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3-2018

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  • Medizinelektronik
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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Stromversorgung

Stromversorgung Herstellertipps für die optimale Netzteilauswahl AutorInnen: Dipl. Ing. Heidrun Seelen, Vertriebsleitung, MBA Frank Cubasch, Geschäftsführer Magic Power Technology GmbH www.mgpower.de Warum funktioniert manches Design-In von Stromversorgungen auf Anhieb, und warum sind andere zäh und mühsam? Ein Blick hinter die Kulissen eines Netzteilherstellers gibt Antworten. Welche Praxistipps lassen sich hieraus für den Entwickler ableiten? Die Stromversorgung ist oftmals das Stiefkind in einer Systementwicklung. Irrtümlich wird oft angenommen, dass das Netzteil „nur” Spannungen sicher auf ein (in der Regel niedrigeres) Niveau herunter setzt. Erst wenn der Entwickler die Laborstromversorgung am Arbeitsplatz ausschaltet und sich um das Seriennetzteil kümmert, wird die Komplexität des Themas deutlich. Aber dann ist es oft zu spät, wodurch Verzögerungen und vermeidbare Kosten entstehen. Ein Netzteil befindet sich Kurz gefasst: Die Komplexität bei der Auswahl eines passenden Netzteils wird oft unterschätzt. Dies kann zu Verzögerungen bei der Ausbietung und zu zusätzlichen Kosten führen. Wie man das optimale Netzteil findet und was dabei zu beachten ist, beschreibt der folgende Artikel. in einem Konglomerat aus technischen, kaufmännischen und normativen Anforderungen. In diesem Artikel soll überwiegend auf die technischen Details eingegangen werden. Randbedingungen während des Design-Ins von Schaltnetzteilen Aus Sicht des Entwicklers sind die wichtigsten Parameter Ausgangsspannung(en) und Leistung, Eingangsspannung, Zulassungen und die Baugröße. Selbst bei diesen fünf Parametern ist eine genauere Definition unabdingbar: Versorgungsspannung Die Versorgungsspannung eines Netzteils definiert sich über den Nennwert der Eingangsspannung, z. B. 100 - 240 V AC , und den Arbeitsbereich. Dieser wird i.d.R. mit Toleranzen von ±10 % ausgewiesen, so dass sich ein Eingangsspannungsbereich von 90 - 264 V AC ergibt. Ähnliches gilt für die Betriebsfrequenz mit 50 - 60 Hz als Nennwert und analog 47 - 63 Hz als Arbeitsbereich. Derating Je nach Netzteil, Kühlungssituation (aktiv oder lüfterlos), Temperatur und Leistung muss im unteren Eingangsspannungsbereich die Dauerleistung reduziert werden. Solch ein Eingangsspannungs- Derating ist im Datenblatt ausgewiesen und kann z. B. wie in Bild 2 gezeigt aussehen. Ist gewährleistet, dass die Kunden die Geräte nur in Europa betreiben, könnte man obiges Netzteil fast zu 100 % belasten. Ist jedoch von einem weltweiten Betrieb auch in den USA oder in Japan auszugehen, kann das Netzteil nur maximal 70 % der möglichen Leistung bereitstellen. 44 meditronic-journal 3/2018

Stromversorgung Bild 1 zeigt die Randbedingungen für die Auswahl einer Stromversorgung. Ausgangsleistung Bei der Kenngröße Ausgangsleistung ist zwischen Dauer- und Spitzen-/Peakleistung zu unterscheiden. Die Angabe der Peakleistung ist dann von Interesse, wenn seitens der Anwendung hohe Anlaufströme wie z. B. von Motoren gefordert werden. Neben dem reinen Wert der Peakleistung müssen zusätzlich die Dauer und die Wiederholfrequenz (duty cycle) berücksichtigt werden. Netzteile mit Mehrfachspannungen Bei Netzteilen mit Mehrfachspannungen wird oftmals eine entsprechende Nominalleistung pro Ausgang definiert. Die Summenleistung der Ausgänge ergibt dann i.d.R. die Nominalleistung des Netzteils. Typischerweise lässt sich jeder Ausgang auch dauerhaft höher belasten. Dieser oft als Maximalleistung definierte Wert erlaubt eine Verschiebung der Leistung zwischen den einzelnen Ausgängen, sofern sich die Summenleistung innerhalb der Netzteilspezifikation bewegt. Das nachfolgende Beispiel bezieht sich auf das MPI-815H, ein Multispannungsgerät mit 5 Spannungen und nominal 150 W Ausgangsleistung (siehe Tabelle 1): Spannungstoleranzen Bei der Netzteilauswahl müssen je nach Anwendung auch Spannungstoleranzen berücksichtigt werden. Diese lassen sich in folgende Gruppen einteilen: a) Initiale Einstellung ab Werk: Das ist die Genauigkeit, mit welcher der Hersteller die Ausgangsspannung ab Werk einstellt. Das zugrundeliegende Setting, z. B. Last, Temperatur, Eingangsspannung, ist im Datenblatt vorgegeben. Dies ist gleichzeitig der Bezugswert zusätzlicher Toleranzen, die sich z. B. aus den Toleranzen der Bauteile ergeben. Der Wert liegt in der Regel bei ±1 - 2 % bezogen auf die Sollspannung. b) Netztoleranz: Wie verändert sich die Ausgangsspannung bei konstanter Last, wenn sich die Eingangsspannung ändert? Meist ist der Wert vernachlässigbar klein und liegt deutlich unter der typischen ±1 % Angabe des Datenblattes. c) Lasttoleranz bei Einfachspannungen: Hier gibt es massive Unterschiede zwischen verschiedenen Netzteiltypen. Generell wird die Lasttoleranz basierend auf einem Ausgangswert (i.d.R 60 % der Nennleistung, siehe auch Punkt a) und zwei Lastpunkten (100 % und 20 % der Nominallast) vermessen. • Bei einem open frame Netzteil mit nur einer Ausgangsspannung sind die Unterschiede zwischen 20 % und 100 % Last sehr gering. Das Netzteil misst direkt an den Ausgangsklemmen die Ist-Spannung und führt sie einem Vergleicher zu, welcher die Primärseite nachregelt. Ausgangsspannung Nominallast Maximallast Differenz in % 5 V 55 W 70 W +27 % 12 V 60 W 120 W +100 % -12 V 6 W 12 W +100 % 3,3 V 25 W 40 W +60 % 5 Vstby 4 W 8 W + 88 % Summe 150 W 250 W* + 66 % * Die maximal mögliche Summenleistung beträgt 150 W Tabelle 1: Verhältnis Nominalleistung zu Maximalleistung am Beispiel des MPI-815H meditronic-journal 3/2018 45

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel