Was bedeutet Derating bei einem Netzteil?

Das Derating bzw. die Leistungsrücknahme ist eine Schutzmaßnahme, um Netzteile bei hohen Temperaturen, in Höhenlagen oder alternativen Einbaulagen einsetzen zu können. In diesem Blogartikel erfahren Sie, worauf Sie dabei achten sollten.

Die meisten Hersteller von Stromversorgungen spezifizieren für ihre Produkte die Angaben zu Lebensdauer, Ausgangsstrom und Zuverlässigkeit. Diese Angaben gelten jedoch nur unter bestimmten Umgebungsbedingungen. Insbesondere die Grenzwerte für die Temperatur müssen eingehalten werden, damit die Bauteile im Netzteil nicht überhitzen oder vorschnell verschleißen. Ein notwendiges Mittel um die Temperatur zu regulieren ist das so genannte Derating.

Was bedeutet Derating?

Mit Derating ist die Reduktion der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen gemeint. Das Derating ist somit eine empfohlene Schutzmaßnahme für elektronische Bauteile und Geräte, um diese vor zu hohen Temperaturen zu schützen und Ausfälle vorzubeugen. Die Leistungsrücknahme ist dabei für jedes Netzteil genau geregelt. Das notwendige Vorgehen, wird im jeweiligen Datenblatt beschrieben.

Wann ist Derating bei einem Netzteil notwendig?

Es gibt verschiedene Umgebungsbedingungen, die die Temperatur im Netzteil ansteigen lassen und damit ein potentielles Risiko bedeuten. Dazu zählen hohe Umgebungstemperaturen, eine Aufstellhöhe oberhalb von 2.000 Metern und Einbaulagen, die von der empfohlenen Ausrichtung abweichen.

Hinweis

Die Netzteile regeln das Derating nicht automatisch. Als Anwender müssen Sie das Gerät bei der Installation an die Umgebungsbedingungen Ihrer Anwendung anpassen. So vermeiden Sie Schäden am Netzteil und Anlagenstillstände.

Die Vorgaben zu den notwendigen Einstellungen finden Sie bei allen PULS-Netzteilen im Datenblatt der Geräte. Hilfreich sind dabei auch die Deratingkurven zur Anpassung des Ausgangsstroms in Abhängigkeit von der Temperatur und der Aufstellhöhe.

Derating bei hohen Umgebungstemperaturen

Bei allen industriellen Netzteilen ist ab einer bestimmten Umgebungstemperatur das Derating notwendig, um die Elektronik zu schützen. Ab einem bestimmten Grenzwert muss die Ausgangsleistung linear reduziert werden. Der entsprechende Wert ist im Datenblatt zu finden. Das 960 W (24 V, 40 A) Netzteil QS40.241 erfordert ab 60 °C beispielweise ein Derating von 24 W/°C. Möchte man das Temperaturlimit von 70 °C voll ausreizen, stehen somit nur noch maximal 720 W zur Verfügung.

Dieser Wert muss bei der Auswahl eines Netzteils berücksichtigt werden – vor allem, wenn bereits bei geringeren Temperaturen ein Derating erforderlich ist. Bei vielen industriellen Netzteilen muss die Ausgangsleistung schon ab 40 °C reduziert werden. In einem geschlossenen Schaltschrank, ohne Kühlsystem, sind solche Temperaturen jedoch keine Seltenheit. Systementwickler haben in dieser Situation im Grunde 4 Optionen.

Ein Netzteil wählen, das erst ab höheren Temperaturen ein Derating erfordert.
Ein Netzteil mit einer höheren Ausgangsleistung wählen, um trotz Derating ein ausreichendes Strombudget zur Verfügung zu haben.
Mehrere identische Netzteile parallelschalten, um die benötigte Leistung zu erhalten.
Ein Kühlsystem installieren.

Alle Optionen bedeuten höhere Investitionen in der Planungsphase der Anlage, lohnen sich jedoch in der Regel angesichts der höheren Zuverlässigkeit und längeren Lebensdauer.

