Derating von Stromversorgungen in der industriellen Automatisierung
21.08.2026
Ein Blick auf die Faktoren, die ein Derating bei Stromversorgungen erforderlich machen, sowie darauf, wie Derating die Zuverlässigkeit industrieller Stromversorgungen verbessern und die MTBF vergrößern kann.
Inhaltsverzeichnis
Einführung in das Thema Derating bei industriellen Stromversorgungen
Stromversorgungen sind so spezifiziert, dass sie unter normalen Betriebsbedingungen eine bestimmte maximale Nennleistung liefern können; so wird eine Stromversorgung beispielsweise als „480W-Stromversorgung“ oder „15W-DC/DC-Wandler“ bezeichnet. Diese Nennleistung hängt jedoch von den Betriebsbedingungen ab. Äußere Faktoren wie hohe oder niedrige Umgebungstemperaturen, eine niedrige Eingangsspannung und der Betrieb in großen Betriebshöhen können die maximal zur Verfügung stehende Dauerleistung verringern.
Um diese Faktoren auszugleichen, muss die Last am Netzgerät zurückgenommen werden – ein Verfahren, das als Derating bezeichnet wird. Das Derating gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer, indem es die interne Verlustleistung verringert, um die Wärmeentwicklung zu senken und eine hohe Zuverlässigkeit über die gesamte zu erwartende Lebensdauer des Produkts aufrechtzuerhalten. Gemäß Standardrichtlinien der Branche verringert sich die Lebensdauer mit jedem Anstieg der Umgebungstemperatur um 10°C um die Hälfte.
Um diese Faktoren auszugleichen, muss die Last am Netzgerät zurückgenommen werden – ein Verfahren, das als Derating bezeichnet wird. Das Derating gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer, indem es die interne Verlustleistung verringert, um die Wärmeentwicklung zu senken und eine hohe Zuverlässigkeit über die gesamte zu erwartende Lebensdauer des Produkts aufrechtzuerhalten. Gemäß Standardrichtlinien der Branche verringert sich die Lebensdauer mit jedem Anstieg der Umgebungstemperatur um 10°C um die Hälfte.
Spezifikation und Auswirkungen
In der Regel geben Hersteller von Stromversorgungen das Derating in Form eines Diagramms oder einer Formel an. RECOM stellt die Derating-Kurven sowohl temperaturabhängig als auch auf Basis der Eingangsspannung zur Verfügung – und zwar ergänzt um ein prozentuales Derating mit zunehmender Einsatzhöhe. Hinzu kommen dann bei Bedarf noch absolute Belastungsgrenzen.
Bei den Derating-Kurven in Abhängigkeit von der Temperatur wird die Umgebungstemperatur auf der X-Achse und die Ausgangsleistung auf der Y-Achse dargestellt. Ein Derating ist erforderlich, wenn die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur reduziert werden muss, um eine Überhitzung der Stromversorgung zu verhindern. Tabelle 1 zeigt die Auswirkungen des Deratings bei unterschiedlichen Lasten und Temperaturen auf die erwartete Lebensdauer der Stromversorgung.
| Umgebungstemperatur | 50% Last | 75% Last | 100% Last | |
|---|---|---|---|---|
| +20°C | 1044 x 10³h | 923 x 10³h | 392 x 10³h | |
| +30°C | 522 x 10³h | 462 x 10³h | 196 x 10³h | |
| +40°C | 261 x 10³h | 231 x 10³h | 98 x 10³h | |
Tabelle 1: Auswirkung des Deratings auf die Zuverlässigkeit über die Lebensdauer der Stromversorgung
Das Missverständnis bezüglich der integrierten Sicherheitsreserve
Die Spezifikationen von Netzteilen sehen in der Regel eine gewisse Sicherheitsreserve vor, um höhere Einschaltströme bei höheren Lasten oder Eingangsspannungsspitzen und transiente Spannungen zu berücksichtigen. Allerdings sollten die absoluten Maximalwerte (abs. max.) bei der Auswahl eines Netzteils nicht für den Normalbetrieb herangezogen werden. Diese Sicherheitsreserve ist ein Maß für die Robustheit des Designs und dessen Fähigkeit, kurzzeitige abnormale Ausreißer zu überstehen. Diese Maximalwerte stellen keine über einen längeren Zeitraum hinweg nutzbaren Leistungsdaten dar.
