Netzteile für Industrie-PCs – Seien Sie nicht schockiert!

Die heutigen Fertigungsanlagen enthalten eine Mischung aus alten und neuen Technologien. Moderne Sensoren, Laser, Bewegungssteuerungssysteme und Machine-Vision-Systeme werden in Verbindung mit den Arbeitspferden der Industrie eingesetzt – Magnetspulen, Spulen, Relais und Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSes). Während diese moderne Technologie die Effizienz der Arbeitsabläufe verbessern kann, bringt sie auch neue Herausforderungen mit sich.

Die Kombination von Alt und Neu erfordert sorgfältige Überlegungen, insbesondere wenn Industrie-PCs Teil der Einrichtung sind. Industrie-PCs sind auf Netzteile angewiesen. Allerdings ist ihr Strombedarf unterschiedlich. Einige benötigen sauberen Strom, der gut reguliert und frei von Störungen und Transienten ist. Hingegen erzeugen andere Geräte während des Betriebs Stromverschmutzungen, wie beispielsweise HF- und transiente Spannungsgeräusche und Spannungsspitzen.

Obwohl sich dies kompliziert anhört, wird die Kenntnis einiger allgemeiner Konzepte und bewährter Praktiken der Branche dafür sorgen, dass Ihre Maschinen über Jahre hinweg berechenbar und störungsfrei laufen. OnLogic möchte den Nutzer:innen helfen, problematische Situationen zu erkennen und zu ermitteln, wie sie entschärft werden können.

Was sind die wichtigsten Herausforderungen für Netzteile von Industrie-PCs?

Ingenieur:innen sind immer bestrebt, die Verkabelung zu vereinfachen und die Kosten zu senken. Die Netzteile für Industrie-PCs, die die Elektrizität liefern, müssen oft mehr leisten, als das, wofür sie ausgelegt sind. In vielen Fällen wird ein einziges Netzteil verwendet. Es versorgt die Computer zusätzlich zu den elektromechanischen Geräten, die sie steuern oder überwachen. Dabei kann es sich um Magnetspulen oder Motoren handeln.

Zwar empfiehlt die bewährte Industriepraxis die Isolierung von empfindlicher Elektronik (z. B. Computern) und lauten elektromechanischen Bauteilen durch die Verwendung separater Netzteile. Jedoch sieht die Realität so aus, dass Systeme (und ihre Netzteile) aufgrund der Vernachlässigung dieses Standards nicht die erforderliche Leistung erbringen. Zudem können sie beschädigt werden oder in einem Schwelbrand enden.

Ohne diese Trennung sind PCs aufgrund der unbemerkten aber häufig auftretenden Gegen-EMK-Spannungen einem hohen Risiko ausgesetzt. Diese Spannungen werden durch induktive Spulen und Magnetspulen in elektromechanischen Geräten erzeugt. Um die Sache noch komplizierter zu machen, sind diese Ereignisse zu schnell, als dass sie mit normalen Messgeräten bemerkt und gemessen werden könnten. Ein teures Oszilloskop ist erforderlich, um den Ausbruch einer Spulenentladung zu beobachten.

Elektromechanische Schalter und Magnetspulen verwenden elektrische Spulen, um ein Metallstück zu bewegen und ein Ventil oder einen Schalter mit einem Magnetfeld zu öffnen und zu schließen. Wenn eine unter Spannung stehende Spule abgeschaltet wird, bricht dieses Magnetfeld zusammen und setzt dabei eine kurzzeitig auftretende Spannungsspitze in die entgegengesetzte Richtung frei. Dies wird als „Gegen-EMK“ oder „Flyback“ bezeichnet. Wichtig ist Folgendes: Selbst wenn die Eingangsspannung als niedrig eingestuft wird, können diese niedrigen Spannungen beim Zusammenbruch kurzzeitig Hunderte oder sogar Tausende von Volt erzeugen.

Wie funktioniert das?

Wir haben festgestellt, dass, wenn eine Spule mit Strom versorgt wird, die Energie durch die Spule fließt. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt. Aber für jede Schleife, die die Energie in der Spule durchlaufen muss, sind die potenziellen Kollapsspannungen multiplikativ, die als Ergebnis erzeugt werden. Eine Spule mit einer Eingangsspannung von 24 V kann leicht Transienten von über 300 Volt oder mehr in der Zeitspanne von einer Milli- oder Mikrosekunde erzeugen, wenn sie entladen wird. Größere Spulen können deutlich mehr erzeugen. Das ist ziemlich viel Biss für ein wenig Bellen. Somit sind diese Transienten mehr als fähig, Siliziumübergänge zu zerstören, wenn sie nicht angemessen unterdrückt werden.

Die heutigen Computer sind so konzipiert, dass sie mit schnellen elektrischen Transienten umgehen können, um Störfestigkeitsnormen wie die EN 55024 zu erfüllen. Allerdings liegen diese Eingangsspannungen in der Regel bei 500 oder 1000 Volt für kurze Zeitspannen. Eine längere oder anhaltende Einwirkung dieser Spannungsspitzen kann die dielektrische Leistung von Stromversorgungskomponenten beeinträchtigen. Dadurch können die Netzteile für Ihre Industrie-PCs und andere Komponenten beschädigt werden.

Besteht eine Gefährdung? Worauf Sie achten müssen und was Sie tun können

Verfügt Ihre Anwendung über Motoren, Luftventile, Magnetspulen oder Relais? Wenn ja, dann kann Ihre Anwendung gefährdet sein. Das ist auch der Fall, wenn sich diese Geräte ein Netzteil mit einem empfindlichen elektronischen Gerät teilen, wie etwa einem Computer. Außerdem sollten Ihre Netzteile für Industrie-PCs und die Verwendung mit IT-Geräten ausgelegt sein. Ist dies nicht der Fall, könnte dies ebenfalls ein Risiko für Ihr System darstellen.

Anstatt ein Risiko einzugehen, sollten Sie sich an die bewährten Praktiken der Industrie halten und Ihre Netzteile isolieren. Genauer gesagt sollte eines für elektronisch „leise“ Geräte wie Computer und eines für „laute“ Geräte wie Ihre elektromechanischen Anlagen verwendet werden. Wenn Ihr System elektromechanische Schalter oder Magnetspulen verwendet, sollten Sie nicht an der Qualität sparen! Vergewissern Sie sich, dass sie mit Rückstromdioden oder anderen Netzfiltertechnologien ausgestattet sind. Diese Technologien unterdrücken intern Gegen-EMK, bevor sie Ihre nachgeschalteten Systeme belasten. Achten Sie schließlich darauf, dass Ihre Computer und Netzteile für IT-Anwendungen konform sind und über einen Nachweis der Störfestigkeitsprüfung verfügen, beispielsweise gemäß EN 55024. Weitere Informationen zur Störfestigkeit von Geräten finden Sie in unserem Artikel „Wie wir die 5 größten Bedrohungen für Computer-Hardware stoppen“.