Il rumore prodotto da un ventilatore può rappresentare un problema. Per le apparecchiature destinate a laboratori o sale di controllo, dove l'operatore lavora a stretto contatto con il dispositivo, il rumore deve essere ridotto al minimo. Anche le apparecchiature mediche utilizzate in prossimità del paziente, come i monitor per i parametri vitali o le pompe per infusione, per periodi prolungati, devono essere il più silenziose possibile.
Un altro aspetto da considerare per le ventole è la loro affidabilità. La breve durata di questi componenti può comportare guasti durante l'uso, causando il surriscaldamento dell'alimentatore, o richiedere una manutenzione più frequente o la sostituzione prima della fine della loro vita utile.
Per i sistemi che richiedono un elevato grado di protezione IP, le ventole non sono adatte, poiché è consentita solo una ventilazione minima per impedire l'ingresso di liquidi e solidi dannosi nell'apparecchiatura.
Ad esempio, qualsiasi apparecchiatura utilizzata nell'industria alimentare necessita di un elevato grado di protezione IP, poiché nell'ambiente saranno presenti liquidi e solidi. Con gradi di protezione IP inferiori, potrebbe essere sufficiente rimuovere polvere e altre particelle dalle apparecchiature industriali, tollerando persino l'uso di una ventola, ma spesso saranno necessari filtri dell'aria. Questi filtri richiederanno una manutenzione programmata per la pulizia o la sostituzione periodica, il che non è l'ideale.
Ventilazione a convezione:
se l'applicazione limita l'uso di una ventola, sarà necessaria la ventilazione a convezione o a conduzione.
Il raffreddamento a conduzione prevede il fissaggio dell'alimentatore a un grande radiatore o dissipatore di calore, trasferendo il calore lontano dal dispositivo. Questa soluzione è particolarmente adatta per applicazioni ad alta potenza con elevata generazione di calore, ma può essere complessa e costosa da implementare.
Questo articolo si concentra sul raffreddamento a convezione come approccio più semplice per dispositivi a bassa potenza.
Il raffreddamento a convezione, o non forzato, significa semplicemente che c'è sufficiente aria libera intorno all'alimentatore, permettendogli di dissipare la quantità di calore necessaria senza aumentare significativamente la temperatura ambiente. Le correnti convettive naturali all'interno del dispositivo raffreddano l'alimentatore. Di conseguenza, a parità di efficienza, esiste una differenza significativa nelle densità di potenza offerte dagli alimentatori che richiedono raffreddamento forzato (a ventola) e da quelli che richiedono raffreddamento a convezione. Un tipico alimentatore a convezione da 3 x 5 pollici potrebbe avere una potenza di 150 W, mentre uno che richiede raffreddamento forzato ne avrebbe 350 W.
È importante comprendere i potenziali limiti operativi di un alimentatore a convezione per garantirne la durata e l'affidabilità.
L'efficienza
è ancora più importante per il raffreddamento a convezione rispetto al raffreddamento forzato, poiché tutto il calore rimane all'interno dell'apparecchiatura. Se è possibile immettere aria nell'unità, dissipando qualche watt in più, l'effetto non sarà così significativo. Ogni punto percentuale di aumento dell'efficienza significa meno calore dissipato e la tecnologia migliora costantemente le efficienze raggiungibili (Figura 1).
Quando si specifica un alimentatore a convezione per il proprio sistema, è consigliabile scegliere quello più efficiente che si adatti al budget disponibile. Ad esempio, se l'applicazione richiede la massima efficienza, l'XP Power CCB200 raggiunge un'efficienza del 94%. Questo alimentatore da 200 W dissipa solo 12 W nel suo formato da 3 x 5 pollici (Figura 2). Per applicazioni in cui il costo è un fattore più critico, un'alternativa potrebbe essere il GCS180, che eroga 150 W senza raffreddamento forzato e vanta un'efficienza del 92%.
È consigliabile verificare che tutte le dichiarazioni del produttore nella documentazione siano supportate dall'efficienza effettiva; in caso contrario, è probabile che il problema risieda nel raffreddamento.
