Das Wärmemanagement hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Netzteilen und Systemkomponenten.
Es ist bekannt, dass die Temperatur in geschlossenen Räumen oder Gehäusen steigt, wenn Wärme abgeleitet wird. Mit steigender Umgebungstemperatur erwärmen sich sowohl das Netzteil als auch die angeschlossenen Geräte weiter und überschreiten möglicherweise ihre maximale Betriebstemperatur.
Dies sollte unbedingt vermieden werden, da Wärme die Hauptursache für Unzuverlässigkeit und/oder verkürzte Lebensdauer von Netzteilen in elektronischen Systemen ist. Die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren hängt nämlich eng mit einer niedrigen Betriebstemperatur des Gehäuses zusammen. Hier kommen gekühlte Netzteile ins Spiel.
So funktionieren gekühlte Netzteile:
Manche Netzteile sind so konstruiert, dass sie durch einen Systemlüfter zwangsgekühlt werden, der überschüssige Wärme aus dem Gehäuse abführt. In diesen Fällen ist der für eine optimale Kühlung erforderliche Luftstrom im Datenblatt des Netzteils angegeben. Wichtig ist, dass dies der am Aufstellungsort des Netzteils benötigte Luftstrom ist; ein Lüfter, selbst in geringer Entfernung, reicht nicht aus.
Da Luft immer dem Weg des geringsten Widerstands folgt, erreicht nur ein Teil der vom Lüfter erzeugten Luft das Netzteil, wo sie benötigt wird. Interne Luftleitbleche (Baffles) lenken den Luftstrom und helfen, die Luft auf den erforderlichen Weg zu den Komponenten zu leiten und diese zu kühlen.
Wie berechnet man den Luftstrom?
Ob das Gerät bei niedrigerer Temperatur betrieben werden muss oder das Netzteil mittels eines externen Lüfters gekühlt werden muss, der Luftstrom sollte nach folgenden Schritten berechnet werden:
Festlegung der maximalen Betriebstemperatur:
Zunächst muss die maximale Betriebstemperatur ermittelt werden, bei der das Netzteil oder die elektronischen Bauteile sicher betrieben werden können. Für das Netzteil selbst liegt diese typischerweise bei 50 °C und hängt in der Regel mit Sicherheitszertifizierungen oder der Notwendigkeit eines niedrigeren Wertes zur Verlängerung der Bauteillebensdauer zusammen. Als Faustregel gilt: Eine Reduzierung der Gehäusetemperatur eines Elektrolytkondensators um 10 °C verdoppelt die Lebensdauer des Netzteils.
Anschließend muss die höchste Umgebungstemperatur im Gehäuse des Netzteils berücksichtigt werden. Die Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen ergibt den maximal zulässigen Temperaturanstieg. Angenommen, das Netzteil kann bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C betrieben werden. Wenn das Netzteilgehäuse für den Betrieb in einer nicht klimatisierten Umgebung ausgelegt ist – in der die maximale Temperatur 40 °C erreichen kann – beträgt der maximal zulässige Temperaturanstieg 10 °C.
Bestimmung der Verlustleistung:
Im nächsten Schritt wird die zu erwartende Verlustleistung ermittelt. Die gesamte Verlustleistung im Gehäuse entspricht der Summe der von der Last aufgenommenen Leistung und der vom Netzteil als Abwärme abgegebenen Leistung. Beispiel: Bei einer typischen Leistungsaufnahme der Elektronik von 260 W und einem Wirkungsgrad des Netzteils von 80 % ergibt sich eine gesamte Verlustwärme von 260 W / 0,8 = 325 W. Daraus lässt sich das erforderliche Luftvolumen berechnen.
Es gibt eine einfache, universelle Formel zur Berechnung des benötigten Luftvolumenstroms, um bei gegebener Wärmemenge eine bestimmte Temperaturerhöhung aufrechtzuerhalten.
Diese Formel verwendet eine Konstante von 2,6. Sie lautet: Luftvolumenstrom (in m³/h) = 2,6 * Gesamtleistungsaufnahme (in W) / zulässige Temperaturerhöhung (in °C). In unserem Beispiel beträgt der benötigte Luftvolumenstrom 2,6 * 325 W / 10 °C = 84,5 m³/h.
Wie man den Luftstrom steuert:
Leider ist die Lösung nicht so einfach wie die Berechnung des benötigten Luftstroms. Mithilfe der obigen Berechnungen sollten Sie zwar eine geeignete Lüfterleistung für den Luftstrom auswählen können, doch in der Realität weist ein Gehäuse einen natürlichen Luftwiderstand auf, der auch als Druckverlust bezeichnet wird.
