April 2013

Bauelemente für Stromversorgungen

Zuverlässig schützen und stabilisieren

TDK bietet Entwicklern von Stromversorgungen alle passiven Bauelemente aus einer Hand: Das breite Portfolio vor allem von EPCOS Produkten umfasst alle Arten von leistungsstarken Zwischenkreiskondensatoren. Hinzu kommt eine überaus breite Palette an Übertragern, Drosseln, Schutz- und EMV-Bauelementen sowie vieles mehr.

Kaum ein Gerät wird heute noch mit der normalen Netz-Wechselspannung betrieben. Ob Kommunikations- und Informationstechnologie, Konsum-Elektronik, Industrie-Elektronik oder Beleuchtungstechnik – Stromversorgungen in unterschiedlichsten Topologien sind allgegenwärtig.

Das Technologiegebiet der Stromversorgungen umfasst Umrichter für Photovoltaik- und Windkraftanlagen oder Frequenzumrichter zur Speisung von Motoren genauso wie getaktete Stromversorgungen in den unterschiedlichsten Leistungsklassen. Das Spektrum reicht von einigen wenigen Watt etwa bei Ladegeräten für Mobiltelefone bis in den Kilowattbereich bei leistungsfähigen Industrie-Stromversorgungen. Abbildung 1 zeigt den typischen Aufbau der Eingangsschaltung von getakteten Stromversorgungen mit allen passiven Bauelementen vor dem Gleichrichter.

Abbildung 1: Aufbau der Eingangsschaltung eines Schaltnetzteils

 

Im Eingangskreis einer Stromversorgung sorgen EPCOS Bauelemente für Schutz vor Überstrom und -spannung und stellen die EMV sicher.

Sicher vor Überströmen
Zwischenkreiskondensatoren beaufschlagen den Gleichrichter wie auch das Netz im Einschaltmoment mit extrem hohen Eingangsströmen. Dies kann im Extremfall zur Zerstörung der Dioden des Gleichrichters führen oder zum Auslösen der Netzsicherung.

Vermeiden lässt sich dies durch den Einsatz von ICL-NTC-Thermistoren (Inrush Current Limiter), die ein sanftes Hochfahren der Stromversorgung ermöglichen. Diese Heißleiter sind im Einschaltmoment relativ hochohmig und begrenzen somit den Einschaltstrom. Erst wenn sie durch den Stromfluss hinreichend erwärmt sind, fällt ihr Widerstand auf einen vernachlässigbaren Wert ab. Mit den NTC-Thermistor-Serien B57xxxS bietet EPCOS für jede geforderte Stromstärke einen entsprechenden ICL.

Während des Betriebs schützen dann Kaltleiter (PTC-Thermistoren) vor zu hohen Strömen – etwa bei einem Kurzschluss. Bei zu hohen Strömen erwärmen sich diese Bauelemente und werden hochohmig. Sie werden ebenso wie die ICLs direkt in den Strompfad des Netzeingangs geschaltet. Die Serie B5910xJ deckt die gängigsten Stromstärken ab. Diese Bauelemente sind als bedrahtete oder gehäuste Versionen verfügbar. Abbildung 2 zeigt neben NTC- und PTC-Thermistoren zum Überstromschutz auch einen Varistor der ETFV-Serie, ein Kombi-Bauelement, das mehrere Schutzfunktionen in sich vereint.

Abbildung 2: Keramische EPCOS Schutzbauelemente


Von links: ICL-NTC-Termistor, PTC-Thermistor und -Varistor der Serie ETFV. Diese Bauelemente schützen Netzeingänge von Stromversorgungen sicher vor Überströmen und -spannungen.

