La gestion thermique a un impact considérable sur la durée de vie et la fiabilité des alimentations et des sous-ensembles du système.
Il est bien connu que la dissipation de chaleur dans un espace clos ou un boîtier entraîne une augmentation de la température ambiante. Avec l'élévation de la température ambiante, l'alimentation et la charge chauffent davantage, pouvant même dépasser leurs températures de fonctionnement maximales.
Il est crucial d'éviter cette situation, car la chaleur est la principale cause de défaillance et/ou de réduction de la durée de vie des alimentations au sein d'un système électronique. En effet, la durabilité des condensateurs électrolytiques est étroitement liée à une température de fonctionnement basse du boîtier. C'est là que les alimentations refroidies prennent tout leur sens.
Fonctionnement des alimentations refroidies :
Certaines alimentations sont conçues pour être refroidies par un ventilateur système, qui évacue l’excès de chaleur du boîtier. Dans ce cas, le débit d’air nécessaire à un refroidissement optimal est indiqué dans la fiche technique de l’alimentation. Il est important de noter qu’il s’agit du débit d’air requis à l’emplacement même de l’alimentation ; un ventilateur placé à proximité ne sera pas suffisant.
L’air empruntant toujours le chemin de moindre résistance, seule une partie de l’air brassé par le ventilateur atteindra l’alimentation. Des panneaux internes (déflecteurs) qui dirigent le flux d’air permettent de canaliser l’air le long du trajet requis pour refroidir les composants.
Comment calculer le débit d'air ?
Que l'équipement doive fonctionner à une température plus basse ou que l'alimentation électrique nécessite un refroidissement par ventilateur externe, le débit d'air doit être calculé en suivant les étapes suivantes :
Définition de la température maximale :
Il convient tout d’abord de déterminer la température maximale de fonctionnement à laquelle l’alimentation ou les composants électroniques peuvent fonctionner en toute sécurité. Pour l’alimentation elle-même, cette température est généralement de 50 °C et est souvent liée aux certifications de sécurité ou à la nécessité d’une valeur inférieure pour prolonger la durée de vie des composants. En règle générale, une réduction de 10 °C de la température du boîtier d’un condensateur électrolytique double la durée de vie de l’alimentation.
Ensuite, il faut tenir compte de la température ambiante la plus élevée dans l’armoire contenant l’alimentation. La différence entre ces deux températures correspond à l’élévation de température maximale admissible. Par exemple, supposons que l’alimentation puisse fonctionner à une température ambiante de 50 °C. Si le boîtier de l’alimentation est conçu pour fonctionner dans un environnement non climatisé (où la température maximale peut atteindre 40 °C), l’élévation de température totale admissible sera de 10 °C.
Détermination de la dissipation de puissance :
L’étape suivante consiste à déterminer la puissance dissipée. La puissance totale dissipée dans le boîtier correspond à la somme de la puissance consommée par la charge et de la puissance dissipée par l’alimentation sous forme de chaleur. Par exemple, si la charge consommée par l’électronique est généralement de 260 W et que l’alimentation a un rendement de 80 %, la chaleur totale dissipée est de 260 W / 0,8, soit 325 W. À partir de cette valeur, le débit d’air nécessaire peut être calculé.
Il existe une formule simple et universelle pour calculer le débit d'air nécessaire au maintien d'une élévation de température donnée pour une quantité de chaleur donnée.
Cette formule utilise une constante de 2,6. Elle est la suivante : débit d'air (en m³/h) = 2,6 × puissance totale dissipée (en W) / élévation de température admissible (en °C). Dans notre exemple, le débit d'air requis serait de 2,6 × 325 W / 10 °C = 84,5 m³/h.
Comment contrôler le flux d'air ?
Malheureusement, trouver une solution ne se résume pas à calculer le flux d'air nécessaire. Les calculs ci-dessus devraient vous permettre de choisir une puissance de ventilateur adaptée, mais en réalité, un boîtier oppose une résistance naturelle à l'écoulement de l'air, également appelée perte de charge.
Chute de pression :
La chute de pression réduit le débit d'air libre du ventilateur, c'est-à-dire le volume d'air évacué par l'appareil sur une période donnée. La chute de pression varie selon les applications, en fonction de la taille et de l'emplacement du circuit imprimé, des dimensions des grilles d'entrée et de sortie d'air, et de la section de passage de l'air.
La situation se complexifie car la chute de pression dépend également de la vitesse de l'air traversant le boîtier. De plus, la chute de pression est elle-même influencée par la vitesse de l'air. Une vitesse d'air plus élevée entraîne une chute de pression plus importante, mais cette chute de pression réduit la vitesse de l'air. Sans un choix judicieux du ventilateur, celui-ci peut s'avérer inefficace. Par exemple, dans une application où la chute de pression et la vitesse de l'air atteignent un point d'équilibre inférieur au niveau requis pour évacuer la chaleur du boîtier.
Déterminer la chute de pression exacte pour chaque application serait trop complexe, car cela nécessiterait une compréhension approfondie des équations de la dynamique des fluides. Cependant, nous pouvons l'approximer à l'aide de la courbe caractéristique de l'appareil présentée ci-dessous (Figure 1). Cela nous fournira un point de départ pour une évaluation plus détaillée.
Figure 1 - Courbe caractéristique du dispositif
Compte tenu du débit d'air calculé précédemment, la courbe indique une perte de charge de 11 Pa. Par conséquent, nous savons qu'il nous faut un ventilateur capable de fournir un débit d'air de 84,5 m³/h avec une perte de charge de 11 Pa.
Chaque fabricant de ventilateurs publie un graphique pour chaque modèle, indiquant le débit d'air en fonction de la perte de charge. La figure 2 ci-dessous présente les courbes de cinq ventilateurs. Le cône clair indique la plage de fonctionnement optimale de chaque ventilateur. Dans notre exemple, le ventilateur numéro cinq serait nécessaire pour garantir le débit d'air requis de 84,5 m³/h avec une perte de charge de 11 Pa.
Figure 2 - Débits des ventilateurs à différentes pressions d'air
Gestion de la durée de vie des alimentations :
Le concepteur d’une alimentation prend en compte tous ces facteurs avant que les fabricants n’appliquent les règles de réduction de consommation pour garantir une durée de vie adéquate du produit. Ces règles ne tiennent pas compte du profil de mission, de l’environnement, de l’orientation de montage, du positionnement, de l’espace environnant, de la charge appliquée ni des systèmes de refroidissement/ventilation installés sur l’équipement final. La durée de vie des condensateurs, notamment en cas de refroidissement par convection ou naturel, doit être réévaluée en fonction de l’installation.
Comment les utilisateurs peuvent-ils gérer la durée de vie des alimentations électriques ?
Températures du boîtier :
Il est évident que la mesure des courants d’ondulation appliqués (la composante alternative du signal de courant) n’est pas envisageable. Cependant, la température de fonctionnement effective du composant étant déterminée à la fois par la conception globale de l’équipement et par celle de l’alimentation, une bonne indication de la durée de vie de chaque condensateur peut être obtenue en mesurant sa température de boîtier et en appliquant l’équation d’Arrhenius et le profil de service à la durée de vie de base spécifiée par le fabricant.
Durée de vie :
De nombreuses fiches techniques d’alimentations, comme celles de la série XP GCS, indiquent les composants clés qui déterminent la durée de vie du produit. Ceci est particulièrement vrai pour les alimentations nécessitant un refroidissement externe par le dispositif final et celles conçues pour les applications à refroidissement par convection.
La prise en compte de ces éléments aide le concepteur du système à déterminer la durée de vie de l’alimentation dans l’application finale. Le schéma mécanique ci-dessous identifie les composants, et les courbes indiquent la durée de vie prévue de l’alimentation en fonction de la température de deux condensateurs (C6 et C23).
Une fois la perte de charge et le débit d'air requis définis, d'autres éléments sont à prendre en compte. Comme indiqué précédemment, pour le refroidissement général des équipements, le ventilateur peut être placé n'importe où, pourvu que l'air circule à travers les composants générant de la chaleur.
