Werden Standard-Netzgeräte redundant geschaltet, müssen herkömmlich am Ausgang zwei Dioden für eine Entkopplung sorgen, damit das eine Netzgerät nicht in den Ausgang des zweiten rückspeisen kann. Die Dioden-Entkopplung ist aber mit einem Makel behaftet aufgrund der erheblichen Verluste in den beiden Dioden. Bei 20A Laststrom entstehen rund 10W Verlust pro Diode; da helfen dann nur große Kühlkörper. Die Frage nach der optimalen Redundanz lässt sich in zehn Punkten festhalten:
1. Sicherer Betrieb und Verfügbarkeit
2. Kleine Verluste
3. Einfache Handhabung
4. Rückspeisefestigkeit vom Verbraucher her
5. Kurzschlussfestigkeit
6. Stromaufteilung zwischen
den Netzgeräten
7. Meldung bei Defekt eines Netzgeräts
8. Eingang verpolungssicher
9. Störmeldung
10. Hot-Swapping
Entkopplung zweier Geräte
Epitaxial- oder Schottkydioden von üblichen Redundanzmodulen verursachen Spannungsfälle von 0,6 bis 0,8V. Das führt bei hohen Lastströmen zu großen Verlusten im Schaltschrank. Dieser Wärmeanfall muss durch die Schaltschrankentwärmung auch noch abgeführt werden. Bei Puls hat man sich die Wunschliste der zehn Punkte genau angeschaut. Dabei ist klar geworden, dass nur eine völlig neue Technik, bei der Mosfets die Aufgabe der üblichen Entkopplungsdioden übernehmen, die Verluste massiv reduzieren kann. Entstanden ist dabei eine Serie von Mosfet-Redundanzmodulen für Lastströme bis zu 80A, welche die wichtige Maßgabe kleiner Verluste optimal erfüllen. Selbstverständlich erfüllen diese Redundanzmodule die anderen neun Punkte ebenfalls ein. Bild 2 zeigt die Verluste der herkömmlichen Lösung mit Entkopplungsdioden und der Mosfet-Technik. Bei einem Laststrom von 40A entstehen im Mosfet-Modul Verluste von 3W. Damit ist ein kompaktes DIN-Schienen-Modul von nur 36mm Breite möglich. Der Anwender schließt dabei die Ausgänge seiner beiden Netzgeräte auf der einen Seite des Redundanzmoduls an. Auf der anderen Seite steht die sichere Stromversorgung zur Verfügung.
Kurzschluss, heikles Problem
Leser mit Elektronik-Kenntnissen könnten im ersten Moment denken, dass die Mosfet-Technik ziemlich trivial ist – das ist sie auch, wenn man nur den Normalbetrieb betrachtet. Dies gilt allerdings nicht im Falle eines Kurzschlusses oder gar einer Verpolung der Netzgeräte am Eingang des Redundanzmoduls. Im Falle eines Kurzschlusses an der Last bricht die Spannung der Netzgeräte zusammen und es steht fast keine nutzbare Spannung mehr am Eingang des Redundanzmoduls zur Verfügung. Wenn aber die Mosfets im Redundanzmodul nicht angesteuert bleiben, um den Kurzschlussstrom verlustarm fließen zu lassen, übernehmen diesen Strom die sogenannten ‚Body-Dioden‘ in den Mosfets. Die Verluste steigen dabei auf das 15-fache an und zerstören die Mosfets. Eine neue Schaltung, die auch mit einer minimalen Restspannung die Mosfets korrekt ansteuert, wurde für diesen Fall entwickelt. Weitere kritische Situationen entstehen auch, wenn auf einen bestehenden Kurzschluss die Netzgeräte zugeschaltet werden oder wenn die Eingangsspannung verpolt angelegt wird. Auch mit diesen Fällen weiß die neue Schaltung umzugehen.
Kompaktes Team
Bis vor Kurzem benötigte ein einzelnes 40-A-Netzgerät mehr Platz auf der DIN-Schiene als nun ein komplettes redundantes System, bestehend aus zwei 3-Phasen 40-A-Stromversorgungen und einem YR80.241 Redundanzmodul. Eine totale Baubreite von 266mm reicht hierfür aus. Für 1-Phasen-Applikationen stehen zudem auch 1-Phasen-Netzgeräte zur Verfügung. Es bleibt hier zu beachten, dass die beiden Netzgeräte an zwei verschiedene Phasen angeschlossen werden.
Gleichmäßige Stromaufteilung
Wenn schon eine oder mehrere Stromversorgungen parallel betrieben werden, ist es für ein besseres Wärmegleichgewicht und damit eine längere Lebensdauer vorteilhaft, wenn der Laststrom gleichmäßig auf die einzelnen Netzgeräte aufgeteilt wird. Viele der neuen Puls-Netzgeräte verfügen über den dafür wählbaren ‚Parallel-Use‘-Modus. In diesem Modus ist die Ausgangsspannung so geregelt, dass diese im Leerlauf etwa vier Prozent höher ist als bei Nennlast. Damit ergibt sich eine automatische Stromaufteilung zwischen den Geräten, sofern die Leerlaufspannung der Netzgeräte gleich groß ist. Übernimmt ein Netzgerät mehr Strom, sinkt automatisch dessen Spannung und es stellt sich wieder eine Stromsymmetrie ein. Mit dieser Eigenschaft ist die Stromaufteilung verlustfrei und verletzt daher auch nicht den Redundanzgedanken. Zurzeit findet man am Markt auch Redundanzmodule mit Lösungen, welche die Stromaufteilungs-Funktion im Redundanzmodul integriert haben. Hierzu werden Mosfets im Linearbetrieb betrieben und verheizen in einem Kanal so viel ‚Spannung‘, dass sich eine Stromsymmetrie zwischen den zwei Eingängen einstellt. Dazu muss eine höhere Komplexität eingegangen werden. Der Ansatz, die Parallelfunktion im Netzgerät zu integrieren, ist hier von Vorteil. Die Verluste und die Wärmeentwicklung sind geringer und die Lebenserwartung steigt. Der Redundanz-Gedanke – höchste Sicherheit und Verfügbarkeit – wird mit dem Parallel-Use-Mode unterstützt und es sind damit neben den klassischen 1+1-Redundanzsystemen auch N+1-Systeme realisierbar.
Hot-Swapping
Ein besonderes Redundanzmodul ist das YR40.245. Damit ist erstmalig auch ‚Hot-Swapping‘ möglich. Unter ‚Hot-Swapping‘ versteht man das Austauschen einer Stromversorgung oder eines Redundanzmoduls in einem laufenden System. Hierzu sind die kritischen Verbindungen mit kurzschlusssicheren Steckverbindern ausgestattet. Wenn beim Austauschen die vorgegebene Reihenfolge eingehalten wird, lassen sich defekte Module ohne Spannungsunterbruch auswechseln. Nach dem Austausch ist die Redundanz wieder hergestellt. Dies ist für hochverfügbare Anlagen unabdingbar.
Fazit
Redundante Stromversorgungen liefern einen wichtigen Beitrag beim Aufbau von zuverlässigen und ausfallsicheren Maschinen und Anlagen. Das beschriebene Programm von Standard-Redundanzmodulen erstreckt sich neben den klassischen 24-V-Modulen über den Strombereich von 20 bis 80A und Eingangsspannungen von 12-60V. Eine Besonderheit ist sicher die serienmäßig erhältliche ‚Hot-Swapping‘-Technik. Mit dem modularen Konzept lassen sich auch nicht-redundante Systeme in redundante Systeme aufrüsten, ohne dass dabei das Thermomanagement nennenswert verschlechtert wird.
