschied in der Wettbewerbsfähigkeit machen kann.“
In drei Dimensionen anpassbarDie 3D-Anpassbarkeit ermöglicht außer-dem das Integrieren weiterer Anwendun-gen innerhalb eines Stromkreises. „Dabei sind wir o� mit Herausforderungen wie
Die Autorin: Julia Rummel ist freie Redakteurin in München.
heißen Stellen auf Grund von Kontaktwi-derständen und extremen Stromdichten oder der begrenzten mechanischen Fläche konfrontiert. Diese treten dort auf, wo der Sekundär-Circuit mit der hohen Strom-stärke der Transformatoren an ein Circuit mit einer Stromstärke zwischen 100 und 300 Ampere angeschlossen werden muss, wie es o� in DC/DC-Wandlern von Elekt-rofahrzeugen geschieht,“ erklärt Koen Hollevoet . Es besteht die Möglichkeit, den Planar-Transformer im Ro-Linx-Busbar zu integrieren. Da der Wandler nicht aufge-schraubt oder gelötet werden muss, wird Kontaktverlust vermieden. Außerdem hat die Integration in den Power-Circuit wie-derum einen positiven E� ekt auf das � er-mal-Management des Transformators. Denn an sich ist der Transformator nicht ausreichend wärmeleitfähig. Erst durch seine Verbindung mit dem Power-Circuit und damit einer größeren Fläche wird die Kühlung der Konvektion unterstützt.
So begünstigen sowohl der Transforma-tor als auch die Power-Circuit selbst das gute Wärmemanagement, das die Lebens-dauer von Stromführungsschienen deut-lich verlängert und nicht zuletzt dafür sorgt, dass diese dabei so energiee� zient wie möglich arbeiten. (rao) ■
Einen Absatzmarkt sieht Rogers im Schienenver-kehrs, wo Busbars eine garantierte Lebensdauer von mindestens zwanzig Jahren haben müssen.
Bild
: Rog
ers
Corp
orat
ion
Bild
: Ral
ph T
hom
as, p
ixelio
.de
58_Rogers (rao).indd 59 16.04.2013 10:29:07
Thermal ManagementOptimierung der Platine
Da mobile Geräte heute immer mehr Strom aufnehmen, sehen sich die Entwickler dieser Produkte mit der Forde-rung konfrontiert, ein ebenso schnelles wie unkompli-ziertes Aufladen der Akkus zu ermöglichen. Das Wireless
Power Consortium (WPC) und der Qi-Standard haben die kon-taktlose, induktive Energieübertragung zu einer Realität gemacht. Wichtig ist dabei der eng gesteckte Wärmehaushalt der mobilen Systeme. Dieser setzt nämlich auch den Verlusten, die im Leis-tungsteil eines Wireless-Power-Empfängers in Form von Wärme entstehen, eine Grenze. Abhilfe bringt hier, den Ausgangsstrom der Wireless-Power-Module so weit abzusenken, dass sich die Ver-lustwärme im Rahmen hält. Allerdings bringt dies zwangsläufig eine niedrigere Laderate sowie längere Ladezeiten mit sich.
Es gibt verschiedene Techniken der thermischen Optimierung einer Leiterplatte für Qi-konforme Wireless-Power-Empfänger, die in die Klappe des Akkufachs eingebaut sind. Die Beschreibung der Design-Richtlinien und -Kompromisse hat das Ziel, die thermi-schen Rahmenbedingungen so zu verbessern, dass sich maximale Laderaten erzielen lassen.
Kennzahlen der thermischen PerformanceDieser Beitrag kennzeichnet drei Arten von Kennzahlen, die für die thermische Leistungsfähigkeit sorgen: Unter der thermischen Performance des Leistungs-ICs versteht sich die bei einer be-stimmten Ausgangsleistung am IC-Gehäuse gemessene Tempera-turzunahme gegenüber der Umgebungstemperatur. Die thermi-sche Performance der Leiterplatte ist die an einem Punkt auf der
Gut gekühlt lebt es sich längerEcht clevere Methoden zum Wärmemanagement von Wireless-Power-Empfängern
Eine kontaktlose induktive Energieübertragung ist wirklich nicht mehr Schnee von gestern. Deshalb ist die entstehende Wärmeableitung ein brandheißes Thema, das die Gemüter erhitzt. Texas Instruments stellt im folgen-den Beitrag Techniken zur thermischen Optimierung einer Leiterplatte für einen Qi-konformen Wireless-Power-Empfänger vor. Autor: Tony Antonacci
Platine gemessene Temperaturzunahme gegenüber der Umge-bungstemperatur. Bei der thermischen Performance des Mobilge-räts handelt es sich um den auf die Umgebungstemperatur bezoge-nen Temperaturanstieg an jenem Punkt, an dem der Benutzer wahrscheinlich mit dem Gerät in Kontakt kommt. Das heißt, an der Außenhülle. Diese Kennzahlen sind absteigend nach der Höhe der absoluten Temperaturzunahme geordnet.
Die erste Kennzahl ist also stets höher als die zweite, und die zweite ist immer höher als die dritte. Daraus folgt, dass zwischen allen Dreien ein Temperaturgradient existiert. Um eine gute ther-mische Performance zu erzielen, gilt es, die Temperaturgradienten und die Temperaturanstiege zu kontrollieren. Für den Konsumen-ten steht der dritte Wert an erster Stelle, doch der Designer ist für alle drei Werte verantwortlich.
Thermische Eigenschaften von SystemarchitekturenZubehörprodukte für die kontaktlose Energieübertragung müssen hinsichtlich ihrer Architektur so beschaffen sein, dass die Elektro-nik vom Mobilgerät getrennt ist und sich beispielsweise in der Klappe des Batteriefachs befindet.
Diese thermische Entkopplung der Wireless-Power-Platine von der Hauptleiterplatte des Geräts ist wichtig. Sie bedingt aber zwangsläufig eine flächige, nur wenig Höhe zulassende Implemen-tierung, was die thermische Performance unweigerlich beeinträch-tigt. Der Gradient zwischen den Kennzahlen eins und drei ist bei einer Zubehörlösung generell am geringsten; verglichen mit alter-nativen Architekturen. Die absolute Temperaturzunahme am IC-
Bild 1: Vergleich der thermischen Performance einer zweilagigen und einer vierlagigen Leiterplatte bei einheitlicher Verlustleistung.
Vom Einmaleins der KühlungWireless-Power, also die kontaktlose Energieübertragung, ist eine attraktive Möglichkeit zum Aufl aden mobiler Geräte. Es ist jedoch nicht immer einfach, die Erwärmung zu begrenzen. Mit den drei im Beitrag erwähnten Kenndaten können Designer verschiedene Methoden zum Ver-bessern der thermischen Eigenschaften ermitteln und in ihre Leistungsfähigkeit vergleichen.
infoDIREKT www.all-electronics.de 201ejl0213
Auf einen Blick
Gehäuse wirkt sich somit am stärksten auf die vom Anwender wahrgenommene Ober� äche aus. Bei anderen Architektu-ren, wie kontaktlosen Akkusätzen, ergeben sich ebenfalls thermische Probleme durch die beschränkte Leiterplattengröße, auch wenn das Temperaturgefälle zwischen den Kennzahlen eins und drei hier allgemein größer ist. In thermischer Hinsicht ist der Anstieg der Akkuzellen-Temperatur und nicht die Erwärmung des Punkts, an dem der Anwender mit dem Mobilgerät in Kon-takt kommt (Kennzahl 3) sehr wichtig. Die meisten Lade-ICs besitzen jedoch eine Temperaturreglerfunktion auf Basis eines NTC- oder PTC-Widerstands, so dass sich dieser Umstand einfach beherrschen lässt.
Als weitere Architektur ist das Einbin-den der Wireless-Power-Elektronik in die Hauptplatine des Mobilgeräts eine Option. In thermischer Hinsicht ist diese optimal. Restriktiv wirken sich hier die Akzeptanz auf dem Markt und die Mehrkosten für das Mobilgerät aus. Bevorzugung erfährt des-halb eine Zubehör- oder Modulvariante, damit die Mehrkosten der Konsument trägt, anstatt sich für diejenige Architektur zu entscheiden, die sich wegen ihrer ther-
mischen Performance emp� ehlt. Die ge-schilderten Techniken können alle be-schriebenen Architekturen nutzen.
Wegen bestehernder Architekturen steht in diesem Beitrag die Zubehörvariante im Vordergrund. Bei der endgültigen Ent-scheidung muss der Entscheider die ver-schiedenen thermischen Eigenscha� en miteinander vergleichen.
Richtlinien fürs LeiterplattendesignHalbleiterbausteine erfahren Weiterent-wicklung und ihr Integrationsgrad nimmt zu. Eine komplette Wireless-Power-Vari-ante lässt sich inzwischen auf einer Fläche von nur 75 mm² unterbringen. Dabei dür-fen die Entwickler den Zusammenhang zwischen der thermischen Performance und der Leiterplatten� äche jedoch nicht vergessen. Bild 2 illustriert die thermisch modellierte Beziehung zwischen Leiter-platten� äche und IC-Gehäusetemperatur bezogen auf eine bestimmte IC-Verlustleis-tung. Wichtig daran sind weniger die abso-luten Werte als der Verlauf der Kurve.
Das Verkleinern der Leiterplatte zieht ei-ne exponenzielle Zunahme der IC-Gehäu-setemperatur (Kennzahl 1) nach sich. We-
Bild 2: Der Anstieg der Gehäusetemperatur als Funktion der Leiterplattenfl äche bei einer bestimmten Verlustleistung.
www.elektronikjournal.com
powermodules.danfoss.com
Be certain you have the coolest solution in power electronicsIt cannot be stressed enough: effi cient cooling is the most important feature in power modules. Danfoss Silicon Power’s cutting-edge ShowerPower® solution is designed to secure an even cooling across base plates, off ering extended lifetime at no increase in costs. All our modules are customized to meet the exact requirements of the application. In short, when you choose Danfoss Silicon Power as your supplier you choose a thoroughly tested solution with unsurpassed power density.
Please go to powermodules.danfoss.com for more information.
gen des prinzipbedingten Temperaturgefälles zwischen dem IC-Gehäuse und der Kontaktstelle zum Anwender (Gradient zwischen den Kennzahlen eins und drei) nimmt Kennzahl drei proportional mit der von Kennzahl eins ausgewiesenen Performance zu.
Die Quintessenz hieraus lautet: Die thermische Performance ei-ner Wireless-Power-Variante wird zunächst durch die Größe der Leiterplatte diktiert. Abgesehen von den Abmessungen lässt sich die thermische Performance der Leiterplatte (Kennzahl zwei) auch durch die folgenden Parameter beim Platinendesign beeinflussen: die Stärke der Kupferkaschierung, die Zahl der Leiterplattenlagen und die Größe der Massefläche und Zahl der Vias (vertical inter-connect access, Durchkontaktierung). Die Leiterplatte lässt sich wie ein Kühlkörper betrachten: Die Wärmeleitfähigkeit und die Fläche, auf der sich die Wärme verteilt, haben direkten Einfluss auf die Performance. Vergrößern sich die Werte der Designparameter eins und zwei, bewirkt das bei unveränderter Leiterplattenfläche eine unmittelbare Verbesserung der thermischen Performance (Bild 1). In diesem Beispiel wird ein einheitliches Routing-Design mit einer 2-oz-Kupferkaschierung einmal für eine zweilagige und einmal für eine vierlagige Leiterplatte verwendet, wobei es sich bei den beiden zusätzlichen Lagen um Masseflächen handelt.
Die IC-Gehäusetemperatur ist bei der vierlagigen Variante – bei gleicher Verlustleistung – um 12 °C geringer. Deutlich zu erkennen sind die besseren thermischen Eigenschaften der Platine am Tem-peraturgefälle zwischen dem IC-Gehäuse und dem Rand der Lei-terplatte, also dem Gradienten zwischen den Kennzahlen zwei und drei. Der Gradient beträgt bei der vierlagigen Platine 8 und bei der zweilagigen Platine 20 °C. Die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte verbessert sich erheblich durch die zwei zusätzlichen Kupferlagen und die 2-oz-starke Kaschierung.
Um den Effekt zu nutzen, soll-te der Entwickler das Anbrin-gen von Vias zwischen den Masseflächen erwägen.Sinn-voll ist dies vorzugsweise nahe den Versorgungsspannungs- und Masse-Pins des ICs sowie im Bereich großer Kupferflä-chen. Speziell eine große Zahl Vias nahe den Masse-Pins des ICs verbessert den Wärme-transfer vom IC an die Masse-fläche. Die IC-Gehäusetempe-ratur sollte sich dadurch um 2 bis 3 °C senken lassen.
IC-Gehäuse und HitzeHeute haben Anbieter für Wi-reless-Power-ICs in erster Li-nie zwei Gehäuse im Portfolio, nämlich das Wafer-Chip-Sca-le-Package (WCSP) und das QFN-Package (Quad Flat No Lead). Während das WCSP-Gehäuse einen kleinen Foot-print besitzt, überzeugt das QFN-Gehäuse durch seine thermische Performance. Zu-nächst aber zu den Grundla-gen beider Gehäuse; aufgrund ihrer Strukturen haben sie eine
unterschiedliche thermische Performance. Das WCSP-Gehäuse basiert auf dem Flip-Chip-Prinzip. Hierbei liegt der Chip kopfüber auf der Leiterplatte und wird in dieser Position – mit dem Silizium-substrat nach oben – montiert. Die elektrischen Verbindungen zwischen Platine und Bauelement schafft der Hersteller mithilfe kleiner Lothöcker direkt zu den Pads auf der Leiterplatte, was eine kompakte Variante ergibt. Die QFN-Gehäusebefestigung erfolgt dagegen per Leadframe-Struktur an der Leiterplatte, während die Verbindungen zwischen den herausgeführten Pins und dem ei-gentlichen Chip mittels interner Bonddrähte entsteht. Diese kurze Beschreibung verdeutlicht, weshalb das WCSP-Gehäuse weniger Leiterplattenfläche benötigt. Nicht so trivial sind dagegen die Un-terschiede der thermischen Performance trotz identischer Chips.
Die Erklärung erschließt sich, wenn die bereits angesprochenen Prinzipien Anwendung finden (zum Beispiel das Maximieren der Wärmeausbreitungsfläche). Das QFN-Gehäuse besitzt eine als Po-wer-Pad bezeichnete wärmeleitende Fläche, über die sich das IC-Substrat mit der Massefläche verbinden lässt. Das Chipsubstrat wird mit einem als Die-Attach bezeichneten Materials auf dem Power-Pad befestigt. Das Die-Attach-Material kann zusätzlich wärmeleitend ausgeführt sein, um den Wärmeübergang zwischen beiden Flächen zu erleichtern. Diese Kombination sorgt dafür, dass die Wärme über eine große Querschnittsfläche von der Wär-mequelle an die Massefläche abfließen kann.
Anders ist es beim WCSP-Gehäuse: Da das Substrat hier wegen der Flip-Chip-Technik von der Leiterplatte abgewandt ist, ist keine effektive Wärmeausbreitung wie mit dem Power-Pad des QFN-Gehäuses möglich. Für die optimale Nutzung des Power-Pads, sollte man mehrere Masse-Vias direkt unterhalb des Power-Pad-Footprints anordnen. Um diese Erkenntnis experimentell zu un-
Bild 3: Die Wirkung eines dünnen Kühlkörpers zwischen der Leiterplatte und der Empfängerspule. Die Spule mit Kühlkörper (links) und ohne Kühlkörper (rechts).
§ Extrudierte, Druckguss- und Flüssigkeitskühlkörper
§ Riesige Profilauswahl, mit und ohne Clipbefestigung
§ Komplette CNC-Bearbeitung und Oberflächenveredelung
§ Thermische Simulationen und individuelles Kühlkörperdesign
§ Extrudierte, Druckguss- und Flüssigkeitskühlkörper
§ Riesige Profilauswahl, mit und ohne Clipbefestigung
§ Komplette CNC-Bearbeitung und Oberflächenveredelung
§ Thermische Simulationen und individuelles Kühlkörperdesign
Kühlung maßgeschneidert
www.contrinex.de
Halle 9Stand 241
termauern, entwickelte Texas Instruments zwei größere Evaluation-Module (EVMs), eines mit einem WCSP-Gehäuse und eines mit einem QFN-Gehäuse. Bild 2 zeigt die größere Leiterplattenfläche eine Sättigung der IC-Gehäusetemperatur. Diese nutzten die Entwickler, um die Leiterplattengröße als Variable experimentell zu isolieren. Auch weitere Parameter des Leiterplatten-designs, wie die Anzahl der Lagen oder die Stärke der Kupferkaschierung, hielten die Entwickler bei beiden Evaluation-Modu-len konstant, damit die Änderungen der thermischen Performance ausschließlich aus dem Gehäuse resultieren.
Flacher Kühlkörper sehr effektivIn einem Wireless-Power-Modul findet sich in der Regel eine Leiterplatte gemein-sam mit der Empfängerspule in einem flä-chigen Einbauraum. Die Leiterplatte kann sich deshalb nicht bis hinter die Spulen-baugruppe erstrecken, weil die Gesamtan-ordnung so zu dick wäre. Dadurch geht wertvolle Wärmeausbrei-tungsfläche verloren. Als Kompromiss bietet es sich an, einen fla-chen Kühlkörper – beispielsweise eine Folie von 0,1 mm Stärke) so hinter der Leiterplatte zu platzieren, dass sie sich bis hinter die Spulenabschirmung erstreckt. Die Versuchsergebnisse mit einer solchen Konfiguration zeigt Bild 3. Mit einem Aluminium-Kühl-körper verringert sich die IC-Gehäusetemperatur (Kennwert eins) um 16 °C. Der metallische Kühlkörper sollte nicht über das Ab-schirmmaterial hinausreichen, damit während der drahtlosen Energieübertragung kein magnetischer Fluss durch Kopplung mit dem ferromagnetischen Material entsteht. Die dadurch induzier-ten Wirbelströme haben eine übermäßige kontraproduktive Er-wärmung zur Folge. Durch einen wärmeleitenden Kleber zwischen Leiterplatte und Kühlkörper entsteht ein optimaler thermischer Kontakt zur Wärmequelle.
Drei gegen die WärmeDie beschriebenen Techniken, um die Erwärmung auf der Leiter-platte für einen Qi-konformen Wireless-Power-Empfänger zu be-grenzen, kommen möglicherweise nicht für jedes Design in Frage,
doch die dargestellten Prinzipien sind in jedem Fall zu beachten. Zum Beispiel mag es dem Entwickler anfangs attraktiver erschei-nen, eine Leiterplatte möglichst klein zu halten, damit sie in den beengten Einbauraum passt. Allerdings zeigt sich schnell, dass sich dadurch die thermischen Eigenschaften exponenziell verschlech-tern. Ist die Enscheidung über die Größe der Leiterplatten gefällt, muss der Entwickler außerdem weitere Parameter wie die Stärke der Kupferkaschierung und die Verwendung mehrerer Masselagen bedenken, um einen Kompromiss zwischen Kosten und Perfor-mance zu finden.
Möglicherweise ist ein dünner metallischer Kühlkörper der bes-te Mittelweg zwischen geringem Temperaturanstieg und kleinen Abmessungen. Unter dem Strich lässt sich damit eine Wireless-Power-Lösung realisieren, die in ihrer Laderate an die Leistungs-fähigkeit kabelgebundener Modelle heranreicht oder diese sogar noch übertrifft. (rao)� n
Der Autor: Tony Antonacci ist Systems Engineer bei Texas Instruments in Dallas, Texas, USA.
Bild 4: Der Anstieg der IC-Gehäusetemperatur, abhängig von der Ausgangsleistung für die Gehäuse bauarten WCSP und QFN.
Jenseits des DatenblattsDen optimalen Nutzen aus fortschrittlichen Wärmeleitmaterialien ziehen
Trotz verbesserter Energieeffizienz moderner Halbleiterbausteine von Leistungselektronik über Prozessoren bis zu Wandlern, fordern zunehmende Integration, hohe Bestückungsdichte auf Leiterplatten und kleine Gehäuse die Temperaturen innerhalb der Grenzen zu halten. Gap-Filler lassen sich dort sinnvoll einsetzen. Autor: Riaz Ahmed
Viele Techniken und Materialien stehen heute Entwicklern und Produktdesignern für die thermische Auslegung (das Thermal Design) eines Systems zur Verfügung. Thermi-sche Füllmaterialien (Thermal-Gap-Filler) ermöglichen
eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Gehäuse eines heißen ICs und einem Metallchassis oder Systemgehäuse.
Die Gap-Filler von Chomerics machen lüfterlose Designs mög-lich, die hohe Rechenleistung auf kleinem Raum bieten müssen, wie in tragbaren Geräten. Beim Einfügen des Materials in die Lü-cke zwischen Bauteil und Kühlelement verbessert das wärmelei-tende Material die thermische Leistungsfähigkeit, da die Luft be-seitigt wird, die sich normalerweise in der Lücke befindet. Um ei-nen Kühlkörper direkt auf der Bauteiloberfläche zu platzieren, können auch andere Wärmeleitmaterialien wie phasenverändern-de Materialien, Wärmeleitpasten oder thermisches Klebeband Verwendung finden, um den Wärmetransport zum Kühlelement zu maximieren.
Durch gute Eigenschaften große WirkungHeutige Wärmeleiter haben unterschiedliche Eigenschaften, da der Anteil des silikonbasierten Bindemittels zu den im Material ver-teilten wärmeleitenden Keramikpartikeln variiert. Aber Vorsicht: Ein höherer Partikelanteil erhöht zwar die Wärmeleitfähigkeit des Materials, allerdings geht man bei Weichheit und Anschmiegsam-keit einen Kompromiss ein. Es kann die gesamte thermische Leis-tungsfähigkeit in der Endanwendung beeinträchtigen.
Entwickler sollten daher wissen, dass eine effiziente Kühlung der Elektronik von der Leistungsfähigkeit des thermischen Systems abhängt und nicht nur von Datenblattzahlen, etwa der Wärmeleit-
Der Autor: Riaz Ahmed ist R&D Manager bei Parker Chomerics Europe in High Wycombe, UK.
fähigkeit des Materials. Wärmeleitfähigkeit ist eine Volumeneigen-schaft eines Materials und ist unabhängig von Faktoren wie Mate-rialgröße oder -form. Der thermische Widerstand eines Materials hängt von der Fläche und Dicke ab. Darauf kommt es an, wenn ein System entwickelt werden soll, das Wärme vom Bauteilgehäuse in ein Kühlelement wie ein Chassis oder Gehäuse ableiten soll.
Beim Berechnen des Wärmetransfers in einem Komplettsystem – vom Bauteilgehäuse, in und durch den Gap-Filler, bis hin zum Kühlelement – ist die gesamte Temperaturdifferenz proportional zur Summe aller thermischen Einzelwiderstände, einschließlich des Schnittstellenwiderstands zwischen den sich berührenden Oberflächen. Die Fähigkeit des Gap-Fillers zu fließen und sich an die Oberfläche zwischen Bauteil und Kühlelement anzupassen, ist entscheidend für eine gute thermische Leistungsfähigkeit und die Kühlung des ICs. Meist wird Druck angewendet, um das Benetzen und Verteilen zu begünstigen und den Kontakt zu den Oberflä-chen zu verbessern. Der Druck erhöht auch die Wärmeleitfähigkeit des Materials und verringert den thermischen Widerstand.
Die Wärmeleiteigenschaften des Materials unter erhöhtem Druck stehen im Datenblatt. Der Druck auf das Gap-Filling-Mate-rial kann bei der Gehäusemontage erfolgen, wenn dieses als Kühl-element verwendet wird. Ein härteres Material kann dabei aber einen übermäßigen Druck auf das Bauteilgehäuse oder die I/O-Pins ausüben und sich nicht genug auf der Bauteil- und Kühlkör-peroberfläche verteilen. Dies kann zu einem hohen Wärmewider-stand an der Schnittstelle führen. Die Folge: schlechtere Wärmeab-leitung. Ein weicheres Material mit besseren Benetzungseigen-schaften kann zur guten thermischen Leistungsfähigkeit beitragen. Für gutes Benetzen von rauen unebenen Oberflächen eignet sich Form-in-Place-Gap-Filler. Automatisches Auftragen erhöht in der automatisierten Fertigung die Produktivität.
Bei den zahlreichen Variablen, der Wärmeleitmaterialenvielfalt und den Montagetechniken ist eine wärmetechnische Analyse des gesamten Systems nötig. Diese sollte früh in der Produktentwick-lung erfolgen, denn Designänderungen werden im Laufe des Pro-jekts teurer, zeitaufwändiger und schwerer lösbar. Durch das Ana-lysieren der Leiterplatte lassen sich heiße Bauteile dort platzieren, wo effizientes Kühlen möglich ist. Dies kann komplexe wärme-technische Entwicklungsarbeit oder Änderungen des Leiterplat-ten-Layouts verhindern. Wichtig ist, sich früh mit Thermal De-signs zu beschäftigen oder sich vorab beim Hersteller zu informie-ren; es kann die Arbeit vereinfachen und beschleunigen. (rao)� n
infoDIREKT www.all-electronics.de 221ejl0213
Für raue und unebene Oberflächen eignet sich Form-in-Place-Gap-Filler.