Refroidissement forcé :
Pour une alimentation conçue pour un refroidissement forcé, le débit d'air est crucial pour un fonctionnement optimal et fiable. Si le ventilateur ne peut être placé directement à côté de l'alimentation, ou s'il est impossible de diriger la totalité du flux d'air dessus, il doit impérativement avoir un débit beaucoup plus élevé.
Certains ventilateurs sont spécifiés par leur vitesse d'air en pieds linéaires par minute (LFM), tandis que d'autres expriment leur capacité volumétrique en pieds cubes par minute (CFM) ou en mètres cubes par heure (m³/h). Pour convertir entre ces unités, il est nécessaire de connaître la section de ventilation du ventilateur ; c'est la seule méthode fiable. Pour une alimentation à refroidissement forcé, le débit d'air requis peut être indiqué soit par une vitesse, comme le LFM, soit par une capacité volumétrique, comme le CFM.
Filtres à poussière :
Les équipements équipés de ventilateurs possèdent généralement des filtres pour empêcher la poussière de pénétrer. Ces filtres augmentent la résistance à l’écoulement de l’air, contribuant ainsi aux pertes de charge ; leur présence doit donc être prise en compte. Plus important encore, lorsqu’un filtre s’encrasse, les pertes de charge peuvent augmenter considérablement et un ventilateur initialement performant peut devenir inefficace après une utilisation prolongée. C’est pourquoi les filtres à poussière doivent être nettoyés ou remplacés régulièrement.
Comment minimiser le bruit :
L’ajout d’un ventilateur à un appareil le rend bruyant. Certaines applications, comme les hôpitaux ou les studios d’enregistrement, ne tolèrent aucun bruit. Même dans les environnements bruyants, il est généralement souhaitable de minimiser les interférences. Différentes méthodes permettent d’y parvenir.
Roulements de ventilateur :
Pour minimiser le bruit, il est conseillé d’utiliser un ventilateur équipé de roulements de haute qualité. Les ventilateurs à roulements à billes, qui utilisent une couronne de billes autour de l’arbre pour résoudre les problèmes d’usure irrégulière et de vibrations du rotor, sont généralement plus silencieux que les ventilateurs à paliers lisses (enfermés dans leur structure en forme de manchon) et présentent l’avantage d’une durée de vie plus longue. Certains ventilateurs utilisent de l’huile à l’intérieur des paliers lisses, ce qui permet de pallier cet inconvénient.
Vitesse des pales
: À débit d'air égal, un ventilateur plus grand est généralement plus silencieux qu'un plus petit, car il nécessite une vitesse de rotation des pales plus faible. Le bruit généré par le passage des pales à proximité d'une partie fixe du ventilateur, comme un support ou une grille de protection, doit également être pris en compte. Si la grille de protection peut être légèrement éloignée des pales, le bruit peut être réduit.
Une autre solution pour minimiser ce type de nuisance consiste à réduire la tension d'alimentation du ventilateur. Les ventilateurs sont spécifiés par une plage de tension de fonctionnement, et ceux alimentés en courant continu tournent généralement à une vitesse qui dépend de la tension continue fournie. Plus le ventilateur tourne lentement, moins il est audible.
Comment utiliser les données pour gérer la température :
La gestion thermique des alimentations modernes est devenue primordiale en raison des densités de puissance plus élevées et des volumes de dissipateur thermique plus petits. C'est pourquoi les fiches techniques contiennent désormais des informations essentielles pour les concepteurs de systèmes. Elles permettent d'éviter les surchauffes des alimentations en définissant des températures maximales spécifiques pour certains composants.
Une fois le ventilateur sélectionné selon cette méthode, une vérification finale doit être effectuée en mesurant la température de ces composants dans la configuration finale. Si la température d'un composant risque de dépasser la valeur indiquée dans la fiche technique, le flux d'air et sa direction doivent être réévalués.
N'hésitez pas à nous contacter pour plus d'informations sur le refroidissement optimal des alimentations.
À propos de l'auteur : Andrew Bryars
est diplômé avec mention en génie électrique et électronique et travaille dans le secteur de l'alimentation électrique depuis 1990. Il travaille chez XP depuis plus de 25 ans et a occupé divers postes d'ingénierie, de vente et de gestion, jusqu'à son rôle actuel de chef de produit senior.
