Das Geräusch eines Beatmungsgeräts kann problematisch sein. Bei Geräten für Labore oder Kontrollräume, in denen der Bediener in unmittelbarer Nähe arbeitet, sollte der Geräuschpegel so gering wie möglich gehalten werden. Auch medizinische Geräte, die über längere Zeiträume in Patientennähe eingesetzt werden, wie Vitalparameter-Monitore oder Infusionspumpen, müssen möglichst leise sein.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei Lüftern ist ihre Zuverlässigkeit. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer können sie während des Betriebs ausfallen, was zu einer Überhitzung des Netzteils führen oder häufigere Wartung bzw. einen vorzeitigen Austausch erforderlich machen kann.
Für Systeme mit hoher Schutzart (IP-Schutzart) sind Lüfter ungeeignet, da nur eine minimale Belüftung zulässig ist, um das Eindringen schädlicher Flüssigkeiten und Feststoffe zu verhindern.
Beispielsweise benötigen Geräte in der Lebensmittelverarbeitung eine hohe IP-Schutzart, da dort Flüssigkeiten und Feststoffe vorhanden sind. Bei niedrigeren IP-Schutzarten kann es ausreichend sein, Staub und andere Partikel von Industrieanlagen zu entfernen, sodass der Einsatz eines Lüfters toleriert wird. Luftfilter sind jedoch häufig notwendig. Diese Filter erfordern regelmäßige Wartung zur Reinigung oder zum Austausch, was nicht optimal ist.
Konvektionsbelüftung:
Wenn Ihre Anwendung den Einsatz eines Lüfters einschränkt, benötigen Sie entweder Konvektions- oder Konduktionsbelüftung.
Bei der Konduktionskühlung wird das Netzteil an einem großen Kühlkörper befestigt, um die Wärme vom Gerät abzuleiten. Dies eignet sich besonders für Hochleistungsanwendungen mit hoher Wärmeentwicklung, kann aber komplex und kostspielig sein.
Dieser Artikel befasst sich mit Konvektionskühlung als einfacherem Verfahren für Geräte mit geringerer Leistungsaufnahme.
Konvektionskühlung, auch als natürliche Kühlung bekannt, bedeutet, dass ausreichend freie Luft um das Netzteil vorhanden ist, sodass die benötigte Wärme abgeführt werden kann, ohne die Umgebungstemperatur wesentlich zu erhöhen. Natürliche Konvektionsströme im Inneren des Geräts kühlen das Netzteil. Daher ergibt sich bei gleichem Wirkungsgrad ein deutlicher Unterschied in der Leistungsdichte zwischen Netzteilen mit Lüfterkühlung und solchen mit Konvektionskühlung. Ein typisches 3 x 5 Zoll großes, konvektionsgekühltes Netzteil hat eine Leistung von etwa 150 W, während ein Netzteil mit Zwangskühlung 350 W benötigt.
Um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines konvektionsgekühlten Netzteils zu gewährleisten, ist es wichtig, dessen potenzielle Betriebsgrenzen zu kennen.
Die Effizienz
ist bei Konvektionskühlung noch wichtiger als bei Zwangskühlung, da die gesamte Wärme im Gerät verbleibt. Eine zusätzliche Luftzufuhr, die einige Watt mehr Wärme abführt, ist weniger relevant. Jeder Prozentpunkt Effizienzsteigerung bedeutet weniger Wärmeabgabe, und die Technologie verbessert die erreichbaren Wirkungsgrade kontinuierlich (Abbildung 1).
Bei der Auswahl eines konvektionsgekühlten Netzteils für Ihr System sollten Sie das effizienteste Modell innerhalb Ihres Budgets wählen. Wenn Ihre Anwendung beispielsweise höchste Effizienz erfordert, erreicht das XP Power CCB200 einen Wirkungsgrad von 94 %. Dieses 200-W-Netzteil verbraucht in seinem 3 x 5 Zoll großen Gehäuse nur 12 W. (Abbildung 2). Für kostensensible Anwendungen bietet sich das GCS180 an, das 150 W ohne Zwangskühlung liefert und einen Wirkungsgrad von 92 % aufweist.
Es empfiehlt sich, die Herstellerangaben in der Dokumentation auf ihren tatsächlichen Wirkungsgrad zu überprüfen; andernfalls liegt das Problem wahrscheinlich in der Kühlung.
Verschiedene Faktoren können den in der Dokumentation angegebenen Wirkungsgrad beeinflussen. Dieser Wert stellt in der Regel einen optimalen Fall dar und entspricht daher nicht der zu erwartenden Leistung über den gesamten Spezifikationsbereich des Netzteils.
Beispielsweise beeinflusst die Eingangsspannung den Wirkungsgrad in realen Anwendungen. Viele AC/DC-Hersteller geben eine universelle Eingangsspannung an. In den USA, wo die Eingangsspannung jedoch etwa halb so hoch ist wie in Europa (230 V), muss der Eingangsstrom verdoppelt werden, um die gleiche Leistung zu erzeugen. Der Betrieb mit hohen Strömen führt zu höheren Verlusten in verschiedenen Netzteilkomponenten, was den Wirkungsgrad mindert. Betrachtet man nur die ohmschen Verluste, so ergibt sich der Leistungsverlust zu I²R. Eine Verdopplung des Eingangsstroms (beim Umschalten von einer hohen auf eine niedrige Eingangsspannung) vervierfacht also den Leistungsverlust. Der Wechsel von der US-amerikanischen Netzspannung (115 V AC) zur Netzspannung eines Landes wie Japan (90 V AC) erhöht den Eingangsstrom um weitere 28 % und verursacht dadurch zusätzliche Verluste von 65 %.
Viele Dokumentationen geben Wirkungsgradangaben nur für hohe Eingangsspannungen an.
Konvektionswerte:
Als Nächstes sollten Sie in der Dokumentation die Kennwerte des Netzteils überprüfen. Es mag Sie überraschen, dass es keine branchenweit einheitliche Vorgehensweise für die Bereitstellung dieser Informationen gibt – die Praktiken variieren stark.
Netzteile werden zwar in Klimakammern getestet, doch in einigen dieser Kammern werden Lüfter zur Temperaturhaltung eingesetzt, wodurch unbeabsichtigt ein Luftstrom um das Netzteil entsteht. Dies muss unbedingt vermieden werden, wenn die Konvektionsbedingungen genau gemessen werden sollen, da selbst geringe Luftmengen einen Einfluss haben können. Bei XP platzieren wir unsere Netzteile in der Kammer, jedoch in einem Gehäuse, und halten die Umgebungstemperatur anhand der Temperatur im Gehäuse konstant, um ein präzises Bild der Netzteilleistung zu erhalten.
Dies gewährleistet Konsistenz zwischen den Entwicklungsteams und Reproduzierbarkeit, was bei thermischen Tests ebenfalls eine Herausforderung darstellt. Informationen darüber, wie das Produkt getestet wird, sind in der Originaldokumentation nicht enthalten, beeinflussen aber die angegebenen Werte.
Um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, sei es für die Industrie, die Medizin oder die IT-Branche, gelten maximale Temperaturwerte für bestimmte Komponenten (z. B. Transformatoren), die eingehalten werden müssen. Es ist wichtig zu beachten, dass Sicherheitstemperaturen die maximal zulässigen Werte darstellen und keine Empfehlung für den Normalbetrieb sind.
Muss das Netzteil dauerhaft bei der Sicherheitstemperatur betrieben werden, selbst wenn es UL-zertifiziert ist, wird die Lebensdauer der Komponenten beeinträchtigt. Um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, muss das System so kühl wie möglich laufen.
Tipps und Tricks:
Bei der Konstruktion mit Konvektionskühlung ist zu beachten, dass das Netzteil für die horizontale oder vertikale Montage ausgelegt ist. Es darf niemals kopfüber montiert werden, da die vom Netzteil erzeugte Wärme nach oben steigt.
Außerdem ist es nicht ratsam, die Platine über heißen Bauteilen zu platzieren. Vergessen Sie nicht, auch die Wärmeentwicklung anderer Systemkomponenten zu berücksichtigen. Verwenden Sie eine große CPU? Ein Display? Pumpen oder Motoren? Diese Komponenten erzeugen Wärme und müssen gekühlt werden, was wiederum die Systemwärme erhöht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Konvektionskühlung zwar weniger Wärme erzeugt als Zwangslüftung, in manchen Anwendungsfällen aber der Verzicht auf einen Lüfter unerlässlich ist. Da die Restwärme im Gerät verbleibt, ist es ratsam, eine Wärmequelle mit möglichst hohem Wirkungsgrad zu wählen und die Herstellerangaben sorgfältig zu prüfen, um sicherzustellen, dass sie den Anforderungen Ihres Geräts entspricht.
