Netzteile mit Zwangskühlung, auch forcierte Kühlung genannt, sind auf Lüfter angewiesen, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Die Überhitzung von Geräten kann die Lebensdauer von ansonsten einwandfrei funktionierenden Geräten verkürzen. Netzteile erzeugen Verlustwärme, die abgeführt werden muss, da die Bauteile ihre Wärme nicht einfach nur an die umgebende Luft abgeben, sondern auch an die angrenzenden Komponenten. Das wiederum führt dazu, dass manche Teile des Systems bei höheren Umgebungstemperaturen arbeiten als angenommen, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer beeinträchtigt. Um das zu verhindern, werden Lüfter eingesetzt. Sie führen die Verlustwärme ab und sorgen dafür, dass das Netzteil innerhalb sicherer Temperaturgrenzen arbeitet. Damit verlängern sie nicht nur die Lebensdauer des Netzteils, sondern gewährleisten auch deren Zuverlässigkeit.
In diesem Beitrag erfahren Sie wie lüftergekühlte Netzteile funktionieren und auf was Sie bei der Lüfterwahl achten müssen.
Wie funktioniert die Kühlung von Netzteilen?
Jedes Netzteil erzeugt Verlustwärme, die, wenn sie nicht abgeführt wird, die Leistung und die Lebensdauer des Geräts beeinträchtigen kann. Deshalb müssen Netzteile gekühlt werden.
Bei der Kühlung von Netzteilen gibt es zwei Arten, die am gebräuchlichsten sind: die Konvektionskühlung und die Zwangskühlung. Während bei der Konvektionskühlung auf Lüfter verzichtet wird, werden bei der forcierten Kühlung Lüfter eingesetzt, um die Temperatur des Netzteils zu senken. Der Hauptunterschied zwischen konvektionsgekühlten und lüftergekühlten Geräten ist die Leistungsdichte bei gleichem Wirkungsgrad. Bei konvektionsgekühlten Geräten ist die Leistungsdichte in der Regel geringer, daher haben die Geräte ein grösseres Volumen. In den Datenblättern des Netzteils ist angegeben, ob es konvektionsgekühlt, lüftergekühlt oder beides ist.
Luftstrom
Der Luftstrom ist die Bewegung der Luft innerhalb eines Netzteils. Durch die Luftein-und auslässe wird die Kühlung erleichtert und die optimale Temperatur aller Komponenten im Netzteil aufrechterhalten. Bei der Wahl des richtigen Lüfters ist die Berechnung des Luftstroms wichtig. Wie genau sich dieser berechnen lässt, lesen Sie in XP Powers Beitrag Tipps und Hinweise zum Einsatz von Lüftern für Netzteile.
Berechnung des Luftstroms
Je nachdem, mit welcher Temperatur das Gerät betrieben wird oder ob das Netzteil einen externen Lüfter benötigt, gibt es zwei Möglichkeiten den Luftstrom zu berechnen.
Berechnen Sie zunächst den Luftstrom, indem Sie die maximale Betriebstemperatur messen. Die Stromversorgung selbst hat in der Regel eine maximale Betriebstemperatur von circa 50°C, die durch Sicherheitszulassungen oder die Notwendigkeit, die Langlebigkeit der Komponenten zu erhöhen, bestimmt wird. In der Regel kann man davon ausgehen, dass sich die Lebensdauer eines Netzteils verdoppelt, wenn die Temperatur der eingebauten Elektrolytkondensatoren um jeweils 10 °C sinkt.
Zweitens: Bestimmen Sie die Verlustleistung. Die in der Last verbrauchte Leistung und die vom Netzteil verlorene Leistung (Verlustwärme) ergeben die gesamte im Gehäuse abgegebene Leistung. In Anlehnung an das Beispiel von XP Power und unter der Annahme, dass das Netzteil einen Wirkungsgrad von 80 % hat und die von der Elektronik aufgenommene Last 260 W beträgt, beträgt die Gesamtwärmeabgabe 260 W / 0,8, d. h. 325 W. Um dies zu berechnen, wird die Formel in Abbildung 1 verwendet.
Steuerung des Luftstroms
Die Steuerung des Luftstroms ist nicht so einfach wie die Berechnung, daher können Ihnen die obigen Berechnungen dabei helfen, einen geeigneten Wert für den Luftstrom des Lüfters zu wählen. Das Gehäuse sollte jedoch einen natürlichen Widerstand gegen den Luftstrom aufweisen, der als Druckverlust bezeichnet wird.
Der Druckverlust bezieht sich auf die Abnahme des Luftdrucks beim Durchströmen eines Systems oder Geräts. Er entsteht durch den Widerstand, auf den die Luft beim Durchströmen von Leiterplatten, Filtern, Lüftungsöffnungen und Kanälen trifft. Er kann je nach Grösse der Leiterplatte oder der Entlüftung und der Fläche, durch die die Luft strömt, variieren.
Der Druckverlust kann sich auf den Gesamtwirkungsgrad und die Leistung des Luftstromsystems auswirken, daher ist es wichtig, den Luftstrom korrekt zu berechnen. Damit der tatsächliche Druckverlust nicht für jede Anwendung bestimmt werden muss, geben Hersteller bei jedem Lüfter ein Diagramm an, das den Luftstrom bei unterschiedlichen Druckverlusten zeigt.
Mehr über die Berechnung der Druckverluste finden Sie im XP Power Blog.
Der Luftstrom in zwangsgekühlten Netzteilen
Bei einem zwangsgekühlten Netzteil ist die Menge der durchströmenden Luft für einen präzisen und zuverlässigen Betrieb entscheidend. Der Lüfter der Wahl muss eine deutlich höhere Leistung haben, wenn er nicht direkt am Netzteil platziert werden kann oder wenn der volle Luftstrom nicht über das Netzteil geleitet werden kann.
Die Leistungsangaben von Lüftern werden oft als Linear Feet per Minute« (LFM), Cubic Feet per Minute« (CFM) oder Kubikmeter pro Stunde (m3/hr) angegeben. Die Umrechnung zwischen diesen Einheiten erfordert die Kenntnis der Querschnittsfläche des Belüftungssystems. Bei zwangsgekühlten Stromversorgungen kann der erforderliche Luftstrom entweder als Geschwindigkeitsangabe, z. B. LFM, oder als volumetrische Angabe – CFM – angegeben werden.
Verlängerung der Lebensdauer von Stromversorgungen
Obwohl die Hersteller verschiedene Faktoren berücksichtigen, um eine angemessene Produktlebensdauer zu gewährleisten, werden möglicherweise nicht alle spezifischen Aspekte wie Einsatzprofil, Umgebung, angewandte Belastung, Einbaulage, Systemkühlung/-belüftung usw. berücksichtigt. Daher sollte die Lebensdauer einiger Komponenten in einem Netzgerät auf der Grundlage der spezifischen Installationsbedingungen neu bewertet werden.
Betriebstemperatur
Ein guter Indikator für die Lebensdauer eines Netzteils ist seine Betriebstemperatur. Daher enthalten die Datenblätter wichtige Informationen für die Geräteentwickler, einschliesslich