Modulare Netzteile: Flexibilität und Skalierbarkeit für verschiedene Anwendungen

DC-Netzteile bieten eine breite Palette an branchenspezifischen Lösungen.

Sie dienen als Spannungsquellen für verschiedene Anwendungen, wie etwa Unterhaltungselektronik, industrielle Automatisierungssysteme und medizinische Präzisionsinstrumente. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Typen modularer Netzteile und deren Verwendung. Modulare Netzteile bringen mit ihrer Flexibilität und Skalierbarkeit neue Möglichkeiten für das Energiemanagement in elektronischen Systemen. Die fortschrittlichen Einheiten verfügen über abnehmbare Kabel und konfigurierbare Stromversorgungsmodule, dank derer Benutzer ihre Stromversorgungslösungen individuell anpassen können. Sie erhöhen Systemleistung und Anpassungsfähigkeit, indem sie es ermöglichen, Spannungs- und Stromausgänge zu regeln, das Wärmemanagement optimieren und Hochleistungskomponenten unterstützen. Modulare Netzteile sind aufgrund ihrer überlegenen Skalierbarkeit, Effizienz und des vereinfachten Designs gegenüber diskreten Lösungen vorzuziehen. Modulare Designs helfen dabei, das interne Kabelgewirr zu reduzieren sowie den Luftstrom zu verbessern und sie erleichtern Erweiterung und Neukonfiguration, was sie zum Mittel der Wahl für zahlreiche Anwendungen in Elektronik und Informatik macht.

Netzteiltypen	Spannungsbereich	Anwendungen
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)	120 V – 480 V AC	Rechenzentren, Telekommunikationseinrichtungen, medizinische Geräte, industrielle Steuerungssysteme
Schaltnetzteile (SNT)	3,3 V – 48 V DC	Computersysteme, Unterhaltungselektronik, LED-Beleuchtung, industrielle Automatisierung
Netzteil mit Linearregler	5 V – 48 V DC	Laborausrüstung, medizinische Geräte, Audiogeräte
Programmierbare Stromversorgungen	24 V – 600 V DC	Prüf- und Messgeräte, Laboranwendungen, Forschung und Entwicklung
Industrielle Netzteile	24 V – 400 V AC/DC	Fabrikautomation, Prozesssteuerung, Maschinen, Robotik
Netzteile für die Medizintechnik	12 V – 48 V DC	Patientenüberwachungsgeräte, Diagnosegeräte, chirurgische Instrumente
Hochspannungsnetzteil	1 kV – 100 kV DC	Medizinische Bildgebung, Halbleiterfertigung, wissenschaftliche Forschung
Netzteile für Rackmontage	12 V – 48 V DC	Telekommunikationsgeräte, Serverracks, Audio-/Videosysteme
Modulare Netzteile	12 V – 100 V DC	Rechenzentrumsserver, Speichersysteme, Netzwerkgeräte
Netzteile für DIN-Schienenmontage	12 V – 48 V DC	Industrielle Schalttafeln, Gebäudeautomatisierungssysteme, HLK-Anlagen
Netzteile in Open-Frame-Version	5 V – 48 V DC	Industrielle Computer, Testausrüstung, medizinische Geräte
Redundante Netzteile	12V – 48 V DC	Kritische Infrastruktur, Hochverfügbarkeitssysteme, unternehmenskritische Anwendungen
DC/DC-Wandler	1,8 V – 48 V DC	Kfz, Telekommunikation, industrielle Steuerungssysteme
AC/DC-Netzteil	100 V – 250 V AC	Unterhaltungselektronik, Industrieanlagen, Beleuchtung
Solarstromversorgung	12 V – 600 V DC	Erneuerbare Energiesysteme, netzunabhängige Energielösungen
Inverter	Eingangsspannung = 12 V – 48 V DC, Ausgangsspannung = 120 V AC – 240 V AC	Erneuerbare Energiesysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgungen
Notstromversorgung mit Batterie	12 V – 48 V DC	Kritische Infrastruktur, Notbeleuchtung, Sicherheitssysteme

Tabelle 1: Überblick über verschiedene DC-Netzteiltypen und ihre Anwendungen

Flexibilität: Der Eckpfeiler des modularen Designs

Ein modulares und konfigurierbares Netzteil bietet außergewöhnliche Vielseitigkeit und Flexibilität für die Entwicklung. Es ermöglicht eine breite Palette von Strom- und Spannungseigenschaften (I-V) durch Anpassen oder Neuanordnen von Komponenten auf derselben Plattform, sodass keine umfangreicheren Systemneukonstruktionen erforderlich sind. Eine modulare 750 W-Plattform kann beispielsweise Ausgänge von 12 V DC bei 62,5 A bis 48 V DC bei 15,6 A oder eine beliebige Konfiguration dazwischen liefern, wobei jeder Ausgang unabhängig geregelt wird, um eine stabile Leistung ohne Störungen zu gewährleisten. Im Gegensatz zu herkömmlichen festen Einheiten verfügen modulare Systeme über austauschbare Module, die so kombiniert werden können, dass sie genau den spezifischen Leistungsanforderungen entsprechen. Dieses Design ist besonders in Forschungs- und Entwicklungsumgebungen von Vorteil, in denen Anpassungsfähigkeit entscheidend ist. Zu den Hauptvorteilen modularer Netzteile gehören:

• Anpassung und Kabelmanagement: Benutzer gestalten ihre Konfiguration mit abnehmbaren Kabeln verschiedener Längen, Farben und Typen ganz individuell, was zu effizienterem Kabelmanagement sowie verbesserter Ästhetik führt. Mit dieser Flexibilität wird es möglich, die Ausgangsleistung anzupassen und so wechselnden Anforderungen gerecht zu werden, ohne dass das gesamte Gerät ausgetauscht werden muss, was zu saubereren Konstruktionen und verbesserter Systemeffizienz führt. Durch die Reduzierung von Kabelgewirr verbessern modulare Netzteile den Luftstrom und die Kühlung, was dazu beiträgt, niedrigere Temperaturen zu erhalten und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern. Dieses Design unterstützt außerdem eine bessere Übertaktung und lässt die Integration zusätzlicher Kühlgebläse zu. Modulare Einheiten enthalten oft integrierte Lüfter, die die Kühlung weiter vereinfachen.
• Anpassbares Design und Mehrzweckfunktionalität: Modulare Netzteile bieten außergewöhnliche Vielseitigkeit mit anpassbaren Ausgangskonfigurationen. Ihr Spannungs- und Stromausgangsspektrum ist sehr breit und sie verfügen über mehrere Kanäle zur gleichzeitigen Versorgung verschiedener Geräte. Diese Netzteile lassen sich durch Hinzufügen oder Entfernen von Modulen ganz einfach erweitern. So werden sie wechselnden Leistungsanforderungen gerecht, ohne dass eine komplette Neugestaltung erforderlich ist. Dank ihres breiten Ausgangsbereichs eignen sie sich für verschiedene Anwendungen, von Elektronik mit geringer Leistungsaufnahme bis hin zu industriellen Hochleistungssystemen. So bietet die neue MU4-Serie von TDK-Lambda über den Konfigurator nahtlose Spannungsoptionen von 3,3 V bis 104 V.