Gerade durch die dezentrale Energieerzeugung vor allem mit Windkraft- und Solaranlagen steigt das Risiko von Spannungsschwankungen und gefährlichen Überspannungen. Für einen sicheren Betrieb von Stromversorgungen sorgen hier etwa EPCOS Varistoren, mit denen TDK Weltmarktführer bei Überspannungsschutz-Bauelementen ist. Diese Keramik-Bauelemente werden ständig weiterentwickelt und verbessert. So sind nun Typen für eine mehrfache, hohe Pulsbelastbarkeit verfügbar. Ein besonderes Highlight sind die Varistoren der Serie ETFV (Abbildung 2 rechts). Sie verfügen über eine integrierte thermische Sicherung, die das Bauelement bei Überlastung freischaltet. Außerdem bieten diese Bauelemente einen Monitor-Ausgang, über den eine Fehlfunktion signalisiert wird. Dank der Hitzebeständigkeit und flammhemmenden Bauweise erfüllen diese Varistoren die Spezifikation nach UL 94 V-0. Ferner sind sie nach UL 1449 3rd Edition, UL 60691 und IEC 6 0950-1 Annex Q qualifiziert. Die ETFV-Varistoren können über Leiterplattenklemmen angeschlossen werden, was Wartungsarbeiten deutlich vereinfacht. Neben vielen Varianten monolithischer Varistoren mit diversen Anschlusskonfigurationen und Belastbarkeiten eignen sich auch SMT-Vielschicht-Varistoren sehr gut zum Schutz der Steuerelektronik von Stromversorgungen.

EMV – ein absolutes Muss

Für den EMV- und Transientenschutz bietet EPCOS eines der weltweit breitesten Spektren an X- und Y-Kondensatoren sowie Gleichtaktdrosseln. Die EMI-Kondensatoren der Serien B3292x, B3202x, B3291x und B81123 sind für Spannungen von 250 bis 330 V AC ausgelegt. Selbstverständlich verfügen diese Bauelemente über die entsprechenden Zulassungen nach UL1414, UL1283, CSA C22.2 und EN 60384-14.

Bei den Gleichtaktdrosseln bietet EPCOS mit den Serien B827xx ein breites Portfolio an Doppel-, Dreifach- und Vierfachdrosseln. Das Spannungsspektrum reicht dabei von 250 V AC bis 690 V AC, die zulässigen Strombelastbarkeiten erstrecken sich von 0,25 A bis 200 A. Um möglichst hohe Wirkungsgrade bei gleichzeitig geringer Netzbelastung durch einen großen Stromflusswinkel zu erreichen, wird direkt nach der Gleichrichtung eine Power Factor Correction Boost-Stufe geschaltet. Hierfür sind EPCOS Induktivitäten hervorragend geeignet. Sie bieten ein breites Spektrum an Stromtragfähigkeiten und sind in bedrahteten sowie SMT-Ausführungen verfügbar.

Abbildung 3: EPCOS EMV-Bauelemente für Stromversorgungen


X1-Kondensatoren der Serie B32913* (links) und stromkompensierte Gleichtaktdrosseln der Serie B82727*.

Abbildung 4: Prinzipschaltbild einer getakteten Stromversorgung mit Zwischenkreis, Wandler und Ausgangsbefilterung

 

In der Ausgangsstruktur einer Stromversorgung sind EPCOS Kondensatoren zur Stabilisierung der Spannung unverzichtbar.

Kondensatoren für den Zwischenkreis

Die wichtigsten Bauelemente des Zwischenkreises sind die Kondensatoren. Sie sorgen für die Glättung der welligen Gleichrichterspannung und stabilisieren so die Zwischenkreisspannung. Hierfür bieten sich EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit ihren hohen CV-Werten an, mit denen sich sehr kompakte Stromversorgungen realisieren lassen. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Ripple-Strombelastbarkeit, niedrige ESR- und ESL-Werte aus, wodurch es zu geringer Eigenerwärmung kommt. Je nach erforderlicher Leistung und Spannung des Zwischenkreises kommen hier radiale Ausführungen oder Snap-in-Typen mit 2 oder 4 Pins zum Einsatz. Die Kondensatoren decken ein Spannungsspektrum von 10 V DC bis 600 V DC ab und sind für maximale Temperaturen von 85 °C bis 140 °C ausgelegt.