Immer cool bleibenWärmemanagement-Lösungen für die Leistungselektronik
Der Heatmanagement-Spezialist Kunze Folien aus Oberhaching präsentiert sich dieses Jahr auf der PCIM mit einem neu gestalteten Design und erweitertem Port-folio. Als Komplettanbieter für maßge-schneidertes Wärmemanagement durch den integrierten Einsatz von Heatpad-Wärmeleitfolien, Likool-Kühlkörpern und Powerclip-Transistorklammern präsentiert Kunze Folien den Besuchern vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten seiner speziell auf die Leistungselektronik zugeschnitte-nen Lösungen. Neben der Einführung wei-terer neuer innovativer Heatspreader-Foli-en optimiert das Unternehmen sein Pro-duktangebot durch hochwärmeleitende Karbonhalbzeuge und Karbonfolien. Wei-tere Neuheiten runden das Produktspekt-rum des Heatmanagement-Spezialisten ab, beispielsweise hochwärmeleitende, einsei-tig und beidseitig haftende Heatpad-Folien aus den Bereichen der Thermo- und Softsi-likone mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis zu 5 W/mK. Sie sind auch mit Glasfa-serverstärkung und in unterschiedlichsten Dicken erhältlich.
Zudem demonstriert das Unternehmen erstmals in Zusammenarbeit mit dem Steinbeis-Transferzentrum STZ der Dua-len Hochschule Stuttgart einen neuentwi-ckelten Wärmeleitmessstand. Mit einer stationären Zylindermessmethode unter
Vakuum reprodu-zierbar wird nach ASTM D 5470-6 die Wärmeleitfä-higkeit von wärme-leitenden Folien ermittelt.
Der Komplettan-bieter für innova-tive Heatmanage-ment-Lösungen sieht sich damit bei den Zukunftstechnologien ganz vorne dabei. Geschäftsführer Wolfgang Reitberger-Kunze betont: „Alle Entwicklungen aus den unterschiedlichsten Bereichen der Leistungselektronik benötigen ein ausge-klügeltes Wärmemanagement, damit ihre optimale Leistung über die ganze Lebens-dauer gewährleistet ist.“ (lei)� n
infoDIREKT 504ejl0213 ➤ Halle 9, Stand 112
Kunze präsentiert unter anderem LED-Applikatio-nen mit LED-Pad im neuen Design.
Wolfgang Reitberger-Kunze: „Die Leistungs-elektronik benötigt ein ausgeklügeltes Wärmemanagement.“
Unverstärkte Pad TypenSBC-7 violettgrau 7 W/mKSBC-5 grau 5 W/mKSBC-3 grau 3 W/mKSBC rosa 1,5 W/mKWeiche, gelartige Pads mit einer Shorehärte von 2 - 10° - beidseitig haftendStärken 0,5 bis 5,0 mm
Glasgewebe Deckfolie PadsSB-V0-7 7 W/mKSB-V0-3 3 W/mKSB-V0YF 1,3 W/mKSB-V0 1,3 W/mKGlasgewebe Deckfolie und weiche, gelförmige Unterseite. Shorehärte 2 - 20°. Einseitig haftend bis klebend. Stärken 0,5 bis 5,0 mm
auch einseitig haftend - ohne zusätzlichen Kleber.
PCIM Nürnberg Halle 7 Stand 7-485
Pentair hat für raue, feuch-te und korrosive Indoor-Umgebungen die Kühlge-räteserie Mc-Lean-Proair entwickelt. Je nach Umge-bung sind sie pulverla-ckiert aus Stahlblech (IP56) oder in Edelstahl (IP66) ausgeführt. Mit optionalen Komponenten ausgestattet, eignen sich die Proair-Ge-räte auch für Outdoor-An-
wendungen. Die Kühlgeräte arbeiten mit dem umweltfreundli-chen Kühlmittel R134a mit robusten Kompressoren bei -40 bis +55 °C. Die Modelle sind mit 115, 230 und 460 V und Kühlleistun-gen von 400 bis 2000 W erhältlich. Waschbare, wiederverwendba-re Aluminiumfilter unterstützen die Kühlleistung. Die schwenkba-re Frontabdeckung ermöglicht einen schnellen Zugang zu allen Komponenten. Die Lamellen des Verflüssigers lassen sich reini-gen, während die Einheit im Gehäuse montiert ist. Ausgerüstet mit einem optionalen Funktionsstörungspaket ist eine frühzeitige Alarmierung wie bei Ventilatorausfall oder verstopftem Filter möglich. Die Montage der Kühlgeräte an der Außenwand eines Schaltschrankes ist einfach. Die Geräte sind nach CE, UL, NEMA und GOST zertifiziert. (rao) n
infoDIREKT www.all-electronics.de 236ejl0213
Bild
er: K
unze
Fol
ien
Glitzernde WinterfreundeSchaltschrank-Kühlgeräte
Die kompakten Proair-Kühlgeräte gibt es auch als Edelstahlvariante.
Stromausfall in Hannover: 15.000 Haushalte saßen im Dunkeln – so lautete die Schlagzeilen im Sommer 2011. Die Ursache war unscheinbar: Ein bereits vor einiger Zeit ausgefallener Elko hatte eine Schaltbaugruppe lahmgelegt
und bei einer Unstabilität im Stromnetz schließlich zum Blackout geführt, weil eben jene Baugruppe falsch reagierte. Ein Beispiel, zu welchen Konsequenzen ein Kondensatorausfall führen kann, der mit der Wahl eines geeigneteren Leistungskondensators unwahr-scheinlicher gewesen wäre: Ein Folienkondensator ist deutlich langzeitstabiler, gerade bei hoher Belastung.
In Anlehnung an diesen Vorfall zeigt dieser Beitrag, dass hinter einem Kondensator mehr steckt, als nur seine Kapazität. Für das allgemeine Verständnis werden typische Einsatzfelder von Folien-kondensatoren und der allgemeine Aufbau von zylindrischen Foli-enkondensatoren erläutert. Die korrekte Auswahl eines geeigneten Kondensators bedingt die Berücksichtigung einiger Aspekte, die man vielleicht auf den ersten Blick vernachlässigt. Dieser Artikel greift daher relevante Aspekte auf und diskutiert Inhalte wie Ein-satz- und Betriebsbedingungen des Kondensators und den Zusam-menhang zwischen Lebensdauer und FIT-Rate. Abschließend er-folgt die Diskussion von Vorteilen von Folienkondensatoren ge-genüber Elkos.
Aufbau und elektrische EigenschaftenDer klassische zylindrische Folienkondensator ist immer noch die zuverlässigste Bauform, da hier im Unterschied zu flachgepressten oder ovalen Wickeln keine Quetschungen mit Dielektrika-Schwä-chung auftreten und auch die Kühlung einfacher ist als bei einem
Kühle BecherFolienkondensatoren für leistungselektronische Applikationen
Große Kapazitäten, hohe Ströme und Spannungen? Da sind klassische trockene Kondensatoren zuverlässige Arbeitspferde, deren richtige, kostensparende und Leistung-sichernde Dimensionierung Hy-Line Power Compo-nents im folgenden Beitrag erläutert. Autor: Kai Asmacher
Array prismatischer Bausteine. Der Zylinder setzt sich aus zwei Lagen flächenförmiger Elektroden zusammen, die mittels eines Dielektrikums aus Kunststofffolie isoliert sind. Diese Anordnung ist auf einen Wickelkörper aufgerollt und wird an den Stirnseiten kontaktiert (Bild 2). Das erzielt eine niederinduktive elektrische Kontaktierung des Wickels mit zugleich hoher Strombelastbarkeit. Der Füllstoff besteht aus Isoliergas, Polyurethanharz oder biolo-gisch abbaubarem Pflanzenöl. Er schützt den Wickel im abgedich-teten Kondensatorgehäuse vor Korrosion und Alterung.
Die Kapazität wird maßgeblich durch das Dielektrikum und die verwickelte Fläche bestimmt. Die grundlegenden Zusammenhän-ge zur Kapazität lassen sich anhand eines Plattenkondensators ver-deutlichen. In Abhängigkeit der drei Parameter ε, A und d ergibt sich die Kapazität C = ε · A / d. Dabei bezeichnet A den Flächenin-halt der von den Elektroden eingeschlossenen Fläche, d den Ab-stand der Elektroden zueinander und ε die Dielektrizitätskonstan-te. Die Kapazität wird demnach durch die Wahl des Dielektrikums und durch die mechanischen Abmaße A und d beeinflusst.
Demnach existieren mehrere Freiheitsgrade für das elektrische und mechanische Design eines Kondensators. Hierbei verfolgt je-der Hersteller seine eigene Philosophie; das Unternehmen Electro-nicon präferiert beispielsweise den Aufbau von kurzen und dicken Kondensatoren: in einem kurzen Wickel entstehen dank des kür-zeren Stromweges geringere Verluste, während der größere Durch-messer eine höhere Stromaufnahmefähigkeit begünstigt.
MKP-FolienkondensatorenDie Trägerfolie von MKP-Folienkondensatoren besteht aus Poly-propylen und wird in der Regel unter Vakuum mit einem Mix aus Zink und Aluminium bedampft. Das Polypropylen dient als Träger für die aufgedampfte Elektrode sowie als Dielektrikum. Electroni-con besitzt eine eigene Bedampfung, wodurch ein hoher Qualitäts-standard gesichert ist und zugleich durch optimierte Herstellungs-prozesse ein verlustarmes, zuverlässig selbstheilendes und langle-biges dielektrisches System hergestellt wird. Die Überprüfung der Einsatzfähigkeit eines Kondensators in der Zielapplikation erfor-dert sowohl die Betrachtung des elektrischen Spannungs- und Stromprofils am Kondensator, als auch die Berücksichtigung von mechanischen und thermischen Randbedingungen.
Für das elektrische Belastungsprofil sind die Effektiv- und Spit-zenwerte von Spannung und Strom, sowie die Häufigkeit und Dau-er während der Betriebszeit relevant. Zudem muss der Anwender die Flankensteilheit der Spannungsänderungen und die Strom-stoßbelastung berücksichtigen. Zulässige Überspannungen liegen für Polypropylenkondensatoren bei 1,1…1,5 UN, wobei dazu Häu-figkeiten im Bereich von 30 % der Betriebszeit bis zu 100 ms bezie-hungsweise bis zu 1000 Mal zugelassen sind (IEC61071). Ein Ver-gleich der elektrischen Anforderungen mit den Angaben in den
Bild 1: Die Electroni-con-DC-Leistungs-kondensatoren PK16/E50.
Die Applikation entscheidet esDie typischen Einsatzfelder von AC- und DC-Folienkondensatoren er-strecken sich über einen weiten Leistungsbereich. Diese Konden-satortypen werden überwiegend in technischen Systemen eingesetzt, in denen elektrische Energie kurzzeitig gespeichert, schnell aufge-nommen oder abgegeben werden muss. Die Auswahl des optimalen Kondensators erfordert allerdings genaue Kenntnis der Applikation. AC-Kondensatoren werden auch bei nichtsinusförmigen Spannungen und impulsförmigen Strömen eingesetzt; beispielsweise als Bedämp-fungskondensatoren in Verbindung mit Widerständen zur Dämpfung von Spannungsspitzen von Halbleitern, als Kommutierungskondensa-toren in Thyristorschaltungen, in Filterkreisen als Oberwellen-Saugfi l-ter oder als Stoßentladungskondensatoren in Röntgen- oder Magneti-sierungsanlagen. DC-Kondensatoren werden wiederum überwiegend in Spannungszwischenkreisen von Umrichtersystemen zur Glättung von überlagerten Wechselspannungsanteilen und Ripple-Strömen eingesetzt. Weitere typische Anwendungen sind Motorsteuerungen, USV-Anlagen, Photovoltaik-Wechselrichter und HGÜ (Hochspannungs-gleichstromübertragung).
infoDIREKT www.all-electronics.de 254ejl0213➤ Halle 9, Stand 549
Auf einen Blick
Datenblättern des jeweiligen Kondensators muss statt� nden. Des Weiteren sollten die klimatischen Betriebsbedingungen wie Umge-bungstemperatur, Lu� feuchtigkeit oder auch die mechanische Be-anspruchung, Einschränkungen beim verfügbaren Bauraum oder besondere ökologische Anforderungen Berücksichtigung � nden. Genaue Kenntnis sowohl der Applikation als auch der physikali-schen Umgebungsbedingungen sind designrelevant und müssen bei der Auswahl stets mit ein� ießen.
Validierung je nach Einsatz- und BetriebsbedingungenIst die benötigte Kapazität für die Zielapplikation bekannt und ein geeigneter Folienkondensator unter Berücksichtigung des Span-nungs- und Strompro� l ausgewählt, � ndet eine Überprüfung und Validierung des Kondensator hinsichtlich der Verlustleistung und thermischen Belastung statt. Das Betrachten der Verlustleistung unter thermischen Betriebsaspekten ist auf Grund von Verfügbar-keits- und Ausfallbetrachtungen relevant. Aus diesem Grund hier eine Kurzdarstellung des Zusammenhangs zwischen Verlustleis-tung und Temperatur am Kondensator: Die Hotspot-Temperatur θHotspot beschreibt die höchste Temperatur im Inneren des Konden-sators. Üblicherweise bildet sich ein Hotspot bei etwa 2/3 der Kon-densatorhöhe aus.
