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Parallel- oder Reihenschaltung von Stromversorgungen für erhöhte Ausgangsleistung

16. Juni 2020 von Bruce Rose – Lesezeit: 7 Minuten

Parallel- oder Reihenschaltung von Stromversorgungen für erhöhte Ausgangsleistung

In einigen Anwendungen reicht die Verwendung eines einzigen Netzteils möglicherweise nicht aus, um die von der Last benötigte Leistung zu erbringen. Gründe für die Verwendung mehrerer Versorgungen können unter anderem ein redundanter Betrieb zur Verbesserung der Zuverlässigkeit oder eine erhöhte Ausgangsleistung sein. Bei der Bereitstellung von kombinierter Leistung muss darauf geachtet werden, dass die Leistung von allen Versorgern in ausgewogener Weise geliefert wird.

Für Redundanz angeschlossene Stromversorgungen

Redundante Stromversorgungen sind eine Topologie, bei der die Ausgänge mehrerer Stromversorgungen verbunden werden, um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen, nicht aber, um die Ausgangsleistung zu steigern. Redundante Konfigurationen sind normalerweise so ausgelegt, dass der Ausgangsstrom nur von den primären Stromversorgungen entnommen wird und dass Strom von den Reservestromversorgungen entnommen wird, wenn in einer der primären Stromversorgungen ein Fehler aufgetreten ist. Da die Entnahme von Laststrom die Komponenten in einer Stromversorgung belastet, wird eine hohe Zuverlässigkeit im System erreicht, wenn den redundanten Versorgungen kein Strom entnommen wird, bis es ein Problem mit einer der Primärversorgungen gibt.

Diagramm der redundanten Stromversorgungen
  • Die Stromversorgungen A und B sind ähnlich; Vaus und maximaler Iaus sind gleich
  • Die Lastspannung ist gleich der Versorgungsspannung
  • Der maximale Laststrom ist gleich dem maximalen Ausgangsstrom einer Versorgung
  • Der elektronische Schalter verbindet einen der Versorgungsausgänge mit der Last

Stromversorgungen mit parallel geschalteten Ausgängen

Eine übliche Topologie zur Erhöhung der Ausgangsleistung ist die Parallelschaltung der Ausgänge von zwei oder mehr Versorgungen. In dieser Konfiguration liefert jedes Netzteil die erforderliche Lastspannung, während die Parallelschaltung der Stromversorgungen den verfügbaren Laststrom und damit die verfügbare Lastleistung erhöht.

Diese Topologie kann erfolgreich implementiert werden, aber es gibt viele Überlegungen, um die Effizienz der Konfiguration zu gewährleisten. Bei Parallelkonfigurationen werden Stromversorgungen mit internen Schaltungen bevorzugt, da die internen Schaltungen die Effizienz der Stromaufteilung verbessern. Wenn die in einer Stromaufteilungsanwendung verwendeten Stromversorgungen keine internen Aufteilungsschaltungen haben, müssen externe Methoden verwendet werden, die möglicherweise weniger effizient sind.

Es geht vor allem darum, wie gleichmäßig der Laststrom auf die Stromversorgungen verteilt wird. Die Laststromverteilung hängt sowohl vom Design der Stromversorgungen als auch vom Design der externen Schaltung und der Leiter ab, die zur Parallelschaltung der Ausgänge der Versorgungen verwendet werden. Es ist fast immer der Fall, dass identische Stromversorgungen verwendet werden, wenn sie parallel geschaltet werden, da es schwierig ist, die Stromversorgungen effizient zu konfigurieren. Es ist jedoch möglich, Versorgungen parallel mit übereinstimmenden Ausgangsspannungen und nicht übereinstimmenden maximalen Ausgangsströmen zu konfigurieren.

Eine ausführlichere Diskussion über die Parallelschaltung von Stromversorgungen finden Sie in unserem Fachbeitrag Stromaufteilung mit Netzteilen.