Ausgangsspannungsbereich	Maximaler Strom	Maximale Leistung
3,3 bis 6 V	30 A	150 W
3,3 bis 6 V	54 A	260 W
6 bis 15 V	20 A	240 W
6,6 bis 15 V	30 A	300 W
12 bis 30 V	30 A	480 W
15 bis 30 V	10 A	240 W
30 bis 52 V	5 A	240 W
30 bis 60 V	10 A	480 W
60 bis 104 V	5 A	480 W

Tabelle 2: Große Auswahl an Ausgangseinstellungen (MU4-Ausgangsspannungsbereiche) (Quelle)

Modulare Netzteile mit mehreren isolierten Ausgängen bieten beispiellose Flexibilität bei Spannungs- und Stromkonfigurationen, was für verschiedene Anwendungen, die sowohl positive als auch negative Polarität erfordern, unerlässlich ist. Mithilfe der FTT-Technologie (Fractional Turn Transformer), wie sie der RCL175 von XP nutzt, bieten diese Systeme auf effiziente Art und Weise eine Vielzahl von Ausgangsoptionen (normalerweise 3,3 V bis 60 V DC), ohne die Leistung zu beeinträchtigen oder die Komplexität zu erhöhen.

Abbildung 1: Konfiguration Fractional Turn Transformer (Quelle)

Die FTT-Technologie wirkt sich positiv aus, wenn mehrfach Ausgangsversorgung zur Verfügung gestellt werden muss: Sie kombiniert einen Haupttransformator, der effiziente ganzzahlige Windungen aufweist, mit einem separaten Transformator für fraktionierte Windungen. Dies führt zu einer besseren Regulierung, geringerer Größe und verbesserter Effizienz. Der Designprozess vereinfacht sich, eine Nachregulierung ist nicht mehr nötig und die Spannungserfassung und -steuerung wird optimiert. Das ist besonders für gängige Spannungskombinationen wie 3,3 V und 5 V von Vorteil.

Daher bieten modulare Netzteile mit FTT-Technologie eine kompakte, kostengünstige und hocheffiziente Lösung für komplexe Leistungsanforderungen in technischen Anwendungen.

Abbildung 2: Modulares Netzteil mit diversifiziertem Portfolio (Quelle)

• Optimierte Wärmeableitung: Ein modularer Netzteilaufbau optimiert die Wärmeabstrahlung und verlängert die Lebensdauer, sodass eine optimale Anpassung an unterschiedliche Kühlanforderungen geschehen kann. Hohe Leistungsdichte und effektive Konvektionskühlung reduzieren den Bedarf an Zwangskühlung und erleichtern die Integration.

  Während Produkte mit einem Bedarf von 20 CFM (Kubikfuß pro Minute) eine Herausforderung darstellen, da die Systeme kleiner werden und Geräuschentwicklung ein Problem darstellt, sind 10 bis 12 CFM besser handhabbar und kostengünstiger. Dank der Kombination von Konvektionskühlung mit Zwangskühlung höherer Leistung kommen bei diesen Netzteilen drehzahlvariable Lüfter zum Einsatz, die nur bei hohen Temperaturen oder Lasten aktiviert werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und reduziert die Geräuschentwicklung.

• Besseres Platzmanagement und optimierter Produktlebenszyklus: Modulare Netzteile verbessern das Design des Stromversorgungssystems, indem sie Platz auf der Leiterplatte sparen und das Wärmemanagement vereinfachen. Die kompakte Form und die hohe Leistungsdichte beschleunigen die Konstruktionsiterationen und die Wartung. Im Gegensatz dazu erfordern diskrete Lösungen umfangreiche Fachkenntnisse, Zeit und Aufwand für Beschaffung, Validierung und Integration. Dies erschwert kleinere Konstruktionsänderungen und erhöht die Schwerfälligkeit bezüglich Innovationen aufgrund des größeren Platzbedarfs und Gewichts.

  Bei der Auswahl zwischen Leistungsmodulen und diskreten Designs ist der gesamte Produktlebenszyklus zu berücksichtigen. Diskrete Varianten belasten Ihr internes Team mit Konstruktion, Tests und Zertifizierung, wodurch möglicherweise erhebliche Verzögerungen entstehen. Eine Skalierung erfordert häufig eine komplette Neuentwicklung, was die Entwicklungsphasen ausdehnt. Leistungsmodule hingegen rationalisieren die Logistik und reduzieren den organisatorischen Stress. Vorqualifizierte Module, wie die von Vicor, gewährleisten Zuverlässigkeit sowie die Einhaltung von Regeln und Vorschriften und ermöglichen eine nahtlose Skalierbarkeit ohne umfangreiche Neuentwicklungen.