Die messtechnische Erfassung dieser Temperatur ist im norma-len Betrieb nicht möglich. Unter Berücksichtigung der Umge-bungstemperatur θU schätzt man die Temperatur im Kondensator-inneren mit θHotspot = θU + ∆T ab. Der Temperaturunterschied ∆T zwischen θHotspot und θU lässt sich mittels des Wärmewiderstandes
Rth des Kondensators und der Kondensatorverlustleistung PV zu ∆T = Rth · PV bestimmen. Die Verlustleistung besteht im einfachs-ten Fall aus den ohmschen Verlusten PVR und den dielektrischen Verlusten PVD, die sich zu PV = Û2 · π · f0 · C · tan δ0 + I2
e� · RS erge-ben. Dabei bezeichnt Û den Scheitelwert des Wechselspannungs-anteils, f die Frequenz, tan δ0 den Verlustfaktor, Ie� den E� ek-tivstrom und RS den Serienwiderstand des Kondensators.
Lebensdauer versus FITDie FIT-Rate (Failures In Time) beschreibt die Ausfallwahrschein-lichkeit eines Bauteils während eines bestimmten Betrachtungs-zeitraums unter de� nierten Betriebsbedingungen. Die Ausfall-wahrscheinlichkeit ist eine statistische Größe auf Grundlage der Normalverteilung, womit sich das statistische Ausfallrisiko wäh-rend der Nutzungsdauer abbilden lässt. Dieser Ansatz betrachtet
Lötzener Straße 3 D-28207 BremenTelefon +49-421-499720 Fax [email protected]
Bauteile für die LeistungselektronikKompetenz aus einer Hand
+++ PCIM +++ HALLE 9, STAND 327 +++ PCIM +++ HALLE 9, STAND 327 +++
Kompetenz aus einer Hand
Bild 2: Der Aufbau eines Folienkonden-sators.
Bild
er: E
lect
roni
con
66_Hy-Line (rao).indd 67 16.04.2013 10:40:26
www.elektronikjournal.com
Passive und E-MechanikFolienkondensatoren
INDUKTIVITÄTEN
BLUME ELEKTRONIK DISTRIBUTION GMBH [email protected] l WWW.BLUME-ELEKTRONIK.DE
KOSTENLOSER MUSTERSERVICE
par
tner
ship
in
exc
elle
nce
Common Mode
ChokeTRANSTEK
Planar InduktivitätTRANSTEK
SMD Power InductorTAIYO YUDEN
SMD
Common
TRANSTEKTRANSTEK
AZ_86x62_200313_pfad.indd 1 20.03.2013 14:39:09
eine gewisse Losgröße und beschreibt letztendlich die Worst-Case-Ausfallwahrscheinlichkeit während der Nutzungsdauer dieses Lo-ses. Der Parameter FIT berechnet sich mit FIT = λ · 109, wobei λ die Ausfallrate beschreibt. Der MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) gibt den Kehrwert der Ausfallrate (MTBF = 1 / λ) an. Die Anzahl der nach t funktionsfähigen Bauteilen N wird mit der For-mel N = N0 · e
-λt bestimmt, wobei N0 die Losgröße zum Zeitpunkt t = 0 und t die Betriebsstunden bezeichnet. Das Ausfallrisiko hängt maßgeblich von der Betriebsspannung und der Hotspot-Tempera-tur ab. Die resultierende FIT-Rate lässt sich logarithmischen Dia-grammen (Bild 3) entnehmen.
Das Diagramm verdeutlicht den Zusammenhang zwischen FIT-Rate, Betriebsspannung und Hotspot-Temperatur. Dementspre-chend ist die gezielte Beeinflussung der FIT-Rate durch Variation der Betriebsbedingungen möglich. Eine von 50 bedeutet zum Bei-spiel, dass beim Betrieb von 10.000 Kondensatoren mit einem Aus-fall von maximal 50 Kondensatoren über eine Betriebszeit von 100.000 Stunden (also 109 Bauelementestunden) zu rechnen ist – Betrieb bei Nennspannung und einer Hotspot-Temperatur von maximalen 70 °C vorausgesetzt. Diese FIT-Rate gilt für einen defi-nierten Betrachtungszeitraum (Electronicon betrachtet normaler-weise 100.000 Stunden) und kann danach ansteigen. Sie trifft dabei weder eine Aussage über den zu erwartenden Zeitpunkt der Aus-fälle, noch über die Gesamtlebensdauer des betrachteten Loses.
Mit Elektrolytkondensatoren ist eine relativ große Kapazität bei geringen Kosten realisierbar. Demgegenüber stehen Nachteile wie: geringe Toleranz gegenüber Überspannungen und Stromüberlas-tung, hoher ESR und so eine hohe Verlustleistung, hohe Leckströ-
me, Gefahr von Austrocknung und hohe Kapazitätstoleranzen. Somit ist in vielen Applikationen der Einsatz von Folienkondensa-toren vorteilhaft. Ihre Zuverlässigkeit, geringe FIT-Rate, lange Le-bensdauer, kompakte Bauform und niederinduktiver Anschluss bringen kommerzielle und technische Vorzüge mit sich. Durch die hohe Wechselstrombelastungsfähigkeit von Folienkondensatoren lässt sich der Ersatz von Elkos in den überwiegenden Fällen mit einer deutlich geringeren Kapazität realisieren, wodurch sich sogar Platz- und Kostenvorteile ergeben können.
Die von Elkos bekannte Reihenschaltung zum Erhöhen der Spannungsfestigkeit und die zugleich benötigte Symmetrierschal-tung zur Spannungsaufteilung können entfallen, da Folienkonden-satoren direkt bis in den kV-Bereich in der benötigten Nennspan-nung verfügbar sind. Somit resultiert eine deutliche Minimierung des Schaltungsaufwands. Sollte die Kapazität eines einzelnen Kon-densators nicht ausreichen oder eine höhere Strombelastbarkeit gefordert sein, ist eine Parallelschaltung möglich.
Vorteile gegenüber ElkosZusammenfassend ergeben sich diverse Vorteile: höhere Span-nungsfestigkeit (Elkos zirka 450 V, MKP bis zu 50 kV), höhere Stromfestigkeit (bis zu fünf Mal höher, Elko: Irms ≈ 20 A/mF versus MKP: Irms ≈ 100 A/mF), Minimierte Verlustleistung (Poly-propylenfolie: tan δ = 2 · 10-4 und geringer Serienwiderstand RS), erhebliche Verringerung der Eigeninduktivität, niedrige Produkti-onstoleranzen (bis zu ±5 gegenüber ±20 %), Eliminieren der Sym-metrierwiderstände bei Reihenschaltung, geringe Temperaturab-hängigkeit der Kapazität, hohe Durchschlagsfestigkeit (Polypropy-lenfolie bis zu 650 V/µm), Temperaturbereich von -40 bis +85 °C, hohe Zuverlässigkeit (50 FIT bei 70 °C Hotspot-Temperatur, gerin-ge Wartungskosten) und ein selbstheilendes Dielektrikum.
Die Auswahl eines geeigneten Folienkondensators muss auf Grundlage der Kondensatoreigenschaften und der applikations-spezifischen Randbedingungen erfolgen. Dabei ergeben sich einige Freiheitsgrade für Entwickler hinsichtlich der Kondensator-Aus-wahl, so dass elektrische- und mechanische Anforderungen sowie die gewünschte Lebensdauer erfüllt werden. Die Hy-Line Power Components bietet Applikationssupport und unterstützt bei der Auswahl geeigneter Folienkondensatoren. (rao)� n
Der Autor: Kai Asmacher ist Field Application Engineer bei Hy-Line Power Components in Unterhaching bei München.
Bild 3: Logarithmisches Diagramm zur Bestimmung der FIT-Rate.
Rennwagen und TraktorHochstrom-LeiterplattenDer österreichische Leiterplattenhersteller Häusermann bestückt mit HSMtec sowohl Rennboliden als auch Traktoren: Semikron verwendet die Platinentechnik HSMtec für seine Baugruppe MCB (Multi-Converter-Box), den IGBT-basierten Mehrfachum-richter für Anwendungen in Nutzfahrzeu-gen und Traktoren. Bei hohen Strömen drosselt HSMtec die Hitzeentwicklung zü-gig auf zulässige Partial- und Systemtem-peraturen. Die integrierten Kupferelemen-te stemmen Ströme von bis zu 500 A.
Im Elektro-Rennwagen Max-Wheel der Technischen Universität Graz sind 84 Li-thium-Polymer-Batteriezellen mit 20 Ah Nennkapazität und einem Gesamtgewicht
von 48 kg verbaut. Um einen effizienten Ladevorgang zu ge-währleisten, ist es nötig, die Spannung zwischen den einzel-nen Zellen zu mes-sen und elektronisch auszuwerten. Die Kombination von Ansteuerungs- und Sig-nalverarbeitungstechnik mit Leistungs-halbleitern auf einer Leiterplatte stellt auch in der Elektromobilität eine Herausforde-rung dar. Neben den Anforderungen an Platz und Gewicht gilt es hohe Ströme zu bewältigen und gleichzeitig für rasche Ab-wärme zu sorgen.
Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das massive Kupfer – sei es als Profil oder in Drahtform – in die Leiterplatte integ-riert. Das sorgt für schnelle Abwärme, oh-ne dass die Leistungsbausteine heißlaufen. Auch lassen sich mit HSMtec große Quer-schnitte für Entwärmungen mit sehr feinen Strukturen kombinieren. (lei) n
Häusermann zeigt an seinem Messestand Demonstratoren, die anschaulich die Funktions-weise von HSMtec zeigen.
Christoph Jarisch ist Geschäftsführer bei Häusermann in Gars am Kamp, Österreich.
Bild
er: H
äuse
rman
n
Für den Einsatz in rauen Umgebungen eig-net sich das Hand-Terminal von OKW. Die ergonomische Form ermöglicht festen Halt bei der Bedienung – auch mit Handschu-hen. Die Platzierung des Batteriefachs in der Mitte der Hand-Terminals sorgt für Gewichtsverteilung und unterstützt den Tragekomfort. Als Material kommt ein schlagzähes Blend PC+ABS (UL 94 V-0) zum Einsatz. Das Terminal ist dicht nach IP 65, mißt 220 x 120 x 65 mm und ist in zwei Ausführungen erhältlich: mit ge-schlossenem Oberteil oder Aussparung für Aluminium-Frontplatten. Dies ermöglicht eine komplette Vormontage der Elektronik auf der Frontplatte.
Die Gehäusereihe Carrytec gibt es in den drei Größen von 222 x 205 x 80 mm (S), 270 x 247 x 91 mm (M) und 348 x 303 x 117 (L) mm. Sie sind mit Tragegriff und einer für User-Interfaces nutzbaren Fläche aus-
Robuste und mobile GesellenOutdoor-Gehäuse zur Datenerfassung
gestattet. Für rutschsicheren Halt sorgt ei-ne weiche Einlage aus TPE im Griff. Die Gehäuse mit oder ohne Batteriefach in der Schutzart IP 65 bestehen aus verstärktem, schlagfestem Kunststoff ASA+PC (UL 94 V-0), der UV- und Wärmeformbeständig-keit aufweist. Durch ihre chlor-, brom- und antimonfreie Brandschutzausrüstung er-füllen die Gehäuse die Umweltrichtlinien wie RoHS und REACH. (rao) n
infoDIREKT 262ejl0213
Die mobilen Geräte dienen zum Erfassen, Steuern und Übertragen von Daten im Außenbe-reich.
