Redundante 24-V-Versorgung aufbauen: Entkopplung, Lastaufteilung und Ausfallmeldung richtig planen

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Zwei 24-V-Netzteile sitzen nebeneinander im Schaltschrank und ihre Ausgänge sind parallel verbunden. Ist die Steuerung damit automatisch redundant versorgt? Nicht unbedingt.

Eine belastbare Redundanz entsteht erst dann, wenn der Ausfall eines Versorgungszweiges die gemeinsame 24-V-Schiene nicht beeinträchtigt und der verbleibende Zweig die komplette erforderliche Last übernehmen kann. Dazu gehören eine geeignete Entkopplung, ausreichende Leistungsreserve, richtig dimensionierte Leitungen und Sicherungen sowie eine eindeutige Ausfallmeldung.

Besonders wichtig ist die Diagnose. Bleibt bei Ausfall eines Netzteils die gemeinsame 24-V-Spannung erhalten, kann der Fehler im normalen Anlagenbetrieb unbemerkt bleiben. Die Anlage läuft weiter, besitzt aber keine Redundanz mehr. Fällt anschließend auch der zweite Versorgungszweig aus, kommt es zum vollständigen Spannungsausfall.

Geeignete Komponenten für industrielle Versorgungssysteme finden Sie in der ICS Kategorie Stromversorgung. Netzgeräte für Prüfung, Inbetriebnahme und Laboranwendungen sind unter Netzgeräte und Laborstromversorgung zusammengefasst.

Was bedeutet redundante 24-V-Versorgung?

Redundanz bedeutet, dass der Ausfall eines einzelnen vorgesehenen Versorgungszweiges nicht zum Verlust der 24-V-Versorgung führt.

Ein vereinfachter Aufbau besteht aus:

• Netzteil A,
• Netzteil B,
• einer Entkopplung der beiden DC-Ausgänge,
• einer gemeinsamen 24-V-Lastschiene,
• einer Überwachung beider Versorgungszweige.

Im normalen Betrieb können beide Netzteile gemeinsam Last liefern. Fällt eines aus, muss das andere die für den sicheren Weiterbetrieb benötigte Last alleine übernehmen können.

Eine Redundanzplanung muss jedoch immer die gesamte Versorgungskette betrachten. Zwei Netzteile alleine schützen beispielsweise nicht gegen:

• Ausfall einer gemeinsamen AC-Einspeisung,
• Auslösen eines gemeinsamen vorgeschalteten Schutzorgans,
• Kurzschluss auf der gemeinsamen 24-V-Sammelschiene,
• Fehler eines gemeinsamen nachgeschalteten Verteilers,
• Übertemperatur des gesamten Schaltschrankes,
• Fehler durch Überspannung oder andere gemeinsame äußere Einflüsse.

Redundanz muss deshalb immer bezogen auf den konkret angenommenen Fehler betrachtet werden.

1+1 und N+1 richtig unterscheiden

1+1-Redundanz

Bei einer 1+1-Versorgung ist jedes der beiden Netzteile grundsätzlich in der Lage, die erforderliche Last alleine zu versorgen.

Beispiel:

• maximale Anlagenlast: 8 A,
• Netzteil A: 10 A,
• Netzteil B: 10 A.

Im Normalbetrieb können beispielsweise jeweils ungefähr 4 A von beiden Netzteilen geliefert werden. Fällt ein Netzteil aus, übernimmt das verbleibende Gerät die gesamten 8 A.

Entscheidend ist:

Die Anlage darf für die Redundanzbewertung nicht mit 20 A verfügbarer Gesamtleistung gerechnet werden.

Für den Ausfallfall stehen in diesem Beispiel weiterhin nur die 10 A des verbliebenen Netzteils zur Verfügung.

N+1-Redundanz

Bei einer N+1-Architektur werden mehrere Netzteile verwendet. N Geräte sind erforderlich, um die maximale Last zu versorgen. Ein weiteres Netzteil bildet die Reserve.

Ein Beispiel wären vier Netzteile mit jeweils 10 A für eine Last, die im Fehlerfall von drei Geräten sicher getragen werden kann.

N+1-Systeme setzen eine geeignete Parallelschalt- und Lastaufteilungsfähigkeit voraus. Sie werden häufig bei größeren Leistungen eingesetzt, bei denen ein einzelnes Netzteil für die gesamte Last unpraktisch wäre.

Warum zwei parallel geschaltete Netzteile nicht automatisch redundant sind

Werden die Plus-Ausgänge zweier Netzteile ohne weitere Prüfung direkt miteinander verbunden, können mehrere Probleme entstehen.

Besitzt Netzteil A beispielsweise eine geringfügig höhere Ausgangsspannung als Netzteil B, übernimmt A möglicherweise einen großen Teil der Last. Eine gleichmäßige Stromaufteilung entsteht nicht automatisch.

Noch kritischer ist das Fehlerverhalten. Bei einem internen Defekt eines Netzteils kann:

• Strom vom intakten Netzteil in den defekten Ausgang zurückfließen,
• die gemeinsame Ausgangsspannung heruntergezogen werden,
• ein interner Kurzschluss beide Versorgungszweige beeinflussen.

Ein für Parallelbetrieb freigegebenes Netzteil kann Funktionen zur Stromaufteilung besitzen. Das ersetzt jedoch nicht automatisch die für das gewünschte Redundanzkonzept erforderliche Fehlerentkopplung.

Vor einer direkten Parallelschaltung sind deshalb immer die Herstellerangaben des verwendeten Netzteils zu prüfen.

Warum ist eine Entkopplung erforderlich?

Die Entkopplung sorgt dafür, dass die beiden Versorgungsquellen zwar gemeinsam die Last speisen können, sich ein Fehler eines Zweiges aber möglichst nicht auf den anderen Zweig zurückwirkt.

Vereinfacht funktioniert die Stromrichtung so:

Netzteil A → Entkopplung A → 24-V-Sammelschiene

Netzteil B → Entkopplung B → 24-V-Sammelschiene

Ein Rückstrom von der Sammelschiene in ein abgeschaltetes oder fehlerhaftes Netzteil wird blockiert.

Das ist besonders wichtig, wenn ein Netzteil:

• abgeschaltet wird,
• intern kurzschließt,
• seine Ausgangsspannung verliert,
• für Wartungsarbeiten aus dem System genommen wird.

Je nach gefordertem Verfügbarkeitsniveau muss außerdem geprüft werden, ob ein gemeinsames zweikanaliges Redundanzmodul selbst einen Single Point of Failure darstellt.

Für besonders konsequente Redundanzkonzepte können deshalb zwei voneinander unabhängige Entkopplungspfade bis zur Last erforderlich sein.

Dioden- und MOSFET-Entkopplung vergleichen

Diodenentkopplung

Die klassische Lösung verwendet Dioden in den beiden Ausgangspfaden.

Vorteile sind:

• einfaches Funktionsprinzip,
• passive Entkopplung,
• robuste Schaltung.

Nachteil ist der Spannungsabfall an der Diode. Dieser beträgt abhängig vom verwendeten Bauteil und Strom typischerweise einige Zehntel Volt.

Die Verlustleistung kann vereinfacht berechnet werden:

P_V = U_F × I

Bei beispielsweise 0,4 V Spannungsabfall und 10 A Last entstehen:

P_V = 0,4 V × 10 A = 4 W

Diese Leistung wird im Schaltschrank als Wärme abgegeben.

MOSFET-Entkopplung

Aktive Redundanzmodule verwenden häufig MOSFETs als elektronisches ORing-Element.

Der Spannungsabfall kann damit erheblich niedriger ausfallen. Dadurch entstehen:

• geringere Verlustleistung,
• weniger Erwärmung,
• eine höhere Spannung an der Last,
• Vorteile bei großen Strömen.

Moderne aktive Module können darüber hinaus die beiden Eingänge, die Entkopplungsstrecke und teilweise die Stromverteilung überwachen.

Für die Auswahl sind deshalb nicht nur der Nennstrom, sondern auch Spannungsabfall, Verlustleistung, Diagnosefunktionen und Fehlerverhalten relevant.

Netzteile richtig dimensionieren

Die wichtigste Regel einer 1+1-Versorgung lautet:

Ein einzelner Versorgungszweig muss die maximal erforderliche Last im vorgesehenen Betriebszustand übernehmen können.

Zur Last gehören nicht nur die statischen Nennströme.

Berücksichtigt werden müssen beispielsweise:

• SPS und Remote-I/O,
• Sensoren und Messumformer,
• Gaswarngeräte,
• Relais und Koppelmodule,
• Ventilspulen,
• Schütze,
• Displays und Industrie-PCs,
• Kommunikationsgeräte,
• Einschaltströme,
• zukünftige Erweiterungen.

Beispiel:

Verbraucher	Maximalstrom
SPS und I/O	1,5 A
Messgeräte und Sensoren	1,2 A
Kommunikation	0,8 A
Ventile und Relais	2,5 A
Sonstige Verbraucher	0,7 A
Gesamt	6,7 A

Ein 1+1-System mit zwei 5-A-Netzteilen wäre für diese Last nicht redundant. Beim Ausfall eines Gerätes müsste das verbliebene Netzteil 6,7 A liefern.

Zwei entsprechend dimensionierte 10-A-Netzteile könnten dagegen grundsätzlich eine geeignete Ausgangsbasis darstellen, sofern auch Temperatur-Derating, Einschaltströme und die übrigen Komponenten berücksichtigt werden.

Lastaufteilung zwischen den Netzteilen berücksichtigen

Bei zwei parallel arbeitenden geregelten Netzteilen bestimmt bereits ein kleiner Unterschied der Ausgangsspannungen die Lastverteilung.

Beispielsweise können eingestellt sein:

• Netzteil A: 24,15 V,
• Netzteil B: 24,00 V.

Dann liefert Netzteil A möglicherweise deutlich mehr Strom als Netzteil B.

Für eine 1+1-Versorgung muss eine perfekte 50-zu-50-Aufteilung nicht zwingend erforderlich sein, wenn jedes Netzteil dauerhaft die gesamte Last übernehmen kann.

Eine starke unsymmetrische Belastung hat jedoch Nachteile:

• ein Netzteil arbeitet dauerhaft wärmer,
• Bauteile altern unterschiedlich,
• die tatsächliche Funktionsfähigkeit des zweiten Zweiges bleibt möglicherweise unbemerkt,
• der Übergang beim Ausfall kann ungünstiger werden.

Bei Systemen mit aktiver Stromaufteilung oder Current-Balancing-Funktion wird deshalb versucht, die Belastung symmetrisch auf die verfügbaren Netzteile zu verteilen.

Bei N+1-Konzepten ist eine kontrollierte Lastverteilung besonders wichtig, da mehrere Netzteile gemeinsam benötigt werden, um die Gesamtleistung bereitzustellen.

Gemeinsame Fehler in der Einspeisung vermeiden

Zwei Netzteile an derselben vorgeschalteten Sicherung schützen zwar vor einem internen Netzteildefekt, aber nicht vor dem Ausfall dieser gemeinsamen Sicherung.

Bei hohen Verfügbarkeitsanforderungen sollte deshalb geprüft werden, welche Komponenten weiterhin beiden Zweigen gemeinsam sind.

Mögliche gemeinsame Fehlerquellen sind:

• gemeinsamer Leitungsschutzschalter,
• gemeinsame AC-Zuleitung,
• gemeinsame Trennklemme,
• gemeinsames Überspannungsschutzgerät,
• gemeinsamer DC-Verteiler,
• gemeinsame Entkopplungselektronik,
• gemeinsame Umgebungstemperatur.

Ein höherwertiges Konzept kann mit zwei möglichst unabhängigen Einspeisewegen aufgebaut werden. Wie weit diese Trennung geführt werden muss, hängt von der geforderten Anlagenverfügbarkeit und gegebenenfalls von der Sicherheitsbewertung ab.

Eine redundante 24-V-Versorgung ist daher immer nur so robust wie der am schlechtesten abgesicherte gemeinsame Teil des Systems.

Sicherungen und Kurzschlussverhalten richtig planen

Jeder Versorgungszweig sollte so aufgebaut sein, dass ein Fehler in einem Zweig den anderen möglichst nicht abschaltet.

Dazu gehört eine geeignete Absicherung der einzelnen Netzteile beziehungsweise Ausgangsleitungen.

Die Auswahl richtet sich unter anderem nach:

• maximalem Ausgangsstrom des Netzteils,
• Strombelastbarkeit der Leitung,
• zulässigem Einschaltstrom,
• Kurzschlussstrom des Netzteils,
• Auslösecharakteristik der Schutzorgane,
• DC-Schaltvermögen der verwendeten Sicherungen oder Leitungsschutzschalter.

