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Erfüllt Ihre Stromversorgung die Anforderungen an die Eigensicherheit? Mark Patrick

 

Stromversorgungen für eigensichere Anwendungen

Angesichts der rasanten Einführung von Industrie 4.0 und dem „industriellen Internet der Dinge“ (Industrial Internet of Things, IIoT) sowie den Plänen für den Nachfolger Industrie 5.0 verliert man schnell aus den Augen, ob die einschlägigen Sicherheitsstandards in Bezug auf die Betriebsbedingungen eingehalten werden. Immer mehr auf elektronische Sensoren, Module und Steuergeräte werden in industriellen und kommerziellen Umgebungen eingesetzt, in denen gefährliche Flüssigkeiten und explosive Gase vorhanden sein können. Für die Betriebsumgebungen mit diesen potenziellen Gefahren gelten die Eigensicherheitsnormen. Bei elektronischen Schaltungen gehen die Risiken insbesondere von allen Geräten aus, die übermäßige Hitze erzeugen, in denen Spannungsbögen auftreten können oder bei denen der Ausfall von Komponenten eine Explosion verursachen kann. Leider können alle diese Risiken bei einer Stromversorgung auftreten. Daher müssen sich die Entwicklungsingenieure beim Design von Stromversorgungen der potenziellen Risiken voll bewusst sein und die einschlägigen Eigensicherheitsnormen umfassend berücksichtigen.

Die ATEX-Richtlinie nennt sichere Methoden zur Vermeidung von Zündgefahren, die in einer gefährlichen Umgebung auftreten können, wobei Gas, Dampf oder Nebel in drei verschiedene sogenannte Ex-Zonen eingeteilt werden. Bei einer DC/DC-Stromversorgung gehören beispielsweise Lichtbogenbildung oder dielektrischer Durchschlag sowie hohe Oberflächentemperaturen zu den wahrscheinlichen Zündquellen. Gemäß der ATEX-Richtlinie beträgt die maximal zulässige Temperatur im Falle eines intelligenten Gaszählers und abhängig von der IC-Gehäusegröße entweder 244°C oder 275°C. Der konstruktive Aufbau eines Schaltwandler-ICs kann so angepasst werden, dass die Luft- und Kriechstrecken vergrößert werden, um die Auswirkungen der elektrischen Belastung zu verringern. Die Minimierung der Oberflächentemperaturen verlangt jedoch einen aufwändigeren Ansatz. Texas Instruments hat mit dem TPS62840 Schaltspannungsregler-Design eine innovative Lösung für diese Herausforderung entwickelt. Der Regler verfügt über eine Kupferplatte, die mit dem thermischen Gehäusesubstrat des ICs verbunden ist und in der Lage ist, die gesamte vom IC-Gehäuse erzeugte Wärme abzuleiten, so dass die maximale Temperatur nie überschritten wird.

Abbildung 1: Ein Querschnitt der TI PowerPAD-Technik zur Erzielung einer höheren Wärmeableitung (Quelle: Texas Instruments)

Das TI-PowerPAD (siehe Abbildung 1) besteht aus einem wärmeleitenden Epoxidharzmaterial, das auf das Leadframe-Substrat des Chips aufgebracht ist. Das Gesamtgehäuse ist so geformt, dass das Leadframe-Chip-Pad freiliegt, so dass ein sehr geringer thermischer Widerstand gegenüber dem wärmeleitenden PowerPAD erreicht wird. Die Unterseite des PowerPAD wird während des Reflow-Prozesses mit der Leiterplatte verlötet. Je nach erforderlicher Wärmeableitung kann die Leiterplatte mit internen Kupferflächen konstruiert werden, die mit dem PowerPAD verbunden sind, um eine effektive Kühlkörperstruktur zu erreichen. Durch die Verwendung eines thermisch verbesserten Gehäuses wird die Wärmemenge, die von einem IC-Gehäuse abgeleitet werden kann, deutlich erhöht. Ein typisches SSOP-Gehäuse kann beispielsweise in der Regel bis zu 0,75 W ableiten, mit dem PowerPAD-Ansatz können jedoch bis zu 3,25 W erreicht werden.



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Als Technical Marketing Manager für die EMEA-Region bei Mouser Electronics ist Mark Patrick für die Erstellung und Verbreitung von technischen Inhalten innerhalb der Region verantwortlich – Inhalte, die für Mousers Strategie zur Unterstützung, Information und Inspiration seines technisch versierten Publikums von zentraler Bedeutung sind.

Bevor er das Technical-Marketing-Team leitete, war Patrick Mitglied des EMEA-Supplier-Marketing-Teams und spielte eine wichtige Rolle beim Aufbau und der Entwicklung von Beziehungen zu wichtigen Herstellern.

Zusätzlich zu einer Vielzahl von technischen und Marketing-Positionen war Patrick acht Jahre lang bei Texas Instruments in den Bereichen Anwendungsunterstützung und technischer Vertrieb tätig.

Als praxisorientierter Ingenieur mit einer Leidenschaft für Vintage-Synthesizer und Motorräder schraubt und repariert er gerne an beidem herum. Patrick hat einen First Class Honours Degree in Electronics Engineering von der Coventry University.


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