Parallelschaltung und Redundanz bei Netzteilen

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Parallelschaltung und Redundanz bei Netzteilen

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Netzteile sind ein wichtiger Bestandteil vieler elektronischer Geräte und Systeme. Oftmals gibt es höhere Anforderungen an die Ausfallsicherheit oder Leistung, das Parallelschalten schafft in beiden Fällen Abhilfe.

 

Bild 1

Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung werden zwei oder mehr Netzteile parallelgeschaltet, um eine höhere Gesamtleistung zu erzielen. Diese wird oft in industriellen Anwendungen verwendet, bei denen eine hohe Leistung erforderlich ist und Einzelgeräte an Ihre Grenzen kommen.

Eine Parallelschaltung kann ohne bzw. mit Lastverteilung erfolgen. Bei einer Parallelschaltung ohne Lastverteilung kann es durch Abweichung der Ausgangsspannung zu unterschiedlicher Strombelastung und damit Überlastung kommen.
Dagegen wird bei Lastverteilung versucht, den Strom gleichmäßig aufzuteilen.
Im einfachsten Fall können die Lasten durch externe niederohmige Widerstände aufgeteilt werden, dadurch ergeben sich allerdings erhöhte Verluste.

Es gibt zwei Hauptarten, wie Netzteile Parallelschaltfähigkeit realisieren:

  1. Aktive Parallelschaltung

Bei dieser Art der Parallelschaltung werden spezielle Schaltungen und Steuerungen eingesetzt, um die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom der Netzteile zu regeln und zu synchronisieren. Durch die Synchronisation wird eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen den Netzteilen gewährleistet.

  1. Passive Parallelschaltung

Mit dieser Art der Parallelschaltung können Stromversorgungen einfach parallelgeschaltet werden, ohne dass spezielle Schaltungen oder Steuerungen verwendet werden müssen. Bei steigender Last reduziert sich die Ausgangsspannung proportional (siehe Bild 2) (geneigte Kennlinie) und gleicht somit leichte Abstimmungsunterschiede aus.
Diese Art der Parallelschaltung ist für den Großteil der Anwendungen die sicherste und wirtschaftlichste Lösung.

Durch die Parallelschaltung kann die Leistungsfähigkeit des Systems verbessert werden, da die Leistung der einzelnen Netzteile addiert werden. Eine unsachgemäße Parallelschaltung von nicht Parallelschaltfähigen Netzteilen kann zu einer instabilen Stromversorgung und zu Schäden an den angeschlossenen Geräten führen.

Bild 2

Redundanz

Redundanz bedeutet, dass ein System über mehrere identische bzw. gleichwertige Stromversorgungen verfügt. Die Redundanz ist ein wichtiger Faktor für die Systemverfügbarkeit und -zuverlässigkeit in Anwendungen, in denen ein Stromausfall zu erheblichen Schäden oder Verlusten führen kann. Es gibt mehrere Möglichkeiten, redundante Netzteile zu implementieren.

Eine Möglichkeit besteht darin, mehrere Netzteile parallel zu betreiben, sodass bei Ausfall eines Netzteils oder Netzteilverbunds ein zweites identisches Netzteil oder Netzteilverbund die Funktion übernehmen können.
Dies bezeichnet man als 1:1 Redundanz
Weiters lässt sich bei Redundanzstrategien zwischen Hot-Spare, bei welcher alle Netzteile gleichzeitig An- und Zugeschalten sind, sowie Cold-Spare bei welcher z.B. via Relais oder Redundanzmodul im Fehlerfall das redundante Netzteil oder der Netzteilverbund zugeschaltet wird, unterscheiden.

Als N+1 Redundanz bezeichnet man die zur Verfügungsstellung einer Backup-Komponente zu N parallelen Komponenten. Sind zum Beispiel 3 parallele Netzteile im Einsatz (N) wird ein weiteres (+1) als hot-spare parallelgeschaltet, um den potenziellen Verlust eines Netzteiles ausgleichen zu können.

Diese Topologien finden z.B. auch in der IT (Festplattenverbunde) oder Stromnetzen (Freileitungen, Transformatoren, etc.)  Anwendung.

Darüber hinaus können redundante Systeme so konfiguriert werden, dass sie automatisch zwischen verschiedenen Stromquellen umschalten, um maximale Verfügbarkeit/Reaktionsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Redundanz ist besonders wichtig in sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen ein Ausfall des Netzteils zu einem Ausfall des gesamten Systems führen kann. Ein Beispiel hierfür sind medizinische Geräte, bei denen ein Ausfall des Netzteils lebensbedrohlich werden könnte. Durch die Verwendung von redundanter Stromversorgung wird sichergestellt, dass das System im Falle eines Ausfalls des ersten Netzteils weiterhin betrieben werden kann. Die Implementierung von Stromredundanz erfordert eine sorgfältige Planung und Konfiguration, um einen ordnungsgemäßen Systembetrieb und eine zuverlässige Stromversorgung im Falle eines Stromausfalls sicherzustellen.