Power Supplies that Last Three Times Longer
Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 1/2020. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.
Vom ladegerät für das smartphone bis zum hochleistungslaser, vom mixer bis zur industriewaschmaschine, vom laptop-netzteil bis zur ladestation für eautos – bei der stromversorgung von elektrogeräten aller größen und leistungsstärken sind schaltnetzteile allgegenwärtig. sie wandeln den Wechselstrom aus dem stromnetz in den vom gerät benötigten gleichstrom um. das problem: die netzteile sind fehleranfällig, besonders, wenn sie stark beansprucht werden. die lebensdauer von endgeräten im privaten bereich wird dadurch teils massiv verkürzt, im industriellen zusammenhang muss zumindest häufiger gewartet werden. Wissenschaftler des Kit haben jetzt neuartige intelligente netzteile entwickelt, die deutlich langlebiger sind.
Die heute verbreiteten schaltnetzteile sind leicht und kompakt, wegen der darin verbauten elektrolytkondensatoren aber auch fehleranfällig. Wesentlich langlebiger sind folienkondensatoren. diese brauchen aber bis zu zehnmal mehr platz. „Wir haben ein digitales regelungsverfahren entwickelt, welches es erlaubt, folienkondensatoren einzusetzen – bei nur leicht gesteigertem platzbedarf“, sagt michael heidinger vom lichttechnischen institut (lti) des Kit. „unser regelungsverfahren läuft auf einem im netzteil eingebauten mikrocontroller. es erkennt störende umgebungseinflüsse, sodass beispielsweise höhere eingangsspannungsschwankungen ausgeglichen werden können“, so heidinger weiter. so sind speicherkondensatoren mit geringerer Kapazität ausreichend. „die Verwendung dieser folienkondensatoren eliminiert die hauptausfallursache von netzgeräten, die elektrolytkondensatoren. dies kann, je nach design, die betriebsdauer der endgeräte sogar verdreifachen“, ergänzt der Wissenschaftler und Kollege Qihao Xia.
Die vielfach längere Lebensdauer ist aber beileibe nicht der einzige Vorteil der neuartigen Netzteile. Noch einer ist der viel geringere Wartungsaufwand: „Ein Pluspunkt vor allem an Stellen, bei denen es auf höchste Zuverlässigkeit ankommt, wie in der Luftfahrt, bei Elektroautos oder industriellen Anwendungen“, sagt Heidinger. Ein weiterer Trumpf sei die große Anpassungsfähigkeit der Netzteile: „Spezielle Kundenanforderungen wie besserer Brandschutz oder dynamische Ausgangsspannungsanpassungen können wir leicht realisieren“, verspricht Heidinger. Limitiert etwa ein Netzgerät seine maximal ausgegebene Leistung, gelten bei sensiblen Gebäuden wie zum Beispiel Flughäfen geringere Brandschutzauflagen.
Erste Kunden kämen folglich aus Geschäftsfeldern, in denen eine flexible Ausgangsspannung benötigt wird, berichten Heidinger und Xia. Darüber hinaus fokussieren sich die Wissenschaftler vornehmlich auf industrielle Anwendungen wie Produktionsstraßen, deren Nutzer 20 Jahre Lebensdauer erwarten. „Stehen die Anlagen still, wird es schnell teuer.“ Interesse von privaten Anwenderinnen und Anwendern erwarten die Wissenschaftler indes nur eingeschränkt: „Den Wenigsten sind ja bis jetzt ihre Handynetzteile ausgefallen“, räumt Heidinger ein. Denn diese haben im Jahr nur wenige hundert Volllaststunden.
Die neuartigen Netzteile zu entwickeln, sei erst mit der Verbreitung von sehr leistungsstarken Mikroprozessoren möglich geworden, erklärt Heidinger. „Man kann die Digitalisierung der Netzteile durchaus mit dem Technologiesprung von der analogen zur digitalen Fotografie vergleichen.“ Jetzt könnten Netzteile aus der Ferne gewartet und in das Internet of Things integriert werden sowie als Datenquelle für Visualisierungen oder Deep Learning fungieren.
Kontakt: michael heidinger ∂does-not-exist.kit edu
Excerpt in English
Industry Benefits from Smart Switching Power Supplies
Translation: Maike Schröder
Whether in chargers of smartphones or high-performance lasers, mixers or industrial washing machines, laptops or charging stations of electric cars – switching power supplies are omnipresent in electric devices of any size and power. They convert the alternating current of the grid into the direct current needed by the device. The problem: The power supplies are prone to error, in particular under high load. As a result, service life of end devices may be shortened significantly. In industry, maintenance must be performed more often. KIT scientists have now developed novel intelligent power supply units that are considerably more durable.
“We have developed a digital control method that allows the use of film capacitors with only slightly increased installation space,” says Michael Heidinger of KIT’s Light Technology Institute (LTI). “Our control procedure runs on a microprocessor built into the power supply. It detects disturbing environmental influences so it can compensate for higher input voltage fluctuations,” Heidinger adds. The much longer service life, however, is not the only advantage of the novel power supplies. Maintenance expenditure is reduced considerably and the power supplies are largely adaptable: “Special requirements of customers, such as enhanced fire protection or dynamic adaptation of output voltage can be achieved easily,” Heidinger promises. If, for example, a power supply limits its maximum output, fire protection requirements for complex buildings, such as airports, can be reduced.
The first customers therefore are those with applications that require a flexible output voltage, Heidinger and Qihao Xia say. Product development mainly focuses on industrial applications, such as production lines that are expected to have a service life of 20 years.