Diagramm der parallel geschalteten Stromversorgungen
  • Die Stromversorgungen A und B müssen die gleiche Vaus haben; der maximale Iaus kann unterschiedlich sein.
  • Die Lastspannung ist gleich der Versorgungsspannung
  • Der maximale Laststrom ist gleich der Summe des maximalen Ausgangsstroms der beiden Versorgungen
  • Die Stromüberwachungsschaltungen gleichen den Laststrom zwischen den Versorgungen aus

Stromversorgungen mit in Reihe geschalteten Ausgängen

Eine weitere Möglichkeit, eine höhere an eine gelieferte Leistung zu erhalten, besteht darin, die Ausgänge mehrerer Stromversorgungen in Reihe statt parallel zu schalten. Zu den Vorteilen des Einsatzes einer Serientopologie gehören: nahezu perfekte Ausnutzung der Leistungsabgabe zwischen den Versorgungen, keine Notwendigkeit zur Konfiguration oder gemeinsamen Nutzung von Schaltungen und eine Toleranz gegenüber einer großen Vielfalt von Anwendungsdesigns. Wie bereits erwähnt, liefert bei Parallelschaltung der Ausgänge von Versorgungen jede Versorgung die erforderliche Spannung und der Laststrom wird zwischen den Versorgungen aufgeteilt. Wenn die Ausgänge von Stromversorgungen in Reihe geschaltet sind, liefert jede Versorgung den erforderlichen Laststrom, und die an die Last gelieferte Ausgangsspannung ergibt sich aus der Kombination der in Reihe geschalteten Versorgungen.

Es ist zu beachten, dass bei der Konfiguration von Stromversorgungen, bei denen die Ausgänge in Reihe geschaltet sind, die Stromversorgungen keine ähnlichen Ausgangseigenschaften aufweisen müssen. Der Laststrom wird auf den niedrigsten Laststrom einer der Versorgungen in der Konfiguration begrenzt und die Lastspannung ist die Summe der Ausgangsspannungen aller Versorgungen in der Kette.

Es gibt einige Einschränkungen, die den Stromversorgungen auferlegt werden, wenn sie in einer Serienausgangskonfiguration verwendet werden. Eine der Einschränkungen besteht darin, dass der Ausgang der Versorgungen so ausgelegt sein muss, dass der Spannungsoffset aufgrund der Serienkonfiguration toleriert wird. Diese Offsetspannung wird normalerweise kein Problem darstellen, aber die Ausgangsspannungen von Stromversorgungen mit Massebezug können nicht auf die Ausgänge anderer Stromversorgungen gestapelt werden. Eine zweite Einschränkung besteht darin, dass der Ausgang einer Versorgung mit einer Sperrspannung beaufschlagt werden kann, wenn der Ausgang nicht aktiv ist, während die übrigen Ausgänge in der Kette aktiv sind. Das Problem der Sperrspannung kann leicht gelöst werden, indem eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode über den Ausgang jeder Versorgung gelegt wird. Die Nenndurchbruchspannung der Diode muss größer sein als die individuelle Versorgungsausgangsspannung und der Diodenstrom muss größer sein als der höchste Ausgangsstrom aller Stromversorgungen in der Reihenschaltung.

Diagramm der in Reihe geschalteten Stromversorgungen
  • Die Stromversorgungen A und B können unterschiedliche Vaus- und Iaus-Maximalwerte haben
  • Die Lastspannung ist gleich der Summe der Versorgungsausgangsspannungen
  • Der maximale Laststrom ist gleich dem niedrigeren Wert des maximalen Ausgangsstroms einer der beiden Versorgungen
  • Die Sperrvorspannungsdioden schützen die Ausgänge der Versorgungen

Zusammenfassung

Parallel geschaltete Stromversorgungen:

  • Schlechte Stromnutzung aufgrund der Toleranz der Kontrolle der Stromaufteilung zwischen den Versorgungen
  • Spezielle Schaltung zur Steuerung der Stromaufteilung zwischen den Versorgungen erforderlich
  • Empfindlich für Entwurf und Konstruktion von Leitern, die Versorgungen parallel schalten
  • Am einfachsten mit ähnlichen Stromversorgungen entworfen

In Reihe geschaltete Stromversorgungen:

  • Effiziente Leistungsausnutzung nur durch die Genauigkeit der Ausgangsspannung jeder Versorgung begrenzt
  • Keine Schaltkreise zur Steuerung der Spannungs- oder Stromaufteilung zwischen den Versorgungen erforderlich
  • Keine Empfindlichkeit gegenüber Design oder Konstruktion von Leitern, die Versorgungen in Reihe schalten
  • Einfache Konstruktion mit jeder Kombination von Stromversorgungen

Obwohl die übliche Methode zur Erhöhung der von Stromversorgungen gelieferten Lastleistung darin besteht, die Ausgänge parallel zu schalten, kann eine andere Lösung darin bestehen, die Ausgänge mehrerer Stromversorgungen in Reihe zu schalten. Anbieter von Stromversorgungen wie CUI verfügen über technisches Personal, das bei der Konfiguration einer akzeptablen Lösung für diese und andere Herausforderungen bei Stromversorgungsanwendungen helfen kann.

Kategorien: Grundlagen, Produktauswahl

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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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