Besonders wichtig ist die Selektivität der nachgeschalteten Lastkreise.

Verursacht beispielsweise ein defekter Sensor einen Kurzschluss, sollte möglichst nur der betreffende Verbraucherzweig abgeschaltet werden und nicht die gesamte 24-V-Sammelschiene.

Eine zweite Stromversorgung hilft nicht gegen einen direkten Kurzschluss auf einer gemeinsamen, ungeschützten 24-V-Hauptschiene. Beide Netzteile speisen dann denselben Fehler.

Leitungsdimensionierung und Spannungsabfall berücksichtigen

Auch die Leitungen müssen für den Redundanzfall dimensioniert werden.

Im Normalbetrieb fließen beispielsweise bei einer Gesamtlast von 8 A jeweils ungefähr 4 A über beide Zweige. Nach Ausfall eines Netzteils können jedoch die gesamten 8 A über nur noch einen Versorgungsweg fließen.

Dieser einzelne Pfad muss deshalb hinsichtlich:

• Leiterquerschnitt,
• Klemmenbelastbarkeit,
• Sicherung,
• Redundanzmodul,
• Steckverbinder

für den maximalen Fehlerfall ausgelegt sein.

Der Spannungsabfall darf ebenfalls nicht erst für den Normalbetrieb berechnet werden.

Vereinfacht gilt für eine DC-Leitung:

ΔU = I × R

Bei langen Leitungswegen kann die Spannung am Verbraucher nach Ausfall eines Netzteils stärker absinken, weil sich der Strom im verbleibenden Pfad erhöht.

Entscheidend ist deshalb die Spannung direkt am kritischsten Verbraucher und nicht nur die Ausgangsspannung am Netzteil.

Ausfall jedes Versorgungszweiges eindeutig melden

Eine der häufigsten Schwachstellen redundanter Systeme ist die fehlende Diagnose.

Fällt Netzteil A aus, hält Netzteil B die gemeinsame Sammelschiene weiterhin auf ungefähr 24 V. Eine reine Überwachung der gemeinsamen Ausgangsspannung erkennt diesen Fehler deshalb möglicherweise überhaupt nicht.

Die Anlage befindet sich anschließend unbemerkt in einem nicht redundanten Zustand.

Besser ist die individuelle Überwachung beider Versorgungszweige.

Geeignete Signale sind beispielsweise:

• DC-OK-Relaiskontakt Netzteil A,
• DC-OK-Relaiskontakt Netzteil B,
• Diagnosekontakt des Redundanzmoduls,
• Unterspannungsüberwachung vor der Entkopplung,
• optional Stromüberwachung beider Zweige.

Die SPS oder Leittechnik sollte daraus mindestens folgende Zustände unterscheiden können:

• beide Versorgungszweige verfügbar,
• Versorgungszweig A ausgefallen,
• Versorgungszweig B ausgefallen,
• gemeinsame 24-V-Versorgung außerhalb des zulässigen Bereichs.

Ein einzelner Netzteilausfall sollte eine Wartungsmeldung erzeugen, bevor der zweite Fehler zum Anlagenstillstand führt.

Wartung im laufenden Anlagenbetrieb vorbereiten

Ein wichtiger Vorteil einer 1+1-Versorgung besteht darin, einen fehlerhaften Zweig warten zu können, während der andere die Last weiter versorgt.

Dafür muss die Installation jedoch entsprechend vorbereitet sein.

Sinnvoll sind beispielsweise:

• eindeutig gekennzeichnete Zweige A und B,
• separate Sicherungen beziehungsweise Trenneinrichtungen,
• berührungssichere Klemmen,
• eindeutige DC-OK-Anzeigen,
• ausreichende Zugänglichkeit der Netzteile,
• dokumentierte Schaltreihenfolge.

Der Begriff Wartung im Betrieb bedeutet dabei nicht, dass ein beliebiges Netzteil unter Spannung aus dem Schaltschrank herausgezogen werden darf.

Der zu wartende Versorgungszweig muss entsprechend Herstellerangaben und elektrotechnischen Sicherheitsregeln freigeschaltet werden. Lediglich die angeschlossene Anlage bleibt über den zweiten Zweig weiter mit 24 V versorgt.

Redundanz und USV nicht verwechseln

Eine redundante Stromversorgung und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung lösen unterschiedliche Probleme.

System	Schützt primär gegen
1+1-Redundanz	Ausfall eines Netzteils beziehungsweise Versorgungszweiges
USV beziehungsweise Puffermodul	Ausfall der Energiequelle für eine definierte Überbrückungszeit

Werden beide redundanten Netzteile aus derselben AC-Einspeisung versorgt, fallen bei einem vollständigen Netzausfall beide Geräte gleichzeitig aus.

Für besonders kritische Verbraucher kann deshalb eine Kombination aus:

• redundanten Netzteilen,
• unabhängigen Einspeisungen,
• DC-USV beziehungsweise Pufferspeicher

erforderlich sein.

Welche Architektur sinnvoll ist, hängt von der geforderten Überbrückungszeit und den betrachteten Fehlerfällen ab.

Redundanzfunktion systematisch prüfen

Ein redundantes System sollte nicht nur verdrahtet, sondern auch unter realistischen Lastbedingungen geprüft werden.

Ein sinnvoller Funktionstest umfasst:

1. Normalbetrieb prüfen: Ausgangsspannung und Ströme beider Versorgungszweige erfassen.
2. Diagnose kontrollieren: Beide DC-OK- beziehungsweise Statussignale müssen korrekt anstehen.
3. Zweig A kontrolliert abschalten: Netzteil B muss die komplette Last ohne unzulässigen Spannungseinbruch übernehmen.
4. Ausfallmeldung prüfen: Der Fehler von Zweig A muss eindeutig gemeldet werden.
5. Zweig A wieder zuschalten: Rückkehr in den redundanten Zustand kontrollieren.
6. Zweig B abschalten: Prüfung spiegelbildlich wiederholen.
7. Maximale Last prüfen: Redundanz auch bei höchstem vorgesehenen Betriebsstrom verifizieren.
8. Einschaltvorgänge prüfen: Anlaufströme von SPS, Ventilen, Industrie-PCs und anderen Verbrauchern berücksichtigen.
9. Spannung am Verbraucher messen: Nicht nur direkt am Netzteil kontrollieren.
10. Temperatur prüfen: Netzteile, Redundanzmodule, Klemmen und Leitungen unter Last kontrollieren.

Ein Kurzschluss sollte nicht künstlich erzeugt werden, um die Redundanz zu prüfen. Kurzschluss- und Schutzverhalten werden anhand der Herstellerdaten und durch sichere, dafür vorgesehene Prüfverfahren beurteilt.

Praxisbeispiel einer 24-V-1+1-Versorgung

Eine Gaswarn- und Prozessüberwachung benötigt im normalen Betrieb 5,5 A. Im ungünstigsten Betriebszustand einschließlich Relais und Signalgebern werden 7,2 A erwartet.

Für die Versorgung werden zwei 24-V-Netzteile mit jeweils 10 A vorgesehen.

Der Aufbau lautet:

AC-Zweig A → Netzteil A → Sicherung → Entkopplung A → 24-V-Sammelschiene

AC-Zweig B → Netzteil B → Sicherung → Entkopplung B → 24-V-Sammelschiene

Die Verbraucher werden anschließend über separat abgesicherte 24-V-Abgänge versorgt.

Im Normalbetrieb teilen sich beide Netzteile die Last annähernd auf.

Betriebszustand	Netzteil A	Netzteil B	24-V-Last
Normalbetrieb	ca. 3,6 A	ca. 3,6 A	7,2 A
Netzteil A ausgefallen	0 A	7,2 A	7,2 A
Netzteil B ausgefallen	7,2 A	0 A	7,2 A

Die DC-OK-Kontakte beider Netzteile werden separat auf die SPS geführt.

Beim Abschalten von Netzteil A bleibt die Ausgangsspannung innerhalb des für die Verbraucher zulässigen Bereichs. Gleichzeitig erzeugt die Steuerung die Meldung:

24-V-Versorgung Zweig A ausgefallen Redundanz nicht verfügbar

Die Anlage läuft weiter, die Instandhaltung erkennt aber sofort, dass ein einzelner weiterer Fehler jetzt zum Versorgungsausfall führen könnte.

Genau diese Kombination aus Weiterbetrieb und Diagnose macht aus zwei Stromversorgungen ein brauchbares Redundanzkonzept.

Typische Fehler bei redundanten Stromversorgungen

Fehler	Mögliche Folge	Geeignete Maßnahme
Zwei Netzteile ohne Entkopplung parallel verbunden	Rückspeisung oder gegenseitige Beeinflussung bei einem Fehler	Geeignete Redundanz- beziehungsweise ORing-Entkopplung vorsehen
Jedes Netzteil nur für die halbe Gesamtlast dimensioniert	Verbleibendes Netzteil wird beim Ausfall überlastet	Bei 1+1 jeden Zweig für die erforderliche Gesamtlast auslegen
Nur gemeinsame 24-V-Spannung überwacht	Ausfall eines Netzteils bleibt unentdeckt	Beide Versorgungszweige separat überwachen
Beide Netzteile hinter derselben Sicherung	Auslösen des Schutzorgans schaltet beide Zweige ab	Gemeinsame Fehlerquellen entsprechend Verfügbarkeitsanforderung reduzieren
Leitungen nur für halben Normalstrom dimensioniert	Überlastung des verbleibenden Pfades im Fehlerfall	Jeden relevanten Pfad für seinen maximalen Fehlerstrom auslegen
Redundanzmodul zu klein dimensioniert	Überlastung oder unzulässiger Spannungsabfall	Kanalstrom und Gesamtausgangsstrom prüfen
Stromaufteilung nicht kontrolliert	Ein Netzteil läuft dauerhaft nahe Volllast	Ausgangsspannungen und Lastverteilung prüfen
Gemeinsamer 24-V-Ausgang nicht selektiv abgesichert	Ein Verbraucherfehler kann die gesamte Versorgung abschalten	Lastkreise separat absichern
Redundanz mit USV verwechselt	Beide Netzteile fallen beim Netzausfall gleichzeitig aus	Bei erforderlicher Überbrückung zusätzlich USV beziehungsweise Energiespeicher vorsehen
Redundanz nie unter Last getestet	Fehler wird erst beim realen Ausfall erkannt	Ausfall beider Zweige einzeln regelmäßig kontrollieren

Was gehört in die Dokumentation?

Für eine nachvollziehbare 24-V-Versorgung sollten mindestens dokumentiert werden:

• Versorgungskonzept 1+1 oder N+1,
• Netzteiltyp und Ausgangsnennstrom,
• maximale Anlagenlast,
• berücksichtigte Einschalt- und Spitzenströme,
• Temperatur-Derating der Netzteile,
• Art der Entkopplung,
• Nennstrom des Redundanzmoduls,
• Spannungsabfall der Entkopplungsstrecke,
• AC-Einspeisung für Zweig A und B,
• Sicherungen beziehungsweise Schutzorgane,
• Leiterquerschnitte,
• DC-Verteilung,
• DC-OK- und Fehlermeldekontakte,
• Alarmtext in SPS oder Leitsystem,
• gemessene Ströme im Normalbetrieb,
• Spannung am kritischsten Verbraucher,
• Ergebnis des Ausfalltests für Zweig A,
• Ergebnis des Ausfalltests für Zweig B,
• Datum des letzten Funktionstests.

Ein Stromlaufplan sollte die beiden Versorgungswege eindeutig getrennt darstellen. Dadurch lässt sich bei einer späteren Wartung sofort erkennen, welche Komponenten zu Zweig A beziehungsweise Zweig B gehören.

Welche Produkte und Lösungen eignen sich?

Industrielle 24-V-Stromversorgungen

In der ICS Kategorie Stromversorgung stehen unterschiedliche Netzgeräte, DC-DC-Wandler, Ladegeräte und weitere Komponenten für industrielle Versorgungssysteme zur Verfügung.

Bei der Auswahl für eine redundante 24-V-Versorgung sollten insbesondere berücksichtigt werden:

• 24-V-Ausgangsspannung,
• ausreichender Nennstrom eines einzelnen Versorgungszweiges,
• zulässige Umgebungstemperatur und Derating,
• Überlast- und Kurzschlussverhalten,
• einstellbare Ausgangsspannung,
• DC-OK- beziehungsweise Statuskontakt,
• Freigabe für die geplante Parallel- oder Redundanzschaltung.

ISDR-120 Industrie-Netzteil

Die ISDR-120 Serie ist ein kompaktes industrielles Hutschienennetzteil mit 120 W Ausgangsleistung.

Die 24-V-Ausführung liefert bis zu 5 A und besitzt einen integrierten DC-OK-Relaiskontakt. Dadurch lässt sich der Betriebszustand des Netzteils über eine SPS beziehungsweise Leittechnik überwachen.

Zu den weiteren Eigenschaften gehören:

• 24 V DC Ausgangsspannung bei der entsprechenden Ausführung,
• 5 A Ausgangsstrom bei 24 V,
• einstellbare Ausgangsspannung,
• Schutz gegen Kurzschluss, Überlast, Überspannung und Übertemperatur,
• Montage auf TS-35-Hutschiene,
• DC-OK-Relaiskontakt.

Ob und mit welcher Entkopplung ein bestimmtes Netzteil für eine konkrete redundante Architektur eingesetzt werden kann, muss anhand der Herstellerangaben und des vollständigen Versorgungskonzeptes geprüft werden.

Redundanzmodule

Ein Redundanzmodul bildet die elektrische Trennstelle zwischen den beiden Netzteilausgängen und der gemeinsamen Last.

Für die Auswahl sind besonders wichtig:

• Eingangsspannungsbereich,
• zulässiger Strom je Eingang,
• zulässiger Gesamtstrom,
• Spannungsabfall,
• Dioden- oder MOSFET-Technik,
• Rückstromsperre,
• Diagnosekontakte,
• Überwachung der Entkopplungsstrecke.

Bei besonders hohen Verfügbarkeitsanforderungen sollte außerdem geprüft werden, ob die Entkopplung selbst redundant ausgeführt werden muss.

Netzgeräte und Laborstromversorgung

Die Netzgeräte und Laborstromversorgungen eignen sich insbesondere für Entwicklung, Prüfung, Inbetriebnahme und Simulation von 24-V-Verbrauchern.

Sie können beispielsweise verwendet werden, um:

• Lastströme zu bestimmen,
• Unterspannungsverhalten zu prüfen,
• Stromaufnahmen einzelner Baugruppen zu messen,
• Versorgungskonzepte vor der endgültigen Schaltschrankintegration zu testen.

Eine Laborstromversorgung ersetzt jedoch nicht automatisch ein für den dauerhaften Schaltschrankbetrieb vorgesehenes redundantes Industrienetzteil.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auslegung von Stromversorgung, Ausgangsleistung, Redundanzkonzept, Entkopplung, Überwachung und geeigneten Komponenten für industrielle Mess-, Steuer- und Überwachungssysteme.

Fazit

Zwei parallel angeschlossene 24-V-Netzteile ergeben noch keine vollständige redundante Versorgung.

Bei einer 1+1-Architektur muss jedes Netzteil die maximal erforderliche Anlagenlast alleine übernehmen können. Eine geeignete Entkopplung verhindert, dass ein ausgefallener Versorgungszweig den weiterhin funktionierenden Zweig rückwärts belastet oder herunterzieht.

Diodenmodule bieten ein einfaches Entkopplungsprinzip, verursachen jedoch einen Spannungsabfall und entsprechende Verlustleistung. Aktive MOSFET-Redundanzmodule können diese Verluste deutlich reduzieren und zusätzliche Diagnosefunktionen bereitstellen.

Die gesamte Versorgungskette muss betrachtet werden. Gemeinsame AC-Sicherungen, Verteiler, Leitungen oder ein gemeinsames Entkopplungsmodul können die tatsächliche Redundanz begrenzen.

Besonders wichtig ist die Ausfallmeldung. Da die gemeinsame 24-V-Spannung nach Ausfall eines Netzteils weiterhin vorhanden sein kann, müssen beide Versorgungszweige separat überwacht werden.

Auch Leitungen, Sicherungen und Klemmen müssen für den Fehlerfall ausgelegt sein, in dem ein einzelner Zweig die gesamte Last übernimmt.

Eine redundante Versorgung ersetzt außerdem keine USV. Soll auch ein vollständiger Ausfall der Energiequelle überbrückt werden, muss ein geeignetes Puffer- oder USV-Konzept ergänzt werden.

