Netzteile richtig dimensionieren Spitzenkaffee dank Spitzenlast?

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In Kaffeemaschinen treten durch Motoren und Pumpen kurzzeitig immense Lastspitzen auf. Diese müssen vom Netzteil abgefangen werden. Netzteile mit Peak-Power-Funktion bieten eine kosten- und platzsparende Lösung.

Quellen für Lastspitzen in Ihrer Applikation

Spitzenlasten in Systemen werden oft durch kapazitive und induktive Lasten verursacht. Kapazitive Lasten entstehen durch Kondensatoren im System, welche zunächst geladen werden müssen und somit anfangs eine grosse Menge Strom benötigen.

Andererseits resultieren induktive Lasten aus Komponenten, welche die elektromagnetische Induktion nutzen. Diese Lasten führen dazu, dass der Strom der Spannung hinterherhinkt, was wiederum einen erheblichen Strombedarf beim Start verursacht.

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Im Fallbeispiel der Kaffeemaschine können dies Elektromotoren für das Mahlwerk oder Pumpen sein, die das Wasser mit hohem Druck durch das Kaffeemehl pressen. Typischerweise finden sich in einer Vielzahl von anderen Applikationen induktive Lasten wie Elektromotoren, Pumpen, Lüfter und Elektromagnete.

Ihr Vorteil der Nutzung von Netzteilen mit Peak Power

In den meisten Fällen ist die Spitzenleistung, die diese Anwendungen fordern, deutlich grösser als die Nennleistung. Da ein gewöhnliches Netzteil einen Ausgangsstrom, der weit über dem Nennstrom liegt, nicht über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann, wird der Überstromschutz (OCP) ausgelöst und der beispielsweise vom Netzteil betriebene Motor läuft nicht an. Bei der traditionellen Leistungsauslegung müsste der System­ingenieur das System auf Grundlage der Spitzenleistung gestalten. Damit wäre das Netzteil, aufgrund der sehr kurz anstehenden Spitzenlast, für die meiste Zeit der Nutzung völlig überdimensioniert. Das wiederum führt zu einer Erhöhung von Grösse, Gewicht und Kosten des Systems. Endgeräte wie Kaffeemaschinen sollen stets kompakter und zeitgleich leistungsstärker werden. Systemingenieure stehen erheblichen Herausforderungen gegenüber, um den Platz- oder Gewichtsbeschränkungen gerecht zu werden.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, besteht eine alternative Möglichkeit darin, ein Netzteil mit Peak-Power-Funktion einzusetzen. Ein solches Netzteil kann anhand des durchschnittlichen Leistungsbedarfs anstelle der Spitzenleistung ausgelegt werden. Dieser Ansatz hilft, Platz- oder Gewichtsbeschränkungen gerecht zu werden und gleichzeitig Kosten einzusparen.

Es ist jedoch entscheidend sicherzustellen, dass die durchschnittliche Leistung, die vom System auf­genommen wird, unter der Nennleis- tungskapazität des Netzgeräts bleibt und die Spitzenlast und deren Dauer bzw. Zyklus im spezifizierten Bereich sind (siehe Abb. 1).

Wie Sie die richtige Lösung für Spitzenlastanwendungen auswählen

Im Allgemeinen dauert die Spitzenlast von mehreren Millisekunden bis zu Sekunden. Die Spitzenlastanforderungen können basierend auf ihrer Dauer in zwei Typen unterteilt werden:

Spitzenleistung für mehrere Millisekunden

Ist ein Spitzenstrom von mehreren Millisekunden zu liefern, besteht die einfache Lösung darin, ein Standardnetzteil zusammen mit einem Kondensator zu verwenden. Bei der Konfiguration dieses Stromversorgungssystems muss der Ingenieur jedoch die maximale kapazitive Belastung des Netzteils berücksichtigen und den Kondensator entsprechend anpassen, um sicherzustellen, dass die Spannungsabfälle an der Last innerhalb akzeptabler Toleranzen bleiben.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass die Spitzenlast 1 kW beträgt und 1 ms dauert, während der normale Betrieb nur 300 W benötigt. Der traditionelle Ansatz ist in diesem Fall, das Netzteil für die volle 1 kW zu konfigurieren, obwohl die durchschnittliche Leistung deutlich geringer ist. Im Gegensatz dazu erweist sich der vorgeschlagene Ansatz als erfolgreich, indem er ein 500-W-Netzteil in Kombination mit einem zusätzlichen Kondensator verwendet, um die Spitzenlast von 1 kW zu bewältigen (siehe Abb. 2).

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