Bei zwei neu entwickelten Serien von EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Schraubanschlüssen (B43700* und B43720*) konnte die zulässige Nennspannung von bisher 550 V DC auf 600 V DC erhöht werden (Abbildung 5). Diese Kondensatoren decken ein Kapazitätsspektrum von 1200 µF bis 6800 µF ab. Sie sind für Temperaturen bis zu 85 °C ausgelegt und darüber hinaus sehr kompakt ausgeführt. Auch eine neue Snap-in-Serie B43541* für Temperaturen von bis zu 85 °C bietet nun eine Nennspannung von 600 V DC statt bisher 550 V DC; die Kapazitätswerte bewegen sich hier zwischen 47 µF und 330 µF. Neu im Portfolio sind auch Typen mit höherer Nennspannung für Temperaturen von bis zu 105 °C: Bei Schraubanschluss-Typen beträgt die Nennspannung jetzt 500 V DC statt bisher 450 V DC; bei Snap-in-Typen konnte die Spannung von bisher 500 V DC auf 550 V DC erhöht werden. Dank dieser deutlichen Spannungssteigerungen ist es möglich, in den Zwischenkreisen weniger Kondensatoren in Reihe zu schalten, was zu einer Reduzierung des benötigten Bauraums und der Kosten führt.

Alternativ können auch EPCOS MKP Folien-Kondensatoren zur Stabilisierung des Zwischenkreises eingesetzt werden. Hierfür eignen sich die Serien B3267* (High Power) oder B3277* (High Density). Sie sind für Spannungen von 450 V DC bis 1300 V DC ausgelegt und decken ein Kapazitätsspektrum von 0,47 μF bis 110 μF ab. Wie alle EPCOS Folien-Kondensatoren zeichnen sie sich durch eine sehr hohe Lebensdauer aus. Außerdem sind sie selbstheilend: Das heißt, durch Überspannung erzeugte Durchschläge führen zu einer lokalen Verdampfung der Metallisierung, wodurch der Kondensator trotzdem weiter funktionsfähig bleibt.

Abbildung 5: EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensator für 600 V
Die Serien B43700* und B43720* von Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren bieten nun eine Betriebsspannung von 600 V und eignen sich für Stromversorgungen und Industrieumrichter.

Leistungsfähige, kompakte Induktivitäten
Um verschiedene Spannungsebenen am Ausgang der SMPS zu erreichen, sind durch MOSFETs getaktete EPCOS Leistungsübertrager der Serien B78* erforderlich. Sie werden mit den verschiedensten Kernformen sowie als SMD- oder PTH-Versionen angeboten. Trotz der Kompaktheit lassen sich pro Übertrager Leistungen bis 200 W realisieren. Auch Versionen mit mehreren Ausgängen sind lieferbar. Ein besonderes Highlight sind die neuen Drosseln und Übertrager der EPCOS E-Mobility-Plattform. Sie wurden speziell für On-Board Charger entwickelt und zeichnen sich neben der Kompaktheit besonders durch geringe Verluste aus.

Um die so gewonnenen Ausgangsspannungen nach der Gleichrichtung zu glätten, sind im Strompfad EPCOS SMT-Induktivitäten erforderlich. Hierfür sind die EPCOS Serien B8246*, B8247* oder B8255* geeignet. Das Spektrum umfasst hierbei Typen mit Stromtragfähigkeiten von 0,11 A bis 71 A in geschirmten und ungeschirmten Ausführungen. Dank der Flachdraht-Helicoil-Wicklungen bei den Hochstrom-Ausführungen ergibt sich ein sehr hoher Kupferfüllfaktor, wodurch diese Bauelemente trotz hoher Leistungsfähigkeit nur einen geringen Platzbedarf haben. Ebenso sind hier TDK Induktivitäten geeignet. Für die Glättung im Spannungspfad empfehlen sich Single-ended Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren der Serien B41* oder Folien-Kondensatoren.

Um eine exakte Regelung der SMPS zu erreichen sind EPCOS Stromsensoren unverzichtbar. Hierfür wurden die Serien B82801* entwickelt. Sie sind mit Übersetzungsverhältnissen von 1:20 bis 1:125 verfügbar und für Ströme von 7 A bis 40 A ausgelegt.

Tabelle: EPCOS und TDK Bauelemente für Stromversorgungen

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