Druckverlust:
Der Druckverlust reduziert den freien Luftstrom des Lüfters, also das Luftvolumen, das innerhalb eines bestimmten Zeitraums durch das Gerät ausgestoßen wird. Der Druckverlust variiert je nach Anwendung und hängt von der Größe und Position der Leiterplatte, der Größe der Ein- und Auslassgitter sowie dem Querschnitt des durchströmten Luftstroms ab.
Die Sache wird dadurch etwas komplexer, dass der Druckverlust auch von der Luftgeschwindigkeit im Gehäuse abhängt. Umgekehrt wird der Druckverlust von der Luftgeschwindigkeit beeinflusst. Eine höhere Luftgeschwindigkeit führt zu einem größeren Druckverlust, der jedoch die Luftgeschwindigkeit verringert. Ohne sorgfältige Lüfterauswahl kann der Lüfter ineffektiv sein. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich Druckverlust und Luftgeschwindigkeit in einer Anwendung auf einem Niveau einpendeln, das unterhalb des für die Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse erforderlichen Wertes liegt.
Die Bestimmung des tatsächlichen Druckverlusts für jede Anwendung wäre zu komplex, da dies ein detailliertes Verständnis der Strömungslehre voraussetzt. Wir können ihn jedoch mithilfe der in Abbildung 1 dargestellten Kennlinie des Geräts annähern. Dies liefert uns einen ersten Ausgangspunkt für eine detailliertere Bewertung.
Abbildung 1 – Kennlinie des Bauelements
Unter Berücksichtigung des zuvor berechneten Luftstroms zeigt die Kurve einen Druckabfall von 11 Pa an. Daher benötigen wir einen Ventilator, der einen Luftstrom von 84,5 m³/h bei einem Druckabfall von 11 Pa liefert.
Jeder Ventilatorhersteller veröffentlicht für jeden Ventilator ein Diagramm, das den Luftstrom bei verschiedenen Druckabfällen darstellt. Abbildung 2 unten zeigt die Kurven für fünf Ventilatoren. Der helle Kegel markiert den optimalen Betriebsbereich für jeden Ventilator. In unserem Beispiel wäre Ventilator Nummer fünf erforderlich, um den benötigten Luftstrom von 84,5 m³/h bei einem Druckabfall von 11 Pa zu gewährleisten.
Abbildung 2 – Lüftervolumenstrom bei unterschiedlichen Luftdrücken
Wie man die Lebensdauer von Netzteilen optimiert:
Der Netzteilentwickler berücksichtigt all diese Faktoren, bevor Hersteller Regeln zur Reduzierung der Leistungsaufnahme anwenden, um eine ausreichende Produktlebensdauer zu gewährleisten. Diese Regeln berücksichtigen jedoch nicht das Einsatzprofil, die Umgebungsbedingungen, die Montageausrichtung, die Positionierung, den verfügbaren Platz, die Last und die im Endgerät installierten Kühl-/Belüftungssysteme. Die Lebensdauer von Kondensatoren, insbesondere bei Konvektions- oder natürlicher Kühlung, sollte je nach Installation neu bewertet werden.
Wie können Benutzer die Lebensdauer von Netzteilen verwalten?
Gehäusetemperaturen:
Die Messung der angelegten Restwelligkeitsströme (des Wechselstromanteils des Stromsignals) ist offensichtlich nicht praktikabel. Da jedoch sowohl die Gesamtkonstruktion des Geräts als auch die Auslegung des Netzteils die effektive Betriebstemperatur der Komponente bestimmen, lässt sich die Lebensdauer jedes Kondensators gut abschätzen, indem man seine Gehäusetemperatur misst und die Arrhenius-Gleichung sowie das Betriebsprofil auf die vom Komponentenhersteller angegebene Basislebensdauer anwendet.
Lebensdauer:
Viele Datenblätter von Netzteilen, wie beispielsweise die der XP GCS-Serie, benennen die Schlüsselkomponenten, die die Lebensdauer des Produkts bestimmen. Dies gilt insbesondere für Netzteile, die eine externe Kühlung durch das Endgerät benötigen, sowie für solche, die für konvektionsgekühlte Anwendungen ausgelegt sind.
Die Berücksichtigung dieser Faktoren hilft dem Systementwickler, die Lebensdauer des Netzteils in der jeweiligen Anwendung zu ermitteln. Die untenstehende mechanische Zeichnung zeigt die Komponenten, und die Kurven geben die zu erwartende Lebensdauer des Netzteils basierend auf der Temperatur zweier Kondensatoren (C6 und C23) an.
Sobald der erforderliche Druckabfall und Luftstrom ermittelt sind, sind einige weitere Aspekte zu berücksichtigen. Wie bereits erwähnt, kann der Lüfter bei der allgemeinen Gerätekühlung an beliebiger Stelle positioniert werden, solange Luft durch die wärmeerzeugenden Komponenten strömt.
Zwangskühlung:
Bei Netzteilen mit Zwangskühlung ist die Luftmenge, die darüber strömt, entscheidend für einen ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb. Kann der Lüfter nicht direkt neben dem Netzteil platziert werden oder lässt sich der gesamte Luftstrom nicht darüber lenken, muss er eine deutlich höhere Leistung aufweisen.
Manche Lüfter werden mit einer Luftgeschwindigkeit in Metern pro Minute (LFM) angegeben, andere mit einem Volumenstrom in Kubikfuß pro Minute (CFM) oder Kubikmetern pro Stunde (m³/h). Um zwischen diesen Einheiten umzurechnen, muss die Querschnittsfläche des Lüftersystems bekannt sein; dies ist die einzige zuverlässige Methode. Bei einem Netzteil mit Zwangskühlung kann der erforderliche Luftstrom entweder als Geschwindigkeit (z. B. LFM) oder als Volumenstrom (z. B. CFM) angegeben werden.
Staubfilter:
Geräte mit Ventilatoren verfügen üblicherweise über Filter, die das Eindringen von Staub verhindern. Diese Filter erhöhen den Luftwiderstand und tragen somit zum Druckverlust bei. Daher muss ihre Funktion berücksichtigt werden. Noch wichtiger ist, dass sich der Druckverlust bei zunehmender Verschmutzung des Filters deutlich erhöhen kann und ein Ventilator, der anfangs gut funktioniert, nach längerem Betrieb ineffizient werden kann. Aus diesem Grund sollten Staubfilter regelmäßig gereinigt oder ausgetauscht werden.
Wie man Geräusche minimiert:
Der Einbau eines Lüfters in ein Gerät verursacht hörbare Geräusche. In manchen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise Krankenhäusern oder Tonstudios, ist jeglicher Lärm unerwünscht. Selbst in lauten Umgebungen ist die Minimierung solcher Störungen in der Regel wünschenswert. Dies lässt sich durch verschiedene Methoden erreichen.
Lüfterlager:
Eine Möglichkeit zur Geräuschreduzierung ist die Verwendung eines Lüfters mit einem hochwertigeren Lager. Lüfter mit Kugellagern, bei denen ein Kugelring um die Welle ungleichmäßigen Verschleiß und Rotorflattern ausgleicht, sind im Allgemeinen leiser als Lüfter mit Gleitlagern (die in einer hülsenförmigen Struktur eingeschlossen sind) und haben den Vorteil einer längeren Lebensdauer. Natürlich gibt es auch Lüfter mit ölgetränkten Gleitlagern, die diesem Effekt entgegenwirken können.
Drehzahl der Lüfterflügel
: Bei gleichem Luftvolumen ist ein größerer Lüfter in der Regel leiser als ein kleinerer, da er eine geringere Drehzahl benötigt. Auch die Geräusche, die durch die Lüfterflügel in der Nähe fester Bauteile wie Streben oder Schutzgitter entstehen, müssen berücksichtigt werden. Lässt sich das Schutzgitter auch nur geringfügig von den Lüfterflügeln entfernen, kann der Geräuschpegel reduziert werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Minimierung dieser Störungen ist die Reduzierung der Versorgungsspannung des Lüfters. Lüfter werden mit einem Betriebsspannungsbereich spezifiziert, und Lüfter mit Gleichstromanschluss drehen sich typischerweise mit einer Drehzahl, die von der tatsächlich anliegenden Gleichspannung abhängt. Je langsamer der Lüfter dreht, desto leiser ist er.
Wie Sie Daten zur Temperaturkontrolle nutzen:
Das Wärmemanagement moderner Netzteile gewinnt aufgrund höherer Leistungsdichten und kleinerer Kühlkörpervolumina zunehmend an Bedeutung. Daher enthalten Datenblätter heute wichtige Informationen für Systementwickler. Dies gewährleistet, dass Netzteile nicht mit zu hohen Temperaturen arbeiten, indem spezifische Maximaltemperaturen für ausgewählte Komponenten festgelegt werden.
Nachdem der Lüfter anhand dieser Methode ausgewählt wurde, sollte eine abschließende Überprüfung durch Messung der Komponententemperaturen in der endgültigen Konfiguration erfolgen. Sollte die Komponententemperatur den im Datenblatt angegebenen Wert überschreiten, müssen Luftstrom und -richtung überprüft werden.
Für weitere Informationen zur optimalen Netzteilkühlung kontaktieren Sie uns bitte.
Über den Autor: Andrew Bryars
Andrew Bryars schloss sein Studium der Elektrotechnik und Elektronik mit Auszeichnung ab und arbeitet seit 1990 in der Stromversorgungsbranche. Er ist seit über 25 Jahren bei XP und hatte verschiedene Positionen in den Bereichen Engineering, Vertrieb und Management inne, zuletzt als Senior Produktmanager.