Abgeschlossen ist die Auslegung erst mit einem Funktionstest unter realer Last. Dabei werden beide Versorgungszweige nacheinander abgeschaltet und überprüft, ob Spannung, Lastübernahme und Ausfallmeldung wie vorgesehen funktionieren.

Häufige Fragen zu redundanten 24-V-Versorgungen

Kann ich zwei 24-V-Netzteile einfach parallel anschließen?

Nur wenn die Geräte dafür geeignet sind und das vorgesehene Systemkonzept dies zulässt. Für eine echte Redundanz ist normalerweise eine definierte Entkopplung erforderlich, damit ein fehlerhaftes Netzteil den intakten Versorgungszweig nicht beeinflusst.

Was bedeutet 1+1-Redundanz?

Ein Netzteil kann die komplette erforderliche Last versorgen. Ein zweites gleichwertiges Netzteil steht zusätzlich zur Verfügung beziehungsweise arbeitet parallel mit. Beim Ausfall eines Gerätes übernimmt das andere die Last vollständig.

Was bedeutet N+1?

N Netzteile werden benötigt, um die Gesamtlast bereitzustellen. Ein zusätzliches Netzteil bildet die Reserve. Fällt ein einzelnes Gerät aus, müssen die verbleibenden N Netzteile weiterhin die gesamte Last tragen können.

Warum brauche ich ein Redundanzmodul?

Es entkoppelt die Stromversorgungen elektrisch voneinander und verhindert insbesondere eine unerwünschte Rückspeisung in einen ausgefallenen Versorgungszweig.

Was ist besser Diode oder MOSFET?

Eine Diodenentkopplung ist einfach und robust, verursacht jedoch einen vergleichsweise höheren Spannungsabfall. Eine aktive MOSFET-Entkopplung besitzt normalerweise geringere Verluste und kann zusätzliche Überwachungsfunktionen bieten.

Müssen beide Netzteile exakt denselben Strom liefern?

Bei einer klassischen 1+1-Versorgung nicht zwingend. Jedes Netzteil muss jedoch die komplette Last übernehmen können. Eine möglichst gleichmäßige Lastaufteilung reduziert die thermische Belastung und ermöglicht eine gleichmäßigere Alterung.

Warum reicht die Überwachung der 24-V-Sammelschiene nicht aus?

Weil beim Ausfall eines Netzteils das zweite die Spannung weiterhin aufrechterhält. Ohne separate Diagnose kann die Anlage lange Zeit unbemerkt ohne Redundanz betrieben werden.

Müssen beide Netzteile eine eigene AC-Sicherung bekommen?

Bei hohen Verfügbarkeitsanforderungen sollten gemeinsame Fehlerquellen soweit wie erforderlich reduziert werden. Eine gemeinsame vorgeschaltete Sicherung kann beide Netzteile gleichzeitig abschalten und damit die Wirkung der Redundanz begrenzen.

Kann ein Redundanzsystem einen Kurzschluss auf der 24-V-Schiene abfangen?

Nein. Befindet sich der Kurzschluss auf einem gemeinsamen, nicht selektiv getrennten Ausgangspfad, speisen beide Stromversorgungen denselben Fehler. Deshalb ist eine geeignete Aufteilung und Absicherung der Verbraucherzweige wichtig.

Ist eine redundante Stromversorgung gleichzeitig eine USV?

Nein. Redundanz schützt primär gegen den Ausfall eines Versorgungszweiges. Eine USV überbrückt dagegen den Ausfall der Energiequelle für eine definierte Zeit.

Wie teste ich die Redundanz?

Unter definierter Last wird zunächst ein Versorgungszweig kontrolliert abgeschaltet. Die 24-V-Spannung muss erhalten bleiben und eine eindeutige Ausfallmeldung erscheinen. Anschließend wird derselbe Test mit dem zweiten Zweig durchgeführt.

Kann ich ein Netzteil während des Betriebs austauschen?

Die angeschlossene Anlage kann bei einem korrekt ausgelegten 1+1-System über das verbleibende Netzteil weiterbetrieben werden. Das auszutauschende Netzteil selbst muss jedoch entsprechend Herstellerangaben und elektrotechnischen Sicherheitsregeln sicher freigeschaltet werden.