Voedingsingangsmodules en warmte

Speelt onderlinge beïnvloeding een rol?

Bij de welbekende driepolige netaansluiting zien we meer en meer dat deze als één geheel gecombineerd wordt met meer functionaliteit. Zekeringhouder, netschakelaar en zelfs netfilters worden gecombineerd tot één geheel. Montage van al deze componenten wordt hierdoor vereenvoudigd, iets dat vele voordelen heeft. Daar staat tegenover dat warmteontwikkeling meer een punt van aandacht vormt.

Als verschillende elektrische componenten in een naast de netspanningsconnector worden gecombineerd om een voedingsingangsmodule te vormen, moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de individuele vermogensverliezen en temperatuursinvloeden van alle betrokken componenten. Dit om zo een veilige werking op de lange termijn te garanderen. Power entry modules (PEM’s) bestaan uit een combinatie van componenten voor de veilige stroomvoorziening van apparaten. Naast de IEC-apparaatconnector kunnen netschakelaars, zekeringhouders of stroomonderbrekers en filters worden geïntegreerd. Al deze componenten worden apart getest volgens hun respectievelijke componentennorm, zodat het gehele component door de certificatie-instellingen kan worden gecertificeerd. Dit wil echter nog niet zeggen dat ze als geheel ook onder zware condities goed blijven functioneren.
Elk van deze componenten is ontworpen voor een specifieke minimale en maximale omgevingstemperatuur. Belangrijk: De maximale nominale stroom mag alleen bij de nominale temperatuur worden gebruikt. Bij hogere omgevingstemperaturen moet de stroom dienovereenkomstig worden verlaagd. Dit wordt meestal gespecificeerd in de temperatuurvermindering op de datasheets. Bedenk hierbij dat de modules ingebouwd zijn en in de behuizing hogere temperaturen te verwachten zijn.

Vermogensdissipatie

Tijdens bedrijf genereren de componenten warmte, wat in de gegevensbladen als vermogensverlies wordt weergegeven. Deze vermogensdissipatie verwarmt de gehele PEM en kan leiden tot verhoogde temperaturen van alle geïnstalleerde componenten. Ook hier belangrijk: alle componenten van een PEM hebben een nominaal vermogensverlies, zodat de som van alle vermogensdissipaties effectief is in het gecombineerde element.

De afzonderlijke componenten van een PEM in één oogopslag:

1. connector – IEC 60320 goedgekeurde connectoren zijn geschikt voor gebruik bij omgevingstemperaturen tot 40 °C. De gemiddelde temperatuur over een periode van 24 uur mag niet hoger zijn dan 35 °C met een ondergrens van -5 °C.
1.1. connectorpennen – De eisen bepalen dat de temperatuur van de connectorpinnen van de bijbehorende stekker niet hoger mag zijn dan 70 °C. In dit geval verwijst de IEC 60320-norm naar een apparaatstekker voor koude toepassingen. Connectoren voor koude apparaten mogen niet worden gebruikt op apparaten met externe onderdelen waarvan de temperatuur tijdens normaal bedrijf boven de 75 °C kan stijgen.
2. Zekeringhouder – Deze zijn over het algemeen goedgekeurd voor omgevingstemperaturen tot maximaal 85 °C. Dit is tevens de maximale temperatuur voor aanraakbare oppervlakken volgens de zekeringhoudernorm IEC 60127-6. Omdat de zekering in de zekeringhouder bij nominale stroom warmte genereert, is de vermogensdissipatie die de zekeringhouder kan absorberen beperkt. Dit vermogensverlies wordt gespecificeerd in watt bij nominale stroom en nominale temperatuur, bijv. 2,5 W bij 10 A en 23 °C. De zekering moet daarom zo worden gekozen dat het maximale vermogensverlies niet wordt overschreden. Als de omgevingstemperatuur hoger is dan de nominale temperatuur, wordt temperatuurreductie toegepast. Deze curve vermindert het toegestane vermogensverlies naarmate de omgevingstemperatuur stijgt. Bijvoorbeeld een zekeringhouder met een max. vermogensverlies van 2,5 W bij 23 °C kan worden gebruikt bij een omgevingstemperatuur van 40 °C . Het vermogensverlies mag dan maar 1,7 W zijn.
3. Zekering – Een zekering genereert warmte afhankelijk van de stroom en de elektrische weerstand van de zekering. Dit vermogensverlies wordt gemeten in een gestandaardiseerde testprocedure in de zekeringsnorm IEC 60127. Het maximale vermogensverlies wordt gespecificeerd in het gegevensblad in watt bij de overeenkomstige stroomsterkte. Het vermogensverlies van de zekering mag niet groter zijn dan het maximale vermogensverlies van de zekeringhouder. De vermogensdissipatie van de zekering heeft ook een temperatuurreductie. Bij hogere omgevingstemperaturen moet de stroom door de zekering daarom worden verlaagd, anders wordt de zekering te heet en kan een betrouwbare werking niet meer worden gegarandeerd. De gestandaardiseerde tests voor smeltpatronen (IEC en UL) worden respectievelijk bij 23 °C en 25 °C uitgevoerd. In de praktijk liggen de omgevingstemperaturen echter aanzienlijk hoger, vooral wanneer het smeltpatroon wordt toegepast in een gesloten zekeringhouder of in de nabijheid van andere warmtegenererende componenten.
4. Netschakelaar – Netschakelaars zijn getest volgens de schakelaarnorm IEC 61058-1 met betrekking tot de toegestane omgevingstemperatuur. De netschakelaars die in de meeste stroominvoermodules worden gebruikt, hebben een maximaal toegestane omgevingstemperatuur van 85 °C. De markering T85/55 geeft bijvoorbeeld aan dat de aansluitzijde van de schakelaar geschikt is voor een omgevingstemperatuur van 85 °C, terwijl het bedieningsgedeelte (bijv. wip) mag worden blootgesteld aan de gespecificeerde omgevingstemperatuur van 55 °C. standaard.
5. Thermische zekeringen – Stroomonderbrekers met thermische ontgrendelingen reageren op een verandering in de omgevingstemperatuur. Bij thermische stroomonderbrekers wordt het bimetaal verwarmd door de verliezen veroorzaakt door de belastingsstroom in het bimetaal. SCHURTER-stroomonderbrekers zijn ontworpen voor een omgevingstemperatuur van 23 °C. Als de omgevingstemperatuur afwijkt, gelden de volgende correctiefactoren voor de nominale stroom:

6. Netfilter – Deze zijn ontworpen voor een nominale stroom bij een specifieke omgevingstemperatuur, bijv. 40 °C. Een filter bestaat uit verschillende componenten met verschillende maximale temperaturen. Componenten in het stroompad (bijv. smoorspoelen) genereren warmte afhankelijk van de stroomsterkte en de elektrische weerstand van de spoel.
De meest temperatuurkritische componenten van een filter zijn echter de condensatoren, die een maximaal toelaatbare temperatuur van bijvoorbeeld 125 °C hebben. Om te voorkomen dat de condensatoren worden blootgesteld aan te hoge temperaturen, moet de belastingsstroom bij hogere omgevingstemperaturen worden verlaagd in overeenstemming met de formule voor temperatuurderating.

Temperatuurreducties

De afzonderlijke componenten van een voedingsingangsmodule hebben verschillende maximale temperaturen. De afzonderlijke eigenschappen hoeven echter niet bij elkaar te worden opgeteld. Het is belangrijk om af te wegen welke componenten het meest kritisch zijn. Bijzonder kritisch zijn die componenten waarbij de omgevingstemperatuur een grote invloed heeft op de werking. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de zekering en zekeringhouder, maar ook bij de thermische beveiligingsschakelaar. Een verhoogde omgevingstemperatuur kan de uitschakeltijd aanzienlijk beïnvloeden. Deze onderdelen moeten daarom prioriteit krijgen. Voor de overige componenten is vooral de maximale bedrijfstemperatuur van belang. Het vermogensverlies van de zekering bij de belastingsstroom moet kleiner zijn dan het vermogensverlies van de zekeringhouder. De temperatuurreductie van de zekeringhouder moet worden toegepast op basis van de omgevingstemperatuur in de behuizing. Hetzelfde geldt voor stroomonderbrekers en filters. Ervan uitgaande dat de buitentemperatuur overeenkomt met een normale bedrijfstemperatuur van 23 °C (van 0 °C tot max. 35 °C), zou dit voldoende moeten zijn voor een betrouwbare werking, zodat de maximale componenttemperatuur niet wordt overschreden.

Metingen

Om de invloed van de verschillende componenten van een PEM op de totale temperatuurstijging te bepalen, werden door Schurter de temperaturen van alle componenten afzonderlijk gemeten bij een DD12 ingangsmodule (afbeelding 1). Geen van hen mocht de maximaal toegestane materiaaltemperatuur overschrijden. Bovendien moesten de maximale temperaturen van de verschillende normen voor de afzonderlijke componenten in acht worden genomen (bijv. aanrakingstemperatuur van de zekeringhouder max. 85 °C).
Om een zo praktisch mogelijke meting te garanderen, zijn de PEM’s op een montageplaat in de klimaatkamer gemonteerd. Hierdoor konden metingen worden verricht bij een hogere binnentemperatuur en een constante buitentemperatuur. De belastingsstroom werd verlaagd volgens de temperatuurvermindering van 100% bij toenemende omgevingstemperatuur. Bij correcte derating mocht de maximale materiaaltemperatuur bij geen enkele omgevingstemperatuur worden overschreden.

Resultaten

Afbeelding 2 toont de uitkomst van de metingen. De buitentemperatuur (1) bleef gedurende de gehele test constant op 23 °C. De binnentemperatuur (2) werd verhoogd van 23 °C in stappen van 10 °C tot 80 °C. De nominale stroom werd verlaagd van 10 A naar 0 A in overeenstemming met de derating. Er werd gezien dat de afzonderlijke componenten (3) ondanks de verminderde stroom steeds hogere temperaturen bereikten zonder de maximaal toegestane materiaaltemperaturen te overschrijden. Hieruit bleek dat de temperatuurverminderingen correct waren en dat kritische overtemperaturen werden voorkomen.

Conclusies

Bij PEM’s moet rekening gehouden worden met de omgevingstemperatuur zowel buiten als binnen het toestel. Bij hogere omgevingstemperaturen boven de nominale waarde moet daarom waar mogelijk de temperatuurderating worden toegepast. Omdat PEM’s uit verschillende componenten bestaan, moet elk van deze componenten afzonderlijk worden getest. De zekering met zekeringhouder en de stroomonderbreker zijn de meest temperatuurkritische componenten. Het is daarom zinvol om vooraf te zorgen voor een temperatuurvermindering van deze componenten. Als deze componenten niet aanwezig zijn, moet vooral rekening worden gehouden met de omgevingstemperatuur van het filter. Bij apparaatstekkers en schakelaars is het doorgaans voldoende als de maximale temperaturen niet worden overschreden. Het voldoen aan de omgevingstemperaturen en de zorgvuldige toepassing van temperatuurvermindering zorgen voor een langdurige en veilige werking van een stroominvoermodule.