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3-2021

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Stromversorgung 500 W

Stromversorgung 500 W 450 W 400 W 350 W 300 W 250 W 200 W 150 W 100 W -20 °C -10 °C 0 °C 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 70 °C sind aber auch die Spitzen leistung, deren Dauer sowie die Wiederholfrequenz (duty cycle) wichtige Kriterien zur Auswahl eines Netzteils. Speziell Motoren bedürfen höherer (Anlauf)-Ströme, sind jedoch oftmals nur kurzzeitig in Betrieb. Aus dieser Sicht ist es in Bezug auf Kosten und Baugröße unvorteilhaft, die Nominalleistung des Netzteils an der Spitzenleistung der Anwendung auszurichten. Deshalb erlauben manche Stromversorgungen eine Über lastung für eine gewisse Zeit t. Z. B. bietet das MPM-K450 eine Peakleistung von 600 W für 10 sec und ermöglicht so auch Lasten mit großer Spitzenleistung bei hoher Wiederholfrequenz. Leistungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur Es ist leicht nachzuvollziehen, dass bei medizinischen elektrischen Geräten bei Umgebungstemperaturen von 30 °C und mehr, eventuell sogar in geschlossenen IP67 Kunststoffgehäusen, im Inneren durchaus Temperaturen von XYZ Leistungsbedarf Anwendung 250W@ max. 70°C thermische Überlastung von XYZ ab 58°C Bild 4: Vergleich Derating MPM-K450 zu Vergleichsnetzteil 60 °C oder höher entstehen können. Umso wichtiger ist es, dass das Netzteil zum einen ein geringes Derating aufweist und zum anderen die Starttemperatur für das Derating möglichst hoch ist. Derating bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Entwicklungsingenieur rückwärts rechnen muss, ob das Netzteil bei einer bestimmten Leistung, Umgebungstemperatur und eventuell Eingangsspannung noch im spezifizierten Bereich betrieben wird. Hierzu ein Beispiel: Gegeben sei eine Temperatur im Inneren der Anwendung (= Umgebungstemperatur für das Netzteil) von 70 °C und eine Leistungsanforderung von 250 W. Zur Auswahl stehen zwei, auf den ersten Blick identisch starke Netzteile: • Netzteil 1: MPM-K455 mit nominal 450 W@50 °C und einem derating von -2 %/°K • Netzteil 2: XYZ mit nominal 450 W@40 °C und einem derating von -2,5 %/°K Bei 70 °C erlaubt das MPM-K455 eine Leistung von MPM-K450 450 W x (1- ((70 °C - 50 °C) x 2%)) = 270 W. Für das Vergleichsnetzteil lautet die Berechnungsformel 450 W x (1-((70 °C - 40 °C) x 2,5%)) = 112 W. Wenn auch auf den ersten Blick beide als 450-W-Netzteil definiert sind, so kann das Vergleichsnetzteil die geforderte Leistung nur bis 40 °C dauerhaft liefern. Allenfalls kurzfristig würde es auch bei 70 °C die benötigten 250 W zur Verfügung stellen können, eignet sich aber damit nicht für diesen Einsatzfall (siehe Bild 4) Zwar haben Netzteile dieser Leistungsklasse eine reversible thermische Überlastabsicherung mittels Thermoschalter. Dieser ist jedoch nicht primär dazu gedacht, die Deratingbedingungen zu überwachen. Er dient der elektrischen Sicherheit, weswegen der Temperaturschutz nicht zwangsläufig zum Abschalten führt und somit nicht als Bewertungskriterium für die thermische Situation herangezogen werden kann. Was aber im Falle dieser schleichenden Überlastung passieren wird, sind deutlich frühere Ausfälle, da z. B. die Elektrolytkondensatoren empfindlich gegenüber hohen Temperaturen reagieren. Generell kann man davon ausgehen, dass eine um 10 °K höhere Temperatur circa eine Halbierung der Lebensdauer der Bauelemente zur Folge hat. Dieser Zusammenhang ist bei einem Netzteil mit besserem Derating konstruktiv bereits berücksichtigt, indem z. B. Elkos mit höherer Lebensdauer zum Einsatz kommen. Während des Entwicklungsprozesses in der Praxis kann man die thermischen Gegebenheiten nur über eine Messung der Netzteiltemperatur oder aus Unterlagen des Herstellers der Bauteile sicher feststellen. Ein simples „die Lampe brennt seit 24 h --> ergo funktioniert das Netzteil“ kann eine trügerische Sicherheit suggerieren. Bei Unsicherheiten oder bei Montagearten, welche die Entwärmung einschränken wie z. B. Über-Kopf- Montage, sollte der Netzteilhersteller unbedingt mit ins Boot genommen werden. Er kann die Ergebnisse bewerten oder die Applikation entsprechend vermessen und dann die Einsatzbedingungen für das Netzteil bestätigen. Wieviel Leerlaufleistung ist erlaubt? Die Leerlaufleistung ist ein Wert, der bereits im Vorfeld berücksichtigt werden muss, da verschiedene Anwendungen per Verordnung mit maximalen Stand-by-Leistungen versehen sind. Und liegt hier bereits das Netzteil über diesem Wert, kann die gesamte Applikation dies natürlich auch nicht einhalten. Mit