Diversi fattori possono influenzare il valore di efficienza fornito nella documentazione. Questa efficienza rappresenta generalmente uno scenario ottimale e pertanto non corrisponderà alle prestazioni attese sull'intero intervallo di specifiche dell'alimentatore.
Ad esempio, la tensione di ingresso influisce sull'efficienza nelle applicazioni reali. Molti produttori di alimentatori AC/DC specificano una tensione di ingresso universale. Tuttavia, negli Stati Uniti, dove la tensione di ingresso è circa la metà di quella europea (230 V), la corrente di ingresso deve essere raddoppiata per produrre la stessa quantità di potenza. Lavorare con correnti elevate comporta maggiori perdite nei vari componenti dell'alimentatore e l'efficienza ne risente. Considerando solo le perdite resistive, la perdita di potenza è I²R, quindi raddoppiando la corrente di ingresso (quando si passa da una tensione di ingresso alta a una bassa) la perdita di potenza quadruplica. Inoltre, il passaggio dalla tensione statunitense (115 V CA) a quella di un paese come il Giappone (90 V CA) aumenta la corrente di ingresso di un ulteriore 28%, creando un'altra perdita del 65%.
Molte specifiche di documentazione forniscono dati sull'efficienza solo per valori elevati di tensione di ingresso.
Valori di convezione:
Il prossimo aspetto da verificare nella documentazione sono i valori del grafico dell'alimentatore. Potreste rimanere sorpresi nello scoprire che non esiste uno standard di settore per cui i produttori si accordino sulla fornitura di queste informazioni: le pratiche variano notevolmente.
Gli alimentatori vengono testati in camere climatiche, ma alcune di queste camere utilizzano ventole per mantenere la temperatura, creando inavvertitamente un flusso d'aria intorno all'alimentatore. Ovviamente, questo deve essere evitato se si desidera misurare accuratamente le condizioni di convezione, poiché anche una piccola quantità d'aria può avere un effetto. Noi di XP posizioniamo i nostri alimentatori nella camera, ma all'interno di una scatola, e manteniamo la temperatura ambiente in base alla temperatura interna di tale scatola per ottenere un quadro preciso delle prestazioni dell'alimentatore.
Questo garantisce uniformità tra i gruppi di progettazione e ripetibilità, aspetto fondamentale quando si eseguono test termici. Le informazioni sulle modalità di test del prodotto non sono menzionate nella documentazione di origine, ma influiscono sui valori specificati.
Per soddisfare i requisiti di sicurezza, sia per il mercato industriale, medicale o IT, esistono valori di temperatura massimi per determinati componenti (come i trasformatori) che devono essere rispettati. È importante ricordare che le temperature di sicurezza rappresentano i valori massimi consentiti, non una raccomandazione per un utilizzo nominale.
Se l'alimentatore deve funzionare costantemente alla temperatura di sicurezza, anche se supera le certificazioni UL, la durata dei componenti ne risentirà. Per garantire una lunga durata, il sistema deve funzionare alla temperatura più bassa possibile.
Suggerimenti e trucchi:
un altro aspetto da tenere presente quando si progetta con raffreddamento a convezione è che l'alimentatore è progettato per essere montato orizzontalmente o verticalmente. Non deve mai essere montato capovolto, poiché il calore generato dall'alimentatore sale, ed è sconsigliabile posizionare il PCB sopra componenti caldi.
Inoltre, non dimenticate di considerare che anche gli altri componenti del sistema si scalderanno. State utilizzando una CPU di grandi dimensioni? Un display? E che dire di pompe o motori? Questi componenti, che ovviamente generano calore, necessitano di raffreddamento e contribuiranno a generare calore all'interno del sistema.
In sintesi, sebbene il raffreddamento a convezione non generi tanto calore quanto la ventilazione forzata, in alcune applicazioni l'assenza di una ventola è essenziale. Poiché il calore residuo rimane all'interno dell'apparecchiatura, è utile scegliere una fonte di calore con la massima efficienza possibile e verificare attentamente le specifiche del produttore per assicurarsi che soddisfi i requisiti dell'apparecchiatura.