• Optimierte Installation und höhere Zuverlässigkeit: Ein modularer Netzteilaufbau optimiert die Effizienz, reduziert Platzbedarf und Wärmeabstrahlung und verlängert die Lebensdauer, sodass eine ideale Anpassung an unterschiedliche Kühlanforderungen geschehen kann. Hohe Leistungsdichte und effektive Konvektionskühlung reduzieren den Bedarf an Zwangskühlung und erleichtern die Integration. Während Produkte mit einem Bedarf von 20 CFM (Kubikfuß pro Minute) eine Herausforderung darstellen, da die Systeme kleiner werden und Geräuschentwicklung ein Problem darstellt, sind 10 bis 12 CFM besser handhabbar und kostengünstiger. Dank der Kombination von Konvektionskühlung mit Zwangskühlung höherer Leistung kommen bei diesen Netzteilen drehzahlvariable Lüfter zum Einsatz, die nur bei hohen Temperaturen oder Lasten aktiviert werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und reduziert die Geräuschentwicklung.

• Vereinfachte Compliance: Leistungswandler fungieren als Sicherheitsbarrieren zwischen Hochspannungsnetzwerken und elektrischen SELV-Netzen und werden einer strengen Prüfung unterzogen. Bei der Konzeption der Einheit für die Leistungswandlung ist auf vereinfachte Konformität zu achten, spielt diese doch bei der behördlichen Zulassung eine entscheidende Rolle. Schaltnetzwandler für AC/DC- und DC/DC-Anwendungen können erhebliche elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen.

  Modulare Stromversorgungen, die gemäß strengen Sicherheits- und EMV-Normen vorentwickelt und getestet sind, verringern Emissionsprobleme durch unvorhersehbares Breitbandrauschen. Der Einsatz verschiedener handelsüblicher Versorgungsquellen birgt das Risiko kumulativer Leckströme und Sicherheitsverletzungen, da diese Versorgungsquellen oft keinen ausreichenden Spielraum für zusätzliche Anschlüsse bieten.

  Die Wahl eines modularen, konfigurierbaren Netzteils gewährleistet Compliance, senkt die Testkosten und beschleunigt behördliche Genehmigungen. Im Vergleich zum Umgang mit verschiedenen Lieferanten vereinfacht der Bezug von einem einzigen Anbieter die Lösung von Compliance-Problemen.

Skalierbarkeit: Erfüllung wachsender Leistungsanforderungen

Modulare Netzteile bieten Anpassungsfähigkeit und Effizienz und ermöglichen schrittweise Erweiterungen oder Änderungen, um sich ändernden Anforderungen mit minimalen Ausfallzeiten zu entsprechen. Benutzer können die Ausgangsleistung nach Bedarf anpassen, indem sie eigenständige Stromversorgungsmodule hinzufügen oder entfernen. Diese Skalierbarkeit ist besonders in Industriesektoren und Rechenzentren von Vorteil, wo variable Leistungsanforderungen und dynamische Rechenlasten einen optimierten Energieverbrauch und optimierte Betriebskosten erfordern. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:

• Interne Modularität: Dank der internen Modularität von Stromversorgungssystemen können Unternehmen klein anfangen und bei Bedarf expandieren, indem sie Hot-Swap-fähige, vom Benutzer austauschbare Strommodule hinzufügen oder entfernen, wodurch die Effizienz gesteigert und die Investitionsausgaben gesenkt werden. Dieser flexible Ansatz vereinfacht Kapazitätserweiterungen, minimiert Ausfallzeiten während der Wartung und passt sich an sich ändernde Leistungsanforderungen an. Standardisierte Bausteine ermöglichen eine schnelle Individualisierung, während intuitive Konfigurationsanzeigen die Installation optimieren. Vorkonfektionierte Anlagen und einfache Plug-in-Module kommen ohne komplexe Verkabelungen aus, eliminieren Gefahren und gewährleisten künftige Kompatibilität und Skalierbarkeit ohne technische Kenntnisse. Zusätzliche Module führen Selbsttests durch und konfigurieren sich automatisch, sodass störungsfreie Verbindungen und Überlastungsschutz gewährleistet sind. Dank Selbstdiagnose, einfach auszutauschenden Ersatzmodulen und einer fortschrittlichen Struktur, die die Ausbreitung von Fehlern verhindert, stellen diese Systeme sicher, dass es keinen Single Point of Failure gibt, und bieten eine unübertroffene Zuverlässigkeit mit einer MTBF von 1.000.000 Stunden.
• Lastmanagement: Modulare Netzteile (PSUs) verwalten effizient höhere Lasten. Eine USV mit einer maximalen Kapazität von 200 kVA kann beispielsweise bei 100 kVA beginnen und dann bei Bedarf auf bis zu 200 kVA skaliert werden. Ein modulares Netzteil kann für verschiedene Leistungsstufen zwischen 100 und 200 kVA konfiguriert werden, wobei Optionen wie 100, 130, 150, 180 und 200 kVA in jedem Schrank verfügbar sind. Die Leistung kann durch Upgrades vor Ort durch ein Serviceunternehmen erhöht werden. Während andere Netzteile für Leistungsstufen unter 20 kVA Standard sind, typischerweise für kleine Computerinstallationen, setzen diese modularen Netzteile eine einzigartige Stromverteilungstechnik ein, die einen parallelen Betrieb ohne statischen Übertragungsschalter ermöglicht. Sie verfügen außerdem über einen generatorfreundlichen Eingangsfilter, wodurch die USV für externe Generatoren wie eine induktive Last wirkt.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Die Flexibilität und Skalierbarkeit modularer Netzteile machen sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen:

• Datenzentren: Modulare Netzteile passen sich an die dynamischen Leistungsanforderungen von Server-Racks an und lassen sich problemlos mit neuen Geräten oder erhöhten Rechenanforderungen skalieren.
• Telekommunikation: Modulare Stromversorgungssysteme können im Zuge der Weiterentwicklung der Netzwerkinfrastruktur neu konfiguriert werden, wodurch neue Technologien und ein erhöhter Strombedarf unterstützt werden.
• Industrielle Automatisierung: Fertigungsprozesse mit variierendem Energiebedarf profitieren von einfach abstimmbaren Leistungskonfigurationen.
• Medizinische Geräte: Modulare Netzteile können so angepasst werden, dass sie die genauen Leistungsanforderungen verschiedener medizinischer Geräte erfüllen und gleichzeitig strenge Sicherheitsstandards einhalten.
• Systeme für erneuerbare Energien: Diese Stromversorgungseinheiten passen sich an volatile Energieerzeugung und schwankende Speicheranforderungen in Solar- oder Windkraftanlagen an.
• Prüf- und Messtechnik: Labors und Prüfeinrichtungen können Netzteile so konfigurieren, dass sie den unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Experimente oder Testszenarien entsprechen.

USV für Rechenzentren: Wichtige Merkmale für moderne Bedürfnisse

Datenzentren bestimmen unser digitales Leben. Ausfallzeiten können Services unterbrechen und gesellschaftliche Auswirkungen, finanzielle Verluste sowie potenzielle Gefahren mit sich bringen. Moderne Rechenzentren verwenden dedizierte Infrastrukturen wie USV-Systeme, um einen kontinuierlichen Betrieb und Ausfallsicherheit zu gewährleisten.