Stromversorgung Bild 5: Spannungs- und Stromverläufe Netzteil ohne PFC 230 VAC Wo in der Welt wird das Medizingerät eingesetzt? – Besonderheiten Eingangsspannungsbereich Generell weisen Schaltnetzteile gegenüber linearen bzw. Transformatornetzteilen den Vorteil eines weiten Eingangsspannungsbereiches auf. Dieser umfasst oftmals nominal 115- 230 VAC zzgl. Toleranzen. Exportiert man nach Japan, findet man dort ein 100 VAC-Versorgungsnetz vor. Deshalb sollte das Netzteil für einen Eingangsbereich ab mindestens 90 VAC, besser 85 VAC geeignet sein. Am oberen Ende sind 260 bzw. 264 VAC zu empfehlen. Je nach Qualität und Aufbau des Versorgungsnetzes sowie anhand der parallel angeschlossenen Geräte kann sich allerdings eine Überspannung aufbauen, weswegen das Netzteil ein kurzzeitig erhöhtes Eingangsspannungsniveau tolerieren sollte. Beim MPM-K450 sind das z. B. 280 VAC über 5 sec. Aktive vs. passive PFC Die IEC61000-3-2 legt bestimmte Werte für die Oberwellen des Eingangsstromes fest. Diese richten sich nach der Eingruppierung der Anwendung in die Klassen A - D. Die Ströme sind je nach Klasse entweder prozentual zur Leistung oder als genereller Maximalwert vorgegeben. Für Anwendungen außerhalb von Beleuchtungen (Klasse C) meditronic-journal 3/2021 und tragbaren Elektrowerkzeugen (Klasse B) kommen für die meisten Anwendungen die Klassen D (Rechner, IT, Monitore) und Klasse A (Sonstiges) zur Auswahl. Die Norm gilt für einphasige Produkte (Klasse A auch symmetrisch 3-phasig) mit einer Leistung von 75 W (Klasse C 25 W) – 1000 W (Klasse A - C) bzw. 600 W (Klasse D). Bis etwa ca. 200 W Ausgangsleistung sind Netzteile ohne aktive PFC verfügbar, oberhalb ist eine aktive PFC Stand der Technik. Die aktive PFC besteht aus einem sogenannten Hochsetzsteller (stepup Konverter), also einem nicht isolierten DC-DC-Wandler, der vor dem eigentlichen isolierten Hauptwandler in Richtung Netzeingang platziert ist. Dieser PFC-Wandler übernimmt die gleichgerichtete Eingangsspannung und setzt diese auf eine Zwischenkreisspannung von ca. 370 VDC um. Die Umsetzung erfolgt so, dass die Stromaufnahme bis zur 39. Harmonischen Oberwelle quasi einem Widerstand entspricht. Für das Netzteil hat dies drei Vorteile: a) Der Hauptwandler „sieht“ aus der aktiven PFC nur eine Bild 6: Spannungs- und Stromverläufe Netzteil ohne PFC 110 VAC hochgenaue Versorgungsspannung von 370 VDC (Zwischenkreis). Bei einem Netzteil ohne aktive PFC schwankt die Zwischen kreisspannung zwischen 120 VDC (85 VAC) und 373 VDC (264 VAC). Man kann sich nun leicht vorstellen, wie breit in diesem Fall der Eingangsbereich des Übertragers ausgelegt werden muss und welche unterschiedlichen Taktverhältnisse er bei unterschiedlichen Netz- und Lastbedingungen verarbeiteten muss. b) Die PFC-Stufe stellt zwar eine zusätzliche Baugruppe dar und hat wie jedes Bauelement einen Wirkungsgrad

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