Auch wenn die Anlage nachträglich erweitert wird, muss geprüft werden, ob das Netzteil unter den vorherrschenden Bedingungen ausreichende Reserven bereitstellen kann.

Derating in Höhenlagen oberhalb von 2.000 Metern

In einer Aufstellhöhe über 2.000 Meter ist ebenfalls ein Derating notwendig. Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck. Das bedeutet, die Dichte der Luft nimmt ab, wodurch sich auch die Kühlwirkung des Konvektionsluftstroms reduziert.

Entsprechend muss oberhalb von 2.000 Meter die Ausgangsleistung um einen bestimmten Prozentsatz je 1.000 m reduziert oder die Umgebungstemperatur gesenkt werden. Die genauen Werte für das notwendige Leistungs-Derating variieren je nach Netzteil und können bei PULS im Datenblatt unter dem Kapitel „Umgebung“ (engl. Environment) nachgelesen werden.

Alternativ zur Reduktion der Leistung kann auch ein Belüftungssystem im Schaltschrank integriert werden, wodurch sich das Derating umgehen lässt.

Derating curves for output current related to the altitude.

Grafik 1: Deratingkurven in Abhängigkeit von der Aufstellhöhe für das Netzteil CP20.241.

Derating bei alternativen Einbaulagen

Wenn Sie das Netzteil in einer Lage einbauen möchten, die von der empfohlenen Standardeinbaulage abweicht, ist ebenfalls ein Derating oder eine Begrenzung der Umgebungstemperatur notwendig. Hintergrund hierbei ist die Funktionsweise von konvektionsgekühlten Netzteilen. Durch den Luftstrom im Geräteinneren werden die temperaturempfindlichen Komponenten, wie Elektrolytkondensatoren, gekühlt und die warme Luft wird nach außen abgeleitet. Die empfohlene Standardeinbaulage basiert auf dem „Kamineffekt“. Die kühle Luft tritt am unteren Lüftungsgitter in das Netzteil ein, erwärmt sich durch die Verlustleistung bestimmter Komponenten und wird an der Geräteoberseite wieder abgeführt.

Dabei werden die Geräte schon in der Entwicklungsphase nach den Cool-Design-Prinzipien aufgebaut. Temperaturempfindliche und damit lebensdauerbestimmende Komponenten werden an den kühlen Stellen im Netzteil platziert. Andere Bauteile (z.B. Trafo), die sich stark erwärmen, positionieren die Entwickler möglichst oben im Netzteil, damit sie die übrigen Komponenten nicht zusätzlich aufheizen. Außerdem achten die PULS-Entwickler bei jedem Netzteil darauf, dass die Luft immer frei strömen kann und nicht durch Bauteile behindert wird.

Wird das Gerät kopfüber oder liegend, z.B. auf einem Tisch, montiert (siehe Grafik 2-4) beeinträchtigt das den Luftstrom. Ohne eine Reduzierung der Ausgangsleistung könnten die Komponenten überhitzen, was sich negativ auf die Lebensdauer auswirkt und im schlimmsten Fall zum Ausfall des Netzteils führt.

Grafik 2: Derating bei Standardeinbaulage des CP20.241 (24 V, 20 A)

Grafik 3: Derating bei auf dem Kopf stehenden Einbau des CP20.241 (24 V, 20 A)

Grafik 4: Derating bei Tischmontage des CP20.241 (24 V, 20 A)

Fazit

Derating ist bei nahezu allen industriellen Stromversorgungen ab einer bestimmten Temperatur, Aufstellhöhe oder Einbaulage notwendig. Bei vielen Herstellern muss man im Datenblatt jedoch lange nach den entsprechenden Werten suchen. PULS stellt die notwendigen Informationen zum Derating bereits auf der Titelseite seiner Datenblätter bereit. So können Systementwickler und Techniker diese wichtigen Informationen auf den ersten Blick erkennen und das Netzteil bei der Inbetriebnahme perfekt auf die Umgebungsbedingungen anpassen.