Suche und Interpretation von Derating-Kurven
RECOM führt die Derating-Kurven für seine Netzteile zum Einsatz in der industriellen Automatisierungstechnik am Ende der Produktdatenblätter auf. Andere Hersteller verweisen möglicherweise in Application Notes oder in separaten Referenzunterlagen darauf.
Abbildung 2 zeigt verschiedene Derating-Kurven für unterschiedliche Eingangsspannungen eines Schaltreglers der Serie R-78K mit breitem Eingangsspannungsbereich. Da Schaltregler mit steigender Eingangsspannung ineffizienter arbeiten, stoßen die Bauelemente schneller an ihre Belastungsgrenzen. Dadurch setzt das Derating früher ein als bei niedrigeren Eingangsspannungen.
In diesem Fall führt das Zusammenspiel von 5V Eingangs- und 2,5V Ausgangsspannung zu einer geringen Verlustleistung, sodass der Wandler kaum thermisch belastet wird und bis zu einer Umgebungstemperatur von 85°C die volle Leistung bereitstellen kann. Wenn die gleiche Last mit einer Eingangsspannung von 36V zur Verfügung gestellt wird, muss das Derating jedoch bereits bei 65°C einsetzen.
RECOM veröffentlicht Zuverlässigkeitsdaten in seinen Produktdatenblättern. Das Datenblatt zum Schaltregler der Serie R-78K-1.0 (siehe Bild 2) gibt eine MTBF gemäß MIL-HDBK-217F an, die 5139 × 10³ Stunden bei +25°C beträgt (die Varianten R-78K2.5-1.0 bis R-78K15-1.0 reichen von 4990 × 10³ bis 4546 × 10³ Stunden).
Abbildung 2 zeigt verschiedene Derating-Kurven für unterschiedliche Eingangsspannungen eines Schaltreglers der Serie R-78K mit breitem Eingangsspannungsbereich. Da Schaltregler mit steigender Eingangsspannung ineffizienter arbeiten, stoßen die Bauelemente schneller an ihre Belastungsgrenzen. Dadurch setzt das Derating früher ein als bei niedrigeren Eingangsspannungen.
In diesem Fall führt das Zusammenspiel von 5V Eingangs- und 2,5V Ausgangsspannung zu einer geringen Verlustleistung, sodass der Wandler kaum thermisch belastet wird und bis zu einer Umgebungstemperatur von 85°C die volle Leistung bereitstellen kann. Wenn die gleiche Last mit einer Eingangsspannung von 36V zur Verfügung gestellt wird, muss das Derating jedoch bereits bei 65°C einsetzen.
RECOM veröffentlicht Zuverlässigkeitsdaten in seinen Produktdatenblättern. Das Datenblatt zum Schaltregler der Serie R-78K-1.0 (siehe Bild 2) gibt eine MTBF gemäß MIL-HDBK-217F an, die 5139 × 10³ Stunden bei +25°C beträgt (die Varianten R-78K2.5-1.0 bis R-78K15-1.0 reichen von 4990 × 10³ bis 4546 × 10³ Stunden).
Multi-Faktor-Derating bei Stromversorgungen
Die interne Wärmeableitung ist im Rahmen des Deratings zwar ein wesentlicher Faktor, aber es ist nicht der einzige. Auch die Betriebshöhe spielt eine Rolle, da die Kühlleistung in dünnerer Luft geringer ist. Der Einsatz in größeren Höhenlagen verringert in Kombination mit einer höheren Eingangsspannung die thermische Reserve zusätzlich und führt zu einer steileren Derating-Kurve.