Drei Grundpfeiler bestimmen die Eignung modularer Stromversorgungssysteme für moderne Rechenzentren:

1. Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit des Betriebs
2. Optimierung der Lebenszykluskosten
3. Flexible Skalierbarkeit und Integration

Die wichtigsten USV-Technologien von Legrand umfassen eine modulare Architektur für einfache Skalierung und Wartung, fortschrittliche Leistungselektronik für hohe Effizienz und intelligente Steuersysteme für optimierte Leistung. Diese Eigenschaften machen sie perfekt für Rechenzentren.

1) Operative Belastbarkeit und Zuverlässigkeit:

Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:

• Hohe Verfügbarkeit: Erreicht durch N+1-Redundanz.
• Kurze Wiederherstellungszeit (MTTR): Schnelle Behebung von Problemen.
• Hot-Swap-fähige Komponenten: Wartung ohne Ausfallzeiten möglich.

Abbildung 4: Beispiele für N+1-Redundanzkonfiguration (Quelle)

2) Optimierung der Lebenszykluskosten:

Zu den Vorteilen gehören

• Hohe Energieeffizienz, insbesondere bei Teillasten.
• Intelligentes Akkumanagement für längere Lebensdauer.
• Geringere Wartungs- und Instandhaltungskosten.
• Längere Lebensdauer der Komponenten.
• Verbesserte Wartbarkeit.

Abbildung 5: Die USV-Lösungen von Legrand erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 96,6 % und eignen sich daher ideal für energiesparende und kosteneffektive Datenzentren (Quelle)

3) Flexible Skalierbarkeit und Integration:

Die Hauptvorteile sind

• Skalierbare Stromkapazität („Pay-as-you-grow“).
• Kompatibilität mit verschiedenen elektrischen Infrastrukturen.
• Kompakte Abmessungen und flexible Installationsoptionen.
• Erweiterte Kommunikations- und Integrationsfunktionen.

Abbildung 6: Keor MOD: Skalierung nach Bedarf. Hinzufügen von Servern zu Racks und Aufrüstung der USV ohne Änderungen an der Infrastruktur (Quelle)

Abbildung 7: Hohe Leistungsdichte und kompakte Abmessungen (Quelle)

Abbildung 8: Breite Palette an Kommunikationsanschlüssen und -schnittstellen wie USB, potenzialfreie Kontakte, RS232, RS485, ModBUS, Ethernet, Parallelanschlüsse, IN/OUT-Logiksignale usw. (Quelle)

Diese USV-Systeme wurden für die sich wandelnden Anforderungen verschiedener Rechenzentrumstypen entwickelt, von kleinen On-Premise-Einrichtungen bis hin zu großen Hyperscale- und Colocation-Centern. Ihr Fokus liegt darauf, zuverlässigen Stromschutz zu bieten und gleichzeitig die Energieeffizienz zu optimieren, die Gesamtbetriebskosten (TCO) zu senken und die nötige Flexibilität für die Anpassung an sich ändernde Infrastrukturanforderungen bereitzustellen.

Fazit

Modulare Netzteile stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Energieverwaltungstechnologie dar und bieten Flexibilität, Skalierbarkeit sowie Effizienz für zahlreiche Anwendungen. Ihre Fähigkeit, sich an wechselnde Leistungsanforderungen anzupassen, das Wärmemanagement zu verbessern und die Installation zu vereinfachen, macht sie zur bevorzugten Wahl in Datenzentren, der Telekommunikation, der Industrieautomatisierung, bei medizinischen Geräten, in Systemen für erneuerbare Energien sowie in Test- und Messumgebungen.

Als globale Distributoren bieten wir eine Vielzahl modularer Netzteile an, um diese Anforderungen zu erfüllen und zuverlässige Leistung und die Einhaltung strenger Sicherheitsstandards zu gewährleisten. Da die Nachfrage nach anpassungsfähigen und effizienten Stromversorgungslösungen wächst, werden modulare Netzteile eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der nächsten Generation technologischer Fortschritte spielen.