Stromversorgungen Redundanz ist nicht gleich Redundanz

Autor / Redakteur: Maximilian Hülsebusch, Puls GmbH / Andreas Leu

Das Ziel eines redundanten Stromversorgungssystems ist die Sicherstellung der Anlagenverfügbarkeit. Das eingesetzte Redundanz-Modul sollte sich jedoch stark an den Ansprüchen der jeweiligen Anwendung orientieren.

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(Bild: Puls GmbH)

Eine Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Versorgung sind robuste und ausreichend stark dimensionierte Netzgeräte sowie eine ordnungsgemässe Energieeinspeisung und eine sauber ausgeführte Verkabelung der Anlage. Darüber hinaus helfen Zusatz­geräte, wie z. B. Redundanz-­Module, die Zuverlässigkeit und Sicherheit weiter zu erhöhen.

In einem durchgängig redundant ausgelegten Stromversorgungssystem werden dabei zwei oder mehrere Netzgeräte parallel geschaltet und durch ein oder mehrere Redundanz-Module voneinander entkoppelt. Das Modul verhindert, dass ein defektes Gerät zur Last für die funktionierenden Geräte wird. Gleichzeitig wird der Verbraucher weiterhin in allen Betriebszuständen sicher mit Energie versorgt. Zur Entkoppelung der Netzgeräte werden Dioden oder äquivalente Bauteile — wie z. B. Mosfets — eingesetzt. Ohne Redundanz­-Modul könnte beispielsweise ein ausgangsseitiger Kurzschluss in einem Netzgerät die Busspannung kurzschliessen. Die Folge wäre ein kostspieliger Anlagenstillstand.

Diese grundsätzliche Funktionalität eines redundanten Stromversorgungssystems ist immer identisch. Jedoch stellt jeder Anwendungsfall mitunter spezielle Anforderungen an das eingesetzte Redundanz-Modul: Wird eine automatisierte Lastaufteilung benötigt? Muss bei dem System besonders auf die Anschaffungskosten geachtet werden? Ist eine Überwachung der Redundanz notwendig? Muss die Spannung permanent verfügbar sein, selbst während des Austausches eines defekten Geräts?

Kostenorientiert entkoppeln mittels Dioden-Lösung

Die Entkopplung mittels Dioden ist eine kostenorientierte Lösung, die Puls mit seinen Modulen YRM2.DIODE (24 V, 2 × 10 A) und PIRD20.241 (24 V, 2 × 10 A) anbietet. Für viele Anwendungen ist die Dioden-­Entkoppelung gut geeignet. Sie funktioniert absolut zuverlässig. Die Schaltung kommt mit wenigen Bauteilen aus, was preiswerte Geräte ermöglicht.

Die Nachteile der Entkoppelung durch Dioden sind allerdings die höheren Verluste in Form von Wärme. Dadurch sind die Dioden-Redundanz-Module für den Einsatz in energieeffizienten oder besonders beengten Systemen nicht die erste Wahl. Bei einem 40-A-Laststrom entstehen rund 20 W Verluste (siehe Grafik 1).

Mosfet-Lösung: Effizient entkoppeln

Mosfets als Entkoppel-Elemente tragen hingegen zur Effizienzsteigerung der Redundanz-Module bei. Durch diese Technik lassen sich die Verluste fast auf null bringen. Bei einem Laststrom von 40 A im Mosfet-Modul entstehen beispielsweise lediglich Verluste in Höhe von 3 W anstelle von 20 W bei der Dioden-Lösung. Die meisten Redundanz-Module im Puls-Portfolio basieren auf der Mosfet-Technologie.

Ein weiterer Vorteil von Mosfets ist die Reduktion des Spannungsabfalls zwischen Ein- und Ausgang des Redundanz-Moduls. Dioden verursachen einen Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgang von 500 mV. Bei den Mosfet-Redundanz-Modulen konnte diese Situation drastisch entspannt werden. Bei 40 A Ausgangsstrom beträgt der Spannungsabfall beim Modul YR80.241 (24 V, 2 × 40 A) beispielsweise weniger als 50 mV zwischen Ein- und Ausgang.

Parallelfunktion und Redundanz-OK-Signal: regeln und überwachen

Dank Mosfet-Technologie ist auch eine Integration der Parallelfunktion in das Redundanz-Modul möglich. Die Parallelfunktion regelt eine gleichmässige Aufteilung des Laststroms auf die einzelnen Netzgeräte. Das führt zu einem besseren Wärmegleichgewicht, einer längeren Lebens­dauer und niedrigeren Systemkosten.

Bei der Integration der Parallelfunktion in das Redundanz-Modul werden die Mosfets im Linearbetrieb genutzt und erzeugen in dem Kanal mit der höheren Spannung einen richtig dosierten Spannungsabfall. Dadurch stellt sich eine Stromsymmetrie zwischen den beiden Kanälen und damit den Netzgeräten ein. Durch diese Methode der automatischen Lastaufteilung, die beispielweise im neuen Redundanz-Modul YR20.246 (24 V, 2 × 10 A) zum Einsatz kommt, lassen sich auch Netzgeräte ohne integrierte Parallelfunktion parallel nutzen. Die drei LEDs auf der Vorderseite des Gerätes zeigen dem Anwender zudem etwaige Spannungsdifferenzen an. Sollte beispielsweise aufgrund einer zu grossen Differenz (>typ. 370 mV) eine manuelle Angleichung der einzelnen Ausgangsspannungen notwendig sein, erkennt der Anwender sofort, welche Stromversorgung stärker belastet wird, und kann dies beheben. Das YR20.246 ermöglicht ausserdem die Überwachung der Redundanz über einen Relais-Kontakt. Das Gerät verfügt über ein Redundanz-­OK-Signal, das in den folgenden Fehlerfällen eine Meldung ausgibt — sofern sie länger als 2 Sekunden andauern:

  • Eine oder beide Eingangsspannungen liegen unter 22 Vdc oder über 30 Vdc.
  • Der Ausgangsstrom ist höher als der eingestellte Schwellwert.
  • Ein interner Defekt des Redundanz-Moduls wird erkannt.

Hot-Swap-Lösung: Austausch im laufenden Betrieb

Es gibt Anlagen, bei denen selbst ein kurzfristiger Ausfall Sicherheitsrisiken oder gravierende wirtschaftliche Verluste bedeuten kann. Dann ist ein Redundanz-System gefordert, das den schnellen Austausch von defekten Geräten ohne Spannungsunterbrechung zulässt.

Das Mosfet-Redundanz-Modul YR40.245 (24 V, 1× 40 A) wurde für diesen Anwendungsfall entwickelt. Es ist mit kurzschlusssicheren Steckverbindern ausgestattet, die «Hot-Swapping» ermöglichen. Unter «Hot-Swapping» versteht man das Austauschen einer defekten Stromversorgung oder eines Redundanz-Moduls in einem laufenden System ohne Spannungsunterbrechung. Unmittelbar nach dem Austausch ist die Redundanz wiederhergestellt.

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