Wesentliche Faktoren für das Derating auf Grund von Umgebungsbedingungen oder elektrischen Bedingungen
- Umgebungstemperatur
- Seehöhe des Einsatzortes
- Eingangsspannung (Pegel und AC oder DC)
- Art der Last (kapazitiv, induktiv oder dynamisch im Vergleich zu rein ohmschen Lasten)
- Belüftung
Das Derating auf Grund der Seehöhe wird in Form von Diagrammen oder Textangaben angegeben. So gibt RECOM beispielsweise im Abschnitt „Umgebungsbedingungen“ des Datenblatts für den Schaltregler der Serie R-78K-1.0 eine maximale Betriebshöhe von 5.000 Metern an. Das Dokument legt ferner fest, dass das Derating ab einer Höhe von 2.000 Metern einsetzt. Zwischen 2.000 Metern und 5.000 Metern beträgt das maximale Derating der Versorgungsleistung 5% pro 1.000 Meter Höhenunterschied. Das höhenbedingte Derating kommt zusätzlich zum thermischen Derating hinzu.
Derating und Spitzenleistung
Lasten mit hohen kapazitiven Anteilen, wie beispielsweise Motortreiber oder Schaltungen zum Laden von Batterien, erfordern beim Einschalten hohe Einschaltstromspitzen. Diese Spitzen können für einige Millisekunden oder Dutzende von Millisekunden das 10- bis 50-Fache des Stroms im eingeschwungenen Zustand betragen. Die Stromversorgung muss in der Lage sein, diese Einschaltströme zu bewältigen, ohne dass der Überstromschutz anspricht; dennoch muss die Stromversorgung aber immer noch auf Kurzschlussereignisse reagieren können.
Die in Bild 3 abgebildete Grafik zeigt die Überstromfestigkeit einer Stromversorgung für die Montage auf der DIN-Schiene aus der Baureihe (RACPRO1-T480-Serie). Eine Last von 100% kann dauerhaft bewältigt werden. Bis zu 150% des Nennstroms sind zulässig, solange diese Ereignisse nicht länger als 7,5 Sekunden andauern und nicht öfter als einmal alle 60 Sekunden auftreten. Bei einem Kurzschluss am Ausgang liefert das Netzteil für 20ms bis zu 250% des Nennstroms, um etwaige Sicherungen am Ausgang sicher auszulösen.
Die in Bild 3 abgebildete Grafik zeigt die Überstromfestigkeit einer Stromversorgung für die Montage auf der DIN-Schiene aus der Baureihe (RACPRO1-T480-Serie). Eine Last von 100% kann dauerhaft bewältigt werden. Bis zu 150% des Nennstroms sind zulässig, solange diese Ereignisse nicht länger als 7,5 Sekunden andauern und nicht öfter als einmal alle 60 Sekunden auftreten. Bei einem Kurzschluss am Ausgang liefert das Netzteil für 20ms bis zu 250% des Nennstroms, um etwaige Sicherungen am Ausgang sicher auszulösen.
Belüftung und Kühlkörper
Die meisten Stromversorgungen im industriellen Einsatz werden in einem geschlossenen Schaltschrank betrieben. Damit arbeiten sie in einer Umgebung, die mit oder ohne Zwangsbelüftung ausgestattet sein kann. Zwangsbelüftung erhöht das Risiko der Staubansammlung und sorgt für weniger Wärmeabfuhr, als man vielleicht annehmen würde.
Bild 4 zeigt eine repräsentative Derating-Kurve und die Auswirkungen des kühlenden Luftstroms. Ohne Luftstrom muss das Derating bei etwa 67°C beginnen. Eine aktive Kühlung mit 100 linearen Fuß pro Minute (LFM) erhöht den Beginn des Deratings auf etwa 85°C. Ein zusätzlicher Luftstrom bringt nur begrenzte Vorteile: Bei 500 LFM verschiebt sich der Derating-Startpunkt auf etwa 95°C.