Ob für die Fertigung großer Zahnkränze für moderne Windenergieanlagen, Lenkungszahnstangen und Ge-lenkwellen für den Automobilbau oder große Kurbelwel-len für Schi� sdiesel: Einer der Hersteller für das Härten
und Erwärmen dieser hochbelastbaren Bauteile ist SMS Elotherm. Wie im Anlagenbau üblich, fertigt das Unternehmen kundenspezi-� sche Anlagen, in denen es die benötigten Module individuell zu-sammenstellt. Für eine sichere Kabelführung durch diese Großma-schinen setzt der Anlagenbauer Kabelkanäle aus Stahl oder Edel-stahl in verschiedenen Querschnitten ein, wie sie sich im Produkt-portfolio von P� itsch be� nden. Diese Kanäle vor Ort selbst zusammen zu bauen, ist SMS Elotherm zu aufwändig: Maschine für Maschine ausmessen, Kabelkanäle aus Standardteilen per Hand ablängen und die Kabelführung Stück für Stück zusammen-
Wege, die sicher zum Ziel führenEinbaufertige Kanal-Konfektionen stehen für Qualität, Terminsicherheit und Kostentransparenz
Bisher wurden Kanäle zur sicheren Kabelführung meist von Hand gefertigt. Aber längst gibt es Unternehmen, die Kabelkanäle auf Maß konfektionieren und einbaufertig liefern. Pfl itsch und SMS Elotherm zeigen im folgenden Beitrag, wie das aussehen kann und welche Vorteile sich ergeben. Autor: Walter Lutz
Futter fürs SparschweinEin Kanalprogramm, kombiniert mit einem Konfektionierservice, ver-einfacht das Handling und die Montage für den Kunden. Ein angeneh-mer Nebeneffekt ist, dass sich Zeit und damit auch Kosten einsparen lassen.
infoDIREKT www.all-electronics.de 244ejl0213
Auf einen Blick
bauen passt nicht zum Optimierungskonzept. P� itsch und SMS Elotherm gingen daher eine Partnerscha� ein. P� itsch liefert heute individuelle Kanalkonfektionen termingerecht und einbaufertig ins Werk, wo SMS-Elotherm-Mitarbeiter alles mit kleinen Anpas-sarbeiten zu einem funktionierenden Ganzen komplettieren. „Neben der gleichbleibend hohen Qualität der Kanalsysteme überzeugt diese Variante durch kalkulierbare Montagezeiten und transparente Kosten“, bestätigt Ullrich Lemke, Konstrukteur bei SMS Elotherm. Ingo Müller ist bei P� itsch Projektmanager. Er ver-weist auf einen weiteren Aspekt: „Dank unserer � exiblen Fertigung können wir auch kundenspezi� sche Kanalkomponenten realisie-ren, beispielsweise spezielle Anbindungen an Schaltschränke in der Anlage.“ So erfolgt die Vorfertigung verschiedener Kon� gura-tionen nach einer Zeichnung, die ein zügiges Montieren der ge-samten Kanalkonfektion zwischen Maschine und Peripherie si-cherstellen.
Kanäle im EinsatzFür eine aktuelle Elotherm-Anlage, mit der ein Automobilzuliefe-rer Zahnstangen für Lenksysteme härten will, liefert P� itsch stahl-verzinkte Industriekanäle in den Dimensionen 100 / 100, 150 / 100 und 300 / 150 – insgesamt über 50 laufende Meter – sowie Varian-ten mit verstärktem Bodenblech und diversen Stützen. Da in man-chen Kanalabschnitten sehr unterschiedliche Kabel wie für Ener-
Rundum geschützt in Industrie-Kanälen mit unterschiedlichem Querschnitt wird die Verkabelung durch die Elotherm-Anlagen geführt.
ABild
er: P
fl its
ch/L
utz
Oberhalb der Anlage verlaufen diese Industrie-Kanäle aus verzinktem Stahl. Über T-Stücke mit Querschnitt-reduktion gelingt die Kabeleinführung in die Schaltschränke.
Mit Formteilen aus dem Systembaukasten lässt sich für Industrieunternehmen einfach eine individuelle Kanalführung in Serienqualität realisieren.
gie oder Daten sowie auch Leitungen für Medien vorgesehen sind, kommen noch etwa 20 Meter Trennstege zum Einsatz, die den Kanal unterteilen. Außerdem verbaut man diverse Standard-Formteile wie Winkel, Abgänge und Reduzierungen in den ver-schiedensten Größen und Ausführungen.
Sonderformteile wie für die Installation von Kabeln mit großen Biegeradien wie MF-Koax-Kabel fertigt das Pflitsch-Blechbearbei-tungszentrum nach Zeichnung an. Für Elotherm gibt es auch spe-zielle Konsolen, die sich platzsparend auf die Schaltschränke ab-stützen oder mit dem Maschinenkörper verschraubt sind. Sie tra-gen zweistöckig die Kabelkanäle und die Rohleitungen. „Zweck war es, die Tragkonstruktion so anzuordnen, dass keine Stützen außerhalb der Anlage gestellt werden müssen. Damit ist im Durch- und Zugangsbereich nichts im Wege“, erläutert Oliver Kaiser, Kon-struktionsleiter für Mechanik bei SMS Elotherm.
Alle Dimensionen, die Aussparungen im Kanal und die Ände-rungen erstellt Pflitsch nach freigegebener Gesamtzeichnung und liefert eine ausführliche Dokumentation inklusive CAD-Zeich-nung und Stückliste. Den erstellten Konfigurationen sind Bestell-nummern zugeordnet, unter der der Kunde jederzeit einfach die identische, komplette Kabelführung ordern kann. Oliver Kaiser erläutert: „Dadurch können wir unseren Bestellaufwand minimie-ren und haben gleichzeitig die Gewähr, dass das Kanalsystem per-fekt in die Maschine passt, die wir gerade aufbauen.“ Quasi auf Knopfdruck sind jederzeit Veränderungen möglich, beispielsweise wenn bei erhöhtem Kabelvolumen die Dimensionierung eines Ka-nals größer ausfallen muss.
Individualität in SerienqualitätDas Industriekanal-Programm besteht aktuell aus verschiedenen Kanalquerschnitten zwischen 50 x 50 mm und 600 x 200 mm, über hundert unterschiedlichen Formstücken sowie Kantenschutzteilen und mehr. Verfügbar sind verschiedene Winkel, T-Stücke, Kreu-zungen, Wender, Reduzierstücke und Teleskope für eine individu-elle Streckenführung. Die Kanalteile gibt es sowohl aus verzinktem oder RAL-lackiertem Stahl sowie in Edelstahl-Qualität. Da der Anwender alle Industriekanal-Bauteile über einen Deckel öffnen kann, lassen sich die Kabel einfach einlegen. Für das sichere Ver-schließen der Deckel gibt es verschiedene Verschlüsse. Auf Kun-
denwunsch, um eventuell bestehende Werksvorschriften zu erfül-len, sind Deckelscharniere und Schließungen vom Riegel- bis Schnappverschluss möglich. Alle Kanalbauteile sind serienmäßig gratarm gefertigt. Die Kantenschutzteile aus hochwertigem Kunst-stoff verhindern an seitlichen Ausbrüchen oder Kanalenden die Beschädigung des Kabelmantels oder Verletzungen des Montage-personals. Verschiedene Teleskopstücke erlauben es, bei auftreten-den Toleranzen Längen-Differenzen bis 250 mm sicher auszuglei-chen. Weitere Flexibilität bringen die variablen Eckwinkel: Ka-nalkörper und Deckel sind zwischen 90° und 180° stufenlos ein-stellbar. Möglich ist es durch eine biegbare Rückwand aus hochwertigem Federstahl, die sich je nach Winkel mehr oder weni-ger in den Kanalkörper hineinschiebt.
In stark vibrierenden Anlagen bieten Schwingungsdämpfer- Elemente deutliche Vorteile: Deren Enden verschraubt man mit den starren Kanälen. Ein hochwertiger Gummibalg entkoppelt dann die Schwingungen der Maschine. Auch dieses metallische Verbindungsstück lässt sich als flexibler Winkel nutzen, ebenso wie die Rechteckschläuche, die sich mittels Übergängen und Endflan-schen mit dem Kanal verbinden lassen. Die Verbindungsstellen der Kanäle untereinander sind serienmäßig mit VDE-gemäßer Erdung versehen.
Auf den Boden kommenFür eine bodennahe Verlegung realisiert Pflitsch den Automobil-kanal in einer trittfesten Variante, wobei die Abdeckung mit rutschsicherer Tränenblech-Oberfläche versehen ist. Die Kanalab-deckung ist auch mit einer überfahrbaren Rampe lieferbar. Außer-dem lässt sich der Industriekanal mit dem kompakten PIK-Kanal kombinieren, um die einzelnen Kabel mechanisch geschützt zu führen. Da sich dieses Kanalsystem mit seinem durchgängigen De-ckel außerdem über die gesamte Länge öffnen lässt, ist eine opti-mierte Leitungsinstallation unter allen Umständen gegeben – an-ders als bei der Leitungsführung durch ein Rohr, wo der Anwender das Kabel mühsam durchziehen muss. (rao)� n
Der Autor: Dipl.-Ing. Walter Lutz ist Fachjournalist bei werdewelt.info in Haiger.
À la minute!Ein System, viele Anwendungen: Der LPKF ProtoLaser U3 ist das Mehrzweck werkzeug für die Mikromaterial bearbeitung im Labor. Erfahren Sie mehr: www.lpkf.de/protolaserU3
Wer heute von Elektro- und Hybridfahrzeugen spricht, meint eine breite Palette an Fahrzeugvarianten vom reinen E-Mobil über Elektrofahrzeuge mit kraftstoff-betriebenem Generator (Range-Extender) über ben-
zin- oder dieselbetriebene Hybridfahrzeuge bis hin zu konventio-nellen Dieselfahrzeugen mit Start-Stopp-Technologie und rekupe-rierenden Bremsen. Eines haben alle gemeinsam: Sie stellen neue Herausforderungen an die Verbindungstechnik.
Molex stellt dafür sein Verbindungssystem MX123 mit CMC- und kundenspezifischen Hybrid-Steckverbindern vor. Es findet bereits in Motor- und Getriebesteuergeräten in Fahrzeugen Ein-satz. Für Brems- und Getriebemodule sowie Lenkungssteuerungen eignen sich die Steckverbinder MX150, Stac64, Mini-Fit H2O und MOX. Der MX150 kommt etwa bei Hochtemperaturanwendungen unter der Haube und im Bereich des Fahrgestells zum Einsatz; er erfüllt die Standards der Automobilindustrie.
Hohe Anforderungen erfüllenAuch bei voll elektrischen oder Hybridfahrzeugplattformen blei-ben die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit künftiger Ver-bindungssysteme im Wesentlichen identisch, sie müssen aber ei-nen hohen Einschaltstrom oder Spitzenstrom verarbeiten. Heute benötigen Kfz-Hersteller ein Produkt für Ströme von 200 A, das unter Umständen Stromspitzen von 250 bis 300 A widerstehen muss, und nicht nur über Millisekunden sondern über Minuten.
Die Steckverbinderhersteller brauchen Prüfprogramme für Strö-me über 200 A. Die entscheidende Frage lautet: Wie können Steck-verbinderhersteller ein Prüfprofil entwickeln, das die künftig nöti-
Durchblick im Stecker-UrwaldVerbindungen für Elektro- und Hybridfahrzeugplattformen schaffen
Strategischen Analysten zufolge sollen bis zum Jahre 2018 6,5 Millionen Mild-, Voll- und Plug-in-Hybridfahrzeuge die Straßen erobern. Molex zeigt, dass diese Fahrzeuge besondere Anforderungen an ihre Steckverbinder stellen und neue Prüfprofile erfordern. Autor: Rand Wilburn
ge Leistungsfähigkeit akkurat vorhersagt? Bisher gibt es noch kein Konzept für die Auslegung dieser geplanten Kabelstrangprodukte hinsichtlich Temperatur und Temperaturanstieg. Bei längeren Zeiträumen mit hohen Spannungen und Strömen sind extreme Temperaturen ein Problem, da diese zu einer De gradation des Ver-bindungssystems und des dieses umgebenden Kunststoff führen können. Der Temperaturanstieg ist von der Anwendung abhängig. Davon ob der Steckverbinder frei belüftet wird oder ob er in einem Gehäuse eingebaut ist. Branchenorganisationen wie die USCAR haben Ausschüsse beauftragt, Kriterien für den Temperaturanstieg zu entwickeln. Molex erwartet die Spezifikation eines Betriebstem-peraturbereichs, der von -40 bis +125 °C bei einem Temperaturan-stieg von 45 °C bei Umgebungstemperatur reicht.
Neben den hohen Nennströmen fordern Kunden auch Verbin-dungen, die sich für unterschiedliche Spannungen eignen. Da die Auslegung von Kabelsträngen in hohem Maße von der Anwen-dung und der Nennspannung des Kabels beeinflusst wird, herrscht hier noch etwas Unsicherheit. Stecker mit 1000 V Belastbarkeit und mehr erscheinen aber wahrscheinlich. Bei Hochstrom-Hoch-spannungs-Steckverbindern sind die Abdichtung und die Schir-mung wichtig: Abdichtung, weil bei hohen Strömen der Schutz vor eindringendem Wasser lebenswichtig wird. Es steht zu erwarten, dass künftige Steckverbinder eine berührungsgeschützte Ausfüh-rung in Schutzart IP20 entsprechend IEC60529 haben müssen.
Als zusätzliche Sicherheitsvorkehrung wird wahrscheinlich eine Technik mit voreilendem Kontakt zum Einsatz kommen, mit spe-ziellen Eigenschaften, die die typische Trennzeit in den Millisekun-denbereich verlängert. Autos sind mit elektromagnetischen (EMI) und hochfrequenten Störungen (RFI) eine recht feindliche Umge-bung. Die Abschirmung gegenüber der restlichen Elektronik ist daher wichtig. Molex arbeitet in der Schirmungstechnologie, die die Anforderungen der CisPR 12 und 25 noch übertreffen.
Moving TargetFür die Hersteller elektrischer Antriebsstränge wird sich die Land-schaft im Zuge von Kooperation bei der Entwicklung von Batterien und Ladesystemen weiter ändern, wie BMW Peugeot Citröen Elec-trification gerade zeigt. Gleichzeitig verstärken die Kfz-Hersteller ihre Bemühungen, durch Wiederverwendung über mehrere Mo-delle hinweg Skaleneffekte zu erzielen. Die Tätigkeit auf diesem Markt ist spannend und die Frage der langfristigen Leistungsfähig-keit trennbarer Schnittstellen in hochstromigen Anwendungen bedarf sicher noch gründlicherer Untersuchungen. (rao)� n
Der Autor: Rand Wilburn ist Marketingmanager für den Bereich Automotive bei Molex in Auburn Hills, USA.
Die MX150-Steckverbinder widerstehen Hochtemperaturen und erfüllen die Standards der Automobilindustrie.
Bild
er: M
olex
infoDIREKT www.all-electronics.de 260ejl0213
72_Molex (rao).indd 72 16.04.2013 10:43:50
73_1_1 Eigenanzeige.indd 73 16.04.2013 10:44:37
Passive und E-MechanikLeiterplattenklemme
Eine Leiterplattenklemme ohne Isolierkörper, die sich auch für den THR-Lötprozess eignet, bringt Vorteile: Kein Selek-tivlöten der Anschlusskomponente auf der Leistungsplatine sowie geringer Platzbedarf trotz großem Anschlussvermö-
gen (Bild 1). Hochstrom-Leiterplattenanschlüsse bringen Hoch-strom-Leiterplatten ans Netz. Die meisten Hochstrom-Anschluss-komponenten lassen sich nicht in die Standard-Herstellungsprozes-se einer Leiterplatte integrieren. Häufig sind zusätzliche Arbeits-schritte wie Selektivlöten erforderlich. Bei Leiterplatten der Leistungselektronik verursacht der geringe Anteil bedrahteter
Nackte Klemme für hohe SpannungGroße Leiterquerschnitte kompakt anschließen
Hohe Ströme auf die Leiterplatte übertragen – das liegt beim Anschluss von Solarwechselrichtern und anderer Photovoltaik-Peripherie voll im Trend. Weil in der Photovoltaik-Industrie der Preisdruck ständigt steigt, sind kostengünstige Varianten überall gefragt – auch beim Leistungsanschluss. Autorin: Anke Steinkemper
Hochstrom-Komponenten auf den Baugruppen häufig höhere Fer-tigungskosten. Die Art der Bestückung von Hochstrom-Leiterplat-ten-Anschlusskomponenten, aber auch die Zuführung dieser Bau-teile fordern die Fertigungsexperten heraus. Außerdem ist die Ver-lötung im Standard-SMT-Lötprozess meist nicht möglich.
THR-Hochstrom-Printklemme schafft AbhilfeDie Printklemme PTSPL 6 von Phoenix Contact, die keinen Iso-lierkörper aus Kunststoff besitzt, ist die erste Hochstrom-Print-klemme, die sich für den THR-Lötprozess (Through-Hole-Reflow)
Bild 1: Die Photovoltaik-Industrie benötigt kostengünstige und dennoch innovative Leiterplattenanschluss-Komponenten.
74_Phoenix (rao).indd 74 16.04.2013 10:52:06
www.elektronikjournal.com
Passive und E-Mechanik Leiterplattenklemme
Vielseitigkeit trifft FlexibilitätIm Vergleich zu den bisher am Markt verfügbaren Varianten baut die Printklemme PTSPL 6 kompakter, steht wegen der THR-Technologie sicher auf der Leiterplatte und ermöglicht die Integration in Standard-Bearbeitungsprozesse der SMT-Verarbeitung. Das macht sie zu einer wirtschaftlichen Variante für platzkritische Hochvolt-Anwendungen. Die Vorteile sind: ■ Kein Isolierkörper für den THR-Lötprozess, ■ alternatives Selektivlöten der Anschlusskomponente, ■ vollautomatische Montage und Gurtverpackung nach IEC60289, ■ kompakte Bauform durch Sunclix-Feder, ■ geringer Platzbedarf trotz großem Anschlussvermögen, ■ Einsatz bei Spannungen größer 1000 V durch Wegfall des Isoliergehäuses, ■ freies Layout und Isolationskoordination, ■ kostengünstige Alternative zu marktüblichen Varianten, ■ einpolige Power-Klemme für den THR-Prozess.
infoDIREKT www.all-electronics.de 246ejl0213➤ Halle 7, Stand 267
Auf einen Blick
eignet. Aufgrund der Gurtverpackung, dem sogenannten Tape-on-Reel (Bild 2), kann der Anwender die Federkra� -Print-klemme automatisiert auf die Leiterplatte bestücken. Als Verpackungseinheit dient eine 13-Zoll-Rolle, die 1000 und mehr Ein-zelklemmen fasst. Die Standard-Gurtberei-te von 32 mm wird auf handelsüblichen Bestückungsautomaten problemlos verar-beitet. Auf ihrem Federrücken besitzt die geschlossene Printklemme eine gute An-saug� äche für Pick-and-Place-Automaten. Zusätzliche Pads entfallen, und auf zusätz-liche Greifer oder Spezialpipetten an der Bestückungslinie kann man ebenfalls ver-zichten.
Das übliche Design – ein Metallteil im Kunststo� -Isoliergehäuse – erschwert die Umsetzung der Anforderung an die Re-� ow-Fähigkeit. Insbesondere bei großfor-matigen Hochstrom-Printklemmen wider-spricht die Kunststo� masse den thermi-schen Anforderungen. Vor diesem Hinter-grund entstand die Idee, auf den begrenzenden Kunststo� örper zu ver-zichten. Um den Lötsti� herum ist viel frei-er Raum erforderlich, damit sich Fehler bei der THR-Lötung vermeiden lassen.
Um eine Berührung des Isolierkörpers mit der schmelzenden Lötpaste zu ver-meiden, sind o� noch Abstandshalter, so-genannte Stand-O� s, am Kunststo� ange-bracht. Da es sich bei der Printklemme PTSPL 6 um eine „nackte“ Printklemme ohne Isoliergehäuse handelt, ist ein Er-wärmen im Re� ow-Prozess nicht proble-matisch. Sowohl die Leiterplatte wie auch die Metalle der Printklemme können im Hinblick auf einwandfreie SMT-Lötergeb-nisse ohne Schwierigkeiten Wärme ver-kra� en.
Der Sunclix-AnschlussGenerell erfolgt das Löten als Pin-in-Paste-Verfahren, wobei der Anwender die Löt-paste in die Bohrlöcher appliziert. In diese wird die Printklemme bestückt – dabei drücken die Lötsti� e die Lötpaste etwas aus der Leiterplatte heraus. Daher ist die Länge des Lötsti� s beim THR-Prozess nicht un-bedeutend. Alternativ stehen je nach Lei-terplattenstärke zwei Lötsti� längen bei der PTSPL-Printklemme zur Auswahl. Der 2,1 mm kurze Lötpin eignet sich für Leiterplat-ten mit einer Stärke von 1,6 mm.
Ist der Lötsti� zu lang, kann das Lot, das sich hauptsächlich an der Sti� spitze be� n-det, während des Lötens abtropfen. Opti-mal ist es, wenn dieser Lotvorrat vor und während des Lötens noch Kontakt zum Restring des Bohrlochs hat. Das wirkt sich auch beim Erwärmen positiv aus, da sich das Lot aufgrund von Kapillarwirkung an den Lötsti� en hochzieht. Für Leiterplatten, die eine Stärke von 2 mm oder mehr besit-zen, eignet sich der Lötpin mit einer Länge von 2,9 mm besser.
Die Printklemme PTSPL 6 (Bild 3) ar-beitet mit dem im Markt bewährten Sunc-lix-Federkra� anschluss für Leiter bis 6 mm² und ermöglicht so eine kompaktere Bauform als andere Printklemmen. Beim Anschluss eines 6 mm²-Leiters lässt sich ein Dauerstrom von 41 A übertragen. Da der Federschenkel in einer seitlich ver-schlossenen Tasche liegt, wird der Leiter durch die Kombination aus Schenkel- und Zugfeder gehalten und kontaktiert. Bei ge-schlossener Auslieferung der Klemme, las-sen sich im Push-in-Direktsteck-Verfahren � exible Leiter kontaktieren, die eine Vorbe-handlung mit einer Aderendhülse durch-laufen haben.
Die Autorin: Dipl.-Ing. Anke Steinkemper ist Produktmanagerin Leiterplattenanschluss Combicon Power bei Phoenix Contact in Blomberg.
Hohe Spannungen – kein ProblemIn der Antriebstechnik spielt die Leistungselektronik eine wichtige Rolle, das Steuern von großen Antrieben erfolgt o� leistungselekt-ronisch. Zu der Erzeugung von Energie � nden Frequenzumrichter zur direkten Netzeinspeisung Einsatz. Die Leistungselektronik stellt auch ein Bindeglied zwischen der Energieerzeugung und dem Energieverbrauch dar. Zur Energieregelung, -steuerung und -übertragung dienen Geräte, die ganz unterschiedlichen Leis-tungsklassen angehören. Die Leistungsklassen dieser Geräte ver-schieben sich auch weiterhin nach oben – so sind beispielsweise in dem Bereich der Photovoltaik Spannungen von über 1000 V keine Seltenheit. Diesem Trend muss die Auslegung der Leiterplatten auch bei der Isolationskoordination folgen. Für die Dimensionie-rung einer Anschluss-Komponente im Hinblick auf die Span-nungsabstände im Kunststo� gehäuse bedeutet 1000 V de� nitv für Entwickler ein erhöhter Konstruktionsaufwand.
Derartige Spannungen sind bei Rastermaßen von 5,08 mm oder Isolationsabständen von 7,62 mm zwischen den einzelnen Polstel-len nur mit erhöhtem Mehraufwand möglich. Hier benötigt der Anwender zumindest 10,16 mm oder mehr. Bei der „nackten“ Klemme PTSPL 6 ohne Isolierungsgehäuse sind der Spannung kei-ne Grenzen gesetzt, da man die Klemmen mit ausreichendem Ab-stand auf die Leiterplatte positioniert. Es obliegt dem Leiterplat-
ten-Entwickler, die Isolationskoordination in Übereinstimmung mit den jeweiligen spezi� schen Gerätenormen auszulegen. So kann eine Klemme zum Beispiel nach der alternativen Bemessung der Geräte gemäß UL-Norm 508 (C) kürzere Lu� - und Kriechstre-cken besitzen, als es bei der einzelnen Anschlussklemme aufgrund des Komponentenstandards UL1059 jemals möglich wäre. Geräte mit größeren Spannungsansprüchen lassen sich daher mit der Printklemme auch im Anschlussbereich kompakt ausgelegen.
Effi zienz und SicherheitHäu� g löten Entwickler aus Kostengründen Leitungen, die an den Enden abisoliert wurden, direkt in die Leiterplatte ein. Der Nach-teil dieser kostengünstigen Variante ist, dass eingelötete Leiterlit-zen nach dem Verlöten erstarren, da das Zinn durch die Kapillar-wirkung während des Lötens in die Leitung steigt.
Der Übergang vom verzinnten zum � exiblen Bereich kann spä-ter brechen – etwa bei Bewegung oder Vibration. Es ist daher obli-gatorisch, die Leiter aufwendig zu � xieren. Alternativ lassen sich die Litzen mit einer Crimp-Hülse oder mit einem am Kabel ange-schlagenem Sti� behandeln, bevor die manuelle Einlötung erfolgt.
Ohne eine entsprechende Fixierung des Leiters ist die Gefahr eines Leiterbruchs jedoch nicht gebannt. Somit wird aus dieser scheinbar günstigen eine ziemlich kostenintensive Alternative.
Kein Isolierkörper – dennoch THR-LötenWeil der Kunststo� eil entfällt, hat die Printklemme einen kleinen Preisvorteil, der sich durch die automatisierte Verarbeitung und Integration in Standard-Fertigungsprozesse erheblich erhöht. Au-ßerdem lässt sich auf die Haltekonstruktionen für die Leitungen verzichten – die regulären Kontaktkrä� e und die eingerastete Fe-der in der Endposition reichen hier aus. Die Leiterplattenklemme PTSPL 6 ist die erste Klemme ohne Isolierkörper, die sich für den THR-Lötprozess eignet. Insbesondere bei hohen Stückzahlen ge-staltet sich das Verarbeiten einfach und zeitsparend. (rao) ■
Bild 2: Im Gurt verpackt wird die Hochstrom-Printklemme PTSPL 6 fertigungsgerecht zugeführt und verarbeitet.
Bild 3: Vorbehandelte Leitungen lassen sich auch in Direktstecktechnik auf einfache Weise anschließen.
Die Sonnenstrahlen einfangen Ritter Elektronik nutzt bereits die Printklemme PTSPL 6 in ihrem Mit-roswitch 2000. Bei der „intelligenten“ PV-Anschlussdose von Mit-rosunic Energy Systems – unter dieser Marke entwickelt, produziert und vertreibt Ritter Elektronik ihre Produkte für erneuerbare Energien – sorgt die Printklemme für den Leiteranschluss auf der Platine. Das Anschließen der Moduldose erfolgt über spezielle Solarleitungen, de-ren einzeln verzinnte Litzen in Kombination mit der Anschlussklemme PTSPL 6 für langzeitstabile, niedrige Übergangswiderstände sorgen. Die kompakte Bauweise der Modulanschlussdose erlaubt eine gerin-ge Bauhöhe zum Anschluss der meist 4- oder 6 mm²-Leitungen mit-tels Hochstrom-Printklemme.
Raum ist bei Bahnanwendungen in Zügen durch die steigende Anzahl von elektroni-schen Komponenten ein kostbares Gut. Daher ist auch für Steckverbinder kaum noch Platz. Hypertac zeigt in diesem Fach-beitrag, dass auch kleine Bausteine den An-sprüchen an Zuverlässigkeit, Robustheit und Handhabung entsprechen. Beim Ent-wickeln der M12-Steckverbinder lag der Fokus auf einfacher Montage ohne Werk-zeuge und natürlich dem Einhalten der
Fit für den BahneinsatzKleine robuste M12-Steckverbinder
lagerte, 1 mm hyperboloide Crimpkontakte sind mit Anschlussquerschnitten von 0,03 bis 1 mm² (AWG 32 bis 18) verfügbar. Da-bei stellt die 360-Grad-Schirmanbindung sicher, dass sie äußeren elektrischen Ein-flüssen und Störungen widerstehen. Der Kabelquerschnitt, der bis zu 10 mm beträgt, ermöglicht ein flexibles Anschließen. Im gesteckten Zustand entsprechen die Steck-verbinder der IP67-Norm. Dadurch eignet sich die Steckverbinderserie für die meisten
Die Autorin: Roberta Rebora ist European Director Marketing and Communication bei Hypertac in Deggendorf.
3 Europaweit größte Produktauswahl3 Eigene Produktentwicklung und Produktion3 Jährlich mehr als 1.000 realisierte kundenspezifischeLösungen3 Professionelle Anwendungsberatung3 International 15 Standorte
Betriebs spannung von 90 V ent-spricht der fran-zösischen Bahn-norm NF F 61-030. Für Anwen-dungen gemäß der DIN EN 61076-2-101 ist eine Bemessungsspannung von 250 VAC/DC möglich. Die mechanische Konstruktion der Kontaktbuchsen hat sich im Einsatz un-ter rauen Umgebungsbedingungen be-währt. Hyperbolisch angeordnete Kontakt-drähte in den Buchsen legen sich linienartig am Stift an. Deshalb besteht eine 360-Grad-Kontaktierung. Das ergibt eine große Kon-taktfläche bei niedrigen Übergangswider-ständen. Aus dieser Geometrie resultieren geringe Steck- und Ziehkräfte und eine lan-ge Lebensdauer der Steckverbinder.
Laut dem Hersteller weist seine zuverläs-sige Kontakttechnologie große Schock- und Vibrationsfestigkeit, hohe Strombe-lastbarkeit und Spannungsfestigkeit, einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand und geringen Verschleiß auf. Die Folgen davon sind geringere Betriebs-, System- und Qualifikationskosten. Stellt sich beim Installieren der 90 Grad gewinkelten Versi-on heraus, dass ein gerader Abgang vorteil-hafter ist, lässt sich die patentierte freikon-fektionierbare Version in einen geraden Kabelabgang abändern, ohne die ge-wünschten technischen Eigenschaften zu verlieren. (rao)� n
infoDIREKT 219ejl0312
Bild 1: Die M-12-Steckverbinder-serie ist D-codiert verfügbar.
Bild 2: Grafische Darstellung der Hyperboloid-Kontakttechnologie. Bi
lder
: Hyp
erta
c1
2
mechanischen Anforderungen: eingepackt in ein kleines, schmales und schlankes Aussehen. Eine weitere wichtige Rolle spielte die gute Funktionalität.
Die umspritzten oder frei konfektionier-ten, geraden und 90 Grad abgewinkelten M12-Steckverbinder von Hypertac sind fit für den Bahneinsatz. Vier schwimmend ge-
elektrischen und elektronischen Kompo-nenten innerhalb des Zuges, beispielsweise bei der störungsfreien Signalübertragung von Videoüberwachungen, bei GPS-Signa-len und weiteren Steuerungssystemen.
Die M-12-Steckverbinderserie ist mit der Hyperboloid-Kontakttechnologie aus-gestattet und A- oder D-kodiert. Die
77_Hypertac (rao).indd 77 16.04.2013 10:54:12
Passive und E-MechanikPush-Pull-Verbinder
Bild
foto
lia: a
lpha
spiri
t
Verbindungselemente sind überall im Einsatz und trotz ih-res vermeintlich schlichten Erscheinungsbilds und ihrer häufig verborgenen hochwertigen Beschaffenheit kommt ihnen bei vielen Anwendungen eine Schlüsselfunktion zu.
Denn sie müssen einiges leisten: gefragt sind gute Performance und hohe Verlässlichkeit.
Sonnenschein einfangenSolarenergieanwendungen sind einer der Einsatzbereiche für leicht montierbare, wartungsfreie Steckverbinder. Weltweit bauen Unter-nehmen an Solarkraftwerken, vorneweg der Nahe Osten und Nordafrika. Damit die Energieverteilung im Stromnetz aufrechter-halten bleibt, muss die Vernetzung einer großen Anzahl einzelner Wechselrichter erfolgen. Es ist klar: Für eine stabile Energieversor-gung sind fortschrittliche elektronische Steuergeräte unerlässlich, die viele Signal- und Datenanschlüsse benötigen.
Sie müssen kompakt sein und dem Eindringen von Staub oder Feuchtigkeit sowie UV-Licht widerstehen; genau die Anforderun-gen, die Outdoor-Applikationen stellen. Eine abgedichtete Schnitt-stelle ist dabei unerlässlich; Ethernet-Konnektoren, die mit An-schlussfeldabdichtung ausgestattet sind, sorgen selbst dann für den Schutz vor rauen Umwelteinflüssen, wenn das Anbringen der er-forderlichen Abdichtkappe nicht erfolgte.
Auf einen guten ZusammenhaltPush-Pull-Verbindungen – für Konnektivität unter extremen Bedingungen
Robuste, umgebungsfest abgedichtete Stecker spielen eine ausschlaggebende Rolle, wenn bei anspruchsvollen Bedingungen die Zuverlässigkeit bei der Interkonnektivität zählt. Bulgin zeigt im folgenden Beitrag, worauf es ankommt und wie das Design der wasserdichten Netz- und Datenanschlussstecker zum Bewältigen dieser Herausforderungen beiträgt. Autor: Dave Weaver
Für glückliche Tiere und PflanzenRobuste und wasserdichte Anschlusselemente sind in Bereichen wie der Landwirtschaft und dem Gartenbau wichtig. Wo auf gute Tierfutterzufuhr zu achten ist, setzen Landwirte vermehrt automa-tische Fütterungssysteme ein. Auch die in der Rinderhaltung ge-nutzte Ausstattung muss so robust beschaffen sein, dass sie einer Beschädigung durch die Nutztiere ebenso widerstehen wie dem Eindringen von Staub und Feuchtigkeit in den Melkapparaturen. Landwirte statten oft ihre großen Gewächshäuser mit elektrischen Bewässerungssystemen und Heizlampen aus. Diese besitzen in der Regel ein thermostatisch geregeltes Heizsystem für geeignete Tem-peraturen. Durch die Kombination aus Wärme und Wasser ent-steht dabei eine nasse Umgebung mit einer hohen Restfeuchte in der Luft; auch die Kondensation ist problematisch.
Viele Anwendungen, insbesondere in der Nahrungsmittelbran-che fordern bedienungsfreundliche Anschlusselemente, die kons-tant aktiv (always on) arbeiten. In diesem Industriezweig benöti-gen die Anwender verschiedene, elektronisch gesteuerte Ausrüs-tungen. Dazu zählen sowohl Förderbänder als auch Dosiervorrich-tungen und Öfen mit abgesetzter Überwachung und Regelung. Die Palette reicht über Drucker, Wiege- und Produktinspektionssyste-me mit hochmoderner Erfassung bis hin zur Weiterleitung und Speicherung von Daten. Um den strikten Normen für die Lebens-
Überall im EinsatzUnterschiedliche Umgebungsbedingungen stellen jeweils andere Ansprüche an Steck-verbinder. In jedem Falle müssen die elekt-romechanischen Bausteine zuverlässig und robust sein. Darüber hinaus verlangen Kun-den oft nach wasser- und staubdichten Ver-bindungen. Die Bucaneer-Steckverbinder-serie erfüllt diese Bedingungen.
infoDIREKT 242ejl0213
Auf einen Blick
mittelsicherheit und -hygiene zu entspre-chen, unterliegt das jeweilige Umfeld regel-mäßigen Reinigungs- und Wash-down-Verfahren. Daraus ergibt sich die Notwen-digkeit, belastbare, staub- und wasserdichte Steckverbinder für den verlässlichen Transfer von Energie, Signalen und Daten einzusetzen.Die Verbindungselemente, die
Perfekte Leiterplatten-verbinder für IhreApplikation
Board-to-Board- Steckverbinder
Flexible Leiterplattenanordnung für optimale Raumnutzung in Geräten
im IP69K-Rating gelistet sind, entsprechen den extrem strengen Anforderungen.
Richtig auf Touren gebrachtIn der Automobilindustrie gibt es eine Rei-he von eher ungewöhnlichen – und an-spruchsvollen – Einsatzfeldern für Steck-verbinder. Beispiele dafür sind Crashtests, Reifenwärmer für den Rennsport und Frei-zeit- sowie Geländefahrzeuge. Die akkura-te und fehlerfreie Messwerterfassung ist eine Voraussetzung für die Prüfung der Fahrzeugsicherheit. Während eines Crash-tests erfassen Sensoren die Daten; das Sig-nal muss sicher sein, denn bei dem Auf-prall könnte jegliche Unterbrechung der Kontakte zu unpräzisen Daten und damit einer fehlerha� en Bewertung des Tests führen. Beim Motorsport wärmen Formel-1-Teams vor Beginn eines Rennens häu� g die Reifen an – o� mit Hilfe einer speziel-len Ausrüstung. Auch die Boxengasse einer
Die Nahrungsmittelproduktion und damit auch die Verbin-dungsbauteile unterliegen strengen Bestimmungen.
Bild
er: B
ulgi
n
Die Steckverbinder, die in Solarenergieanlagen Einsatz fi nden, müssen rauen Umwelt-bedingungen widerstehen.
In Automobil-Crashtests kommt es auf unterbre-chungsfreie und zuverlässige Verbindungen an.
Der Autor: Dave Weaver ist Produktmanager bei Bulgin in Stansted, United Kingdom.
Rennstrecke repräsentiert ein extremes Umfeld für elektromecha-nische Bauteile. Besonders Geländefahrzeuge sind den Elementen ausgesetzt; sie durchqueren unwegsames, nasses und matschiges Terrain und bekommen auch schon mal zur Säuberung Spritzwas-ser ab. Eines haben alle diese Szenarien gemeinsam: Sie benötigen fest sitzende, robuste und wasserdichte Anschlusselemente.
Wünsche erfüllenÜberall dort wo elektrotechnische Ausrüstung vorhanden ist, stellt das Wasser eine offensichtliche Gefahr dar. Doch die Staubdichtig-keit besitzt einen fast gleichwertigen Stellenwert. Insbesondere durch Zementstaub können Kontakte relativ schnell korrodieren, so dass innerhalb von wenigen Wochen ungeschützte Steckverbin-dungen entstehen. Seit vielen Jahren schon sind wasserdichte Ver-bindungselemente mit traditionellem Schraubanschluss im Han-del verfügbar. Obwohl sie effektiv sind, benötigt es aber Zeit einen solchen Anschluss fertigzustellen. Manche Bediener sind unsicher, wie fest eine Schraubverbindung sitzen muss, um Schutz gegen die Elemente zu leisten.
Bulgin begegnet dieser Unsicherheit und der Nachfrage nach wasser- und staubdichten Schnellkupplungen mit der Produktrei-he Buccaneer 6000. Der leicht bedienbare Push-Pull-Verbinder ist für den Einsatz unter harten Umgebungsbedingungen konzipiert
und stellt eine kompakte und dauerhafte Alternati-ve zu Schraubverbindun-gen dar. Er bietet zusätz-lich Zeitersparnis, da der Benutzer schnell und ein-fach die Verbindung her-stellen kann. Die Modell-palette umfasst Versionen zur Energieversorgung bis zu 16 A und 277 V sowie Typen zur Daten- und Si-gnalleitung.Die Steckver-binder entsprechen den Normen nach IP66, IP68 und IP69K. Ihre einteili-gen Gehäuse und Pin-Trä-
ger sind als widerstandsfähige Schnittstelle ausgelegt und verhin-dern eine mögliche Beschädigung während des Anschlussvor-gangs. Die Steckverbinder sichern eine korrekte Abdichtung auch bei begrenztem Zugang und ermöglichen so den Ingenieuren und Produktdesignern eine größere Flexibilität.
Charakterstudien zu Metall und KunststoffUm viele Anwendungen abzudecken, stehen Verbindungen aus Kunststoff und aus Metall zur Verfügung. Die Kunststoff-Kupplun-gen bestehen aus einer Mischung aus PBT (Polybutylenterephtha-lat) und Polycarbonat. Sie sind UV-beständig und senken das Risi-ko einer Feuchtigkeitsansammlung innerhalb des Steckers.
Deshalb eignen sich die kostengünstigen Verbindungselemente für Außenanwendungen. Diese selbstlöschenden Steckverbinder entsprechen der Brennbarkeitsklasse UL94 V-0, sind halogenfrei und setzen im Brandfall keine giftigen Gase frei. Die robusteren und stabileren Verbinder aus Metall schirmen die Kabel gegen un-erwünschte EMV-Einflüsse ab; sie bilden dabei einen Faraday-schen Käfig (zu allen Seiten geschlossene Hülle aus einem elektri-schen Leiter). Eine Besonderheit: Die Buccaneer-Stecker aus Me-tall und Kunststoff sind komplett gegeneinander austauschbar.
Es gibt unterschiedliche Anwendungen, die einfach zu nutzende sogenannte Fit-and-Forget-Steckverbindungen erforderlich ma-chen, wobei immer die Verlässlichkeit Ausschlag gibt. Der Funkti-onsausfall eines einzigen Anschlusses kann während der Fehlerdi-agnose Betriebszeit- und Umsatzverluste zur Folge haben. Bei den Steckverbindern Buccaneer 6000 reicht für eine einzigartige Ver-riegelung eine Drehung des Kupplungsrings um 30 Grad aus, da-mit der Stecker sicher befestigt ist.
Die Montage, Wartung und der schnelle Ersatz ist ohne Spezial-werkzeuge oder Fachkenntnisse möglich. Da sich die Anschlusse-lemente dicht nebeneinander installieren lassen, ist es möglich, auf engem Raum mehr Anschlüsse vorzusehen. Sie genügen dennoch den Anforderungen nach IP66, IP68 und IP69K. Das Designen von Gehäuse und Platte vereinfacht sich durch einen Ausschnitt für Strom- und Datenanschluss. (rao)� n
Die Bucaneer-Steckverbinderserie aus dem Material Metall ist mit der Variante aus Kunststoff vollständig kompatibel.
Die robuste Steckverbinder-Serie besteht aus Metall und dient zum Übertragen von Strom.
Die Steckverbindungen in automatische Fütterungsanla-gen, wie sie in der Geflügelzucht Verwendung finden, müssen zuverlässig funktionieren.
RS Components baut seine Part-nerschaft mit Panasonic aus, in-dem der Distributor sein Sorti-ment um die Kondensatoren-Se-rien ECQUA- und V-ZA erweitert. Die ECQUA-Serie besteht aus X2-Folienkondensatoren in einer kompakten Ausführung mit
AVX hat seine radial bedrahtete Hoch span nungs-MLCC-Serie um Konden satoren mit N1500-Super-dielek trikum erwei tert. Sie eignen sich für Snubber-Schal tungen in HF-Spannungswandlern oder Re-sonatoren in Schalt strom versor-gungen. Die Konden satoren de-
Niedrige Bestückungskosten und eine spürbare Zeitersparnis er-möglichen die Keramik-Schei-ben-Kondensatoren in gegurteter Version von Richwell (Vertrieb: Schukat). Sie sind von automati-schen Pick-und-Place-Maschinen leicht zu verarbeiten. Die kurz
Wo Distributor und Kondensator sich treffen
Zwei auf einen Streich
Mit N1500-Superdielektrium für hohe Frequenzen
Radial bedrahteter Hoch span nungs-MLCCs
Gegurtete Keramik-Scheiben-Kondensatoren
Mit Helm und Gurt
Feuchtigkeitsbeständigkeit unter Last bei 85 °C, 85 % und 500 Stunden. Die Bausteine eignen sich für den Einsatz in Serie zur Netzspannung ohne Kapazitäts-verlust durch Corona-Effekt. Die Polypropylen-Folie mit einer ge-rasterten Metallbeschichtung be-wirkt eine Sicherungsfunktion mit stabilem Kapazitätslevel über die gesamte Lebenszeit des Konden-sators. Die kompakte zuverlässi-ge V-ZA-Serie hat niedrige ESR-Werte bei niedrigen Leckströmen.
infoDIREKT 251ejl0213
cken den Kapa zi täts bereich von 100 pF bis 0,47 µF ab. Sie haben Toleranzen von ±5, ±10 oder 20 % und Nenn spannungen von 600 bis 5000 V; der Verlust faktor be-trägt maxi mal 0,15 %. Die MLCCs sind für den Betriebs tem peratur-bereich von -55 bis +125 °C aus-ge legt, haben niedrige ESD-Wer-te, eine Epoxid harz-Umhüllung für hohen Iso lations wider stand, Durchschlags festig keit und einen Schutz vor Lichtbogenbildung.
infoDIREKT 233ejl0213 ➤ Halle 7, Stand 568
Kerkos genannten Kondensatoren verfügen über eine Nennspan-nung von 100 VDC. Die Serie KE-2.5-G hat die Rastermaße RM2,54 und die Serie KE-G hat RM5,08. Zu ihren Einsatzgebieten zählen Schwingkreise, Filter und Oszillatorschaltungen oder By-pass- und Entkopplungskonden-satoren in Siebschaltungen und als Puffer. Je nach Keramikart (NP0, SL oder Y5P, Z5U) liegt ihre Betriebstemperatur zwischen -25 und +85 °C.
infoDIREKT 250ejl0213
Bild
: Sch
ukat
Bild
: Pan
ason
icBi
ld: A
VX
ZWEI STARKE PARTNER – EINE VERBINDUNG.
Durch eine seit 25 Jahren bestehende Partnerschaft mit JST haben wir als Experten für Verbindungstechnik unsere Leistungsfähigkeit permanent gesteigert, um noch flexibler auf die spezifischen Anforderungen und Wünsche unserer Kunden eingehen zu können. So kön-nen auch sämtliche Baureihen konfektioniert angeboten werden. Profitieren Sie von dieser starken Verbindung!
Präzisions-MikrodosiersystemeTestsysteme für Incircuit- und Funktions-test mit hoher Prüfschärfe und Prüftiefe, praxisnaher und anwenderfreundlicher Testprogrammerstellung, über 2600 Testsysteme geliefert
manuelle und pneumatische
Adaptionen, Niederhaltersysteme für bis zu 1000/2000 N, austauschbare Adapterplatten (Schubladen), Inlinesysteme
mikroprozessorgesteuerter Kabel- und Back-planetester bis maximal 192 Kanäle, auch Stand-alone-Betrieb, inkl. Software
Präzisions-Mikrodosiersys-tem dosiert exakt zwischen 20 nl und 50 ml, einstellbare
Mit der Annahme des Manuskripts und seiner Veröffent lichung in dieser Zeitschrift geht das umfassende, ausschließliche, räum-lich, zeitlich und inhaltlich unbeschränkte Nutzungsrecht auf den Verlag über. Dies umfasst insbesondere das Printmediarecht zur Veröffentlichung in Printmedien aller Art sowie entsprechender Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht zur Bearbeitung, Umgestaltung und Übersetzung, das Recht zur Nutzung für eige-ne Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen Verwer-tung, z. B. Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen, zur Veröffentlichung in Datennetzen sowie Datenträger jedweder Art, wie z. B. die Darstellung im Rahmen von Internet- und Online-Dienstleistungen, CD-ROM, CD und DVD und der Datenbanknutzung und das Recht, die vorgenannten Nutzungs-rechte auf Dritte zu übertragen, d. h. Nachdruckrechte einzuräu-men. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen und dergleichen in dieser Zeitschrift be-rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, dass solche Namen im Sinne des Warenzeichen- und Marken-schutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung übernommen. Mit Namen oder Zeichen des Verfassers gekennzeichnete Beiträge stellen nicht unbedingt die Meinung der Redaktion dar. Es gelten die allgemei-nen Geschäftsbedingungen für Autorenbeiträge.
Verlagsvertretung Österreich, Großbritannien, USA und Kanada: Marion Taylor-Hauser, Max-Böhm-Ring 3, 95488 Eckersdorf Tel.: +49 (0) 921 316 63, Fax: +49 (0) 921 328 75 E-Mail: [email protected]
DATENschuTz
Ihre Angaben werden von uns für die Vertragsabwicklung und für interne Marktforschung gespeichert, verarbeitet und genutzt und um von uns und per Post von unseren Kooperationspartnern über Produkte und Dienstleistungen informiert zu werden. Wenn Sie dies nicht mehr wünschen können Sie dem jederzeit mit Wirkung für die Zukunft unter [email protected] widersprechen.
Mitglied der Informationsgemeinschaft zur Fest stellung der Verbreitung von Werbeträgern e. V.
Druck: pva GmbH, Landau
ISSN: 0013-5674
Jahrgang: 48
Erscheinungsweise: 6 x jährlich
Bezugsbedingungen/Bezugspreise 2013 (unverbindliche Preisempfehlung): Jahresabonnement (inkl. Versandkosten) Inland Euro 60,–, Ausland Euro 90,–, Einzelheft (zzgl. Versandkosten) Euro 12,50. Der Studentenrabatt beträgt 35 %. Kündigungsfrist: jederzeit mit einer Frist von 4 Wochen zum Monatsende. Alle Preise verstehen sich inkl. MwSt.
Eine Haftung für die Richtigkeit der Veröffentlichung kann trotz sorgfältiger Prüfung durch die Redaktion, vom Ver leger und Her-ausgeber nicht übernommen werden. Die Zeitschriften, alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen, sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzu-lässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.
- Kein zusätzliches Füllmaterial (z.B. Schaum, etc.)- Umweltfreundlich, da ungetrennt zum Altpapier- Wiederverwendbar- Dadurch niedrigerer CO2-Fußabdruck- Reduzierung der Verpackungsvielfalt um bis zu 90%- Extrem schneller Verpackungsvorgang- Höchster Schutz für sensible Produkte- Präzise Kalkulation der Prozesskosten
Jetzt informieren und mit unseren VerpackungenCO2 und Prozesskosten reduzieren.
03 Anzeige Vater Sohn Windkraft.indd 1 4/10/2013 9:33:25 AM83_U3.indd 3 16.04.2013 11:01:38
Zukunftsweisende Designs lassen sich nicht mit Technologie von gestern lösen. Mit einem umfangreichen Produktangebot, anschlusskompatiblen Austauschoptionen, bewährter Innovationskraft und einem konsequenten Bekenntnis für technologische Spitzenleistungsteht Silicon Labs’ Technologie für Ihre Isolationsanforderungen bereit.
Sie müssen nie wieder Optokoppler oder Opto-Treiber verwenden! Bestellen Sie Ihr Digital-Isolator-Musterkit noch heute: www.silabs.com/isolation
OPTOKOPPLERSIND VERALTETE TECHNIK
OPTOKOPPLER1960er–2000er
Silicon Labs’ digitale Isolatoren und ISOdriver machen den Abschied von Optokopplern und Opto-Treibern
einfach. Silicon Labs’ Isolatoren bieten einen geringen Stromverbrauch, extrem hohe Datenraten, robuste
Mehrkanal- und bidirektionale Kommunikation und eine Zuverlässigkeit, wie es mit Optokopplern nicht möglich
ist. Die ISOdriver vereinen digitale Isolation mit Gate-Treibern und bieten bis zu 4 A Spitzen-Ausgangsstrom.
DIGITALE ISOLATIONSLÖSUNGEN VON SILICON LABS – ISOLATIONSTECHNIK FÜR DAS 21. JAHRHUNDERT.
ROBUSTER UND ZUVER-LÄSSIGER BETRIEB, WIE IHN IHRE ANWENDUNGEN ERFORDERN
Silicon Labs’ Isolatoren und ISOdriver sind führend bei Datenrate, Signallaufzeit, Störfestigkeit, ESD- und Jitter-Performance. Und sie arbeiten selbst unter rauesten Umgebungsbedingungen.
GERINGSTER STROMVERBRAUCH, SELBST BEI HOHEN DATENRATEN
Auf der Basis unserer patentierten HF-Isolationsarchitektur bieten Silicon Labs‘ digitale Isolatoren den geringsten Stromverbrauch und Datenraten bis zu 150 Mbit/s. Der Stromverbrauch bleibt selbst bei hohen Datenraten niedrig.
MEHRKANAL- UND BIDIREK-TIONALE KOMMUNIKATION—ALLES INKLUSIVE
Silicon Labs’ digitale Isolatoren eignen sich für zahlreiche Anwendungen. Mit ihrer kleinen Stell� äche, bis zu 5 kV Isolation und bis zu 6 Kanälen bieten sie eine Lösung für alle Isolationsanforderungen.