Praktische Grenzen des Deratings
Das Derating hat seine Grenzen. Unabhängig von der Stärke des Deratings lässt sich oberhalb einer bestimmten Temperatur ein sicherer Betrieb nicht mehr gewährleisten. Der Wirkungsgrad von Stromversorgungen wird typischerweise geringer, wenn die Last gegen Null geht. Dieser Faktor führt in Kombination mit dem von der Umgebungstemperatur abhängigen Risiko zu einem Punkt, an dem die Leistungsreduzierung bei hohen Temperaturen und in großen Höhen nur noch begrenzt oder gar nicht mehr wirksam ist.
Was ist der Unterschied zwischen dem Derating in AC/DC- und dem Derating in DC/DC-Stromversorgungen?
Der Hauptunterschied besteht darin, dass beim Derating von AC/DC-Netzteilen die zusätzlichen thermischen und elektrischen Belastungen durch die Frontend-Gleichrichtung, die Korrektur des Leistungsfaktors (PFC) und größere Schwankungen der Eingangsspannung berücksichtigt werden müssen, während sich das Derating bei DC/DC-Stromversorgungen hauptsächlich auf das lokale Wärmemanagement und die Betriebshöhe konzentriert.
Für AC/DC-Wandler gelten dieselben grundlegenden Überlegungen wie für DC/DC-Wandler. Induktive Wechselstromlasten bergen jedoch das besondere Risiko eines nacheilenden Leistungsfaktors (Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung) bei hoher Belastung sowie einer Gegen-EMK beim Abschalten der Last. Beides kann dazu führen, dass eine Stromversorgung jenseits ihrer Betriebsgrenzen gerät. Das Design der AC/DC-Netzteile von RECOM trägt diesen für Wechselstromlasten typischen Herausforderungen Rechnung, indem es eine hohe Einschaltstromfestigkeit und eine hohe Festigkeit gegenüber Rückflusspannungen bietet.
Für AC/DC-Wandler gelten dieselben grundlegenden Überlegungen wie für DC/DC-Wandler. Induktive Wechselstromlasten bergen jedoch das besondere Risiko eines nacheilenden Leistungsfaktors (Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung) bei hoher Belastung sowie einer Gegen-EMK beim Abschalten der Last. Beides kann dazu führen, dass eine Stromversorgung jenseits ihrer Betriebsgrenzen gerät. Das Design der AC/DC-Netzteile von RECOM trägt diesen für Wechselstromlasten typischen Herausforderungen Rechnung, indem es eine hohe Einschaltstromfestigkeit und eine hohe Festigkeit gegenüber Rückflusspannungen bietet.
Zusammenfassung und weitere Ressourcen
Das Derating von Stromversorgungen ist ein wichtiger Aspekt beim Aufbau industrieller Automatisierungssysteme. Das Derating stellt sicher, dass Ihre Stromversorgungen über den gesamten Lebenszyklus der Anlage hinweg zuverlässig ausreichend Leistung liefern können. Sie verhindert, dass extreme Umgebungs- und Betriebsbedingungen die Lebensdauer der Stromversorgung erheblich verringern, und reduziert das Risiko von Unterbrechungen der Stromversorgung aufgrund vorzeitiger Ausfälle. Derating-Kurven und -formeln liefern die notwendigen Informationen, die für die richtige Auswahl von Stromversorgungen und Komponenten erforderlich sind.
Die Ressourcen-Bibliothek von RECOM enthält eine umfangreiche Sammlung technischer Informationen zum Einsatz und zur Auslegung von Stromversorgungen. Die RECOM-Buchreihe AC/DC, DC/DC and EMC Book of Knowledge bietet eine umfassende Einführung in das Thema Stromversorgungen und Stromwandler.
Die Ressourcen-Bibliothek von RECOM enthält eine umfangreiche Sammlung technischer Informationen zum Einsatz und zur Auslegung von Stromversorgungen. Die RECOM-Buchreihe AC/DC, DC/DC and EMC Book of Knowledge bietet eine umfassende Einführung in das Thema Stromversorgungen und Stromwandler.
Anwendungen
| Serie | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
|
R-78K-1.0
Fokus
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| 2 |
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RACPRO1-S120
Fokus
Neu
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| 3 |
|
RACPRO1-T480
Fokus
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| 4 |
|
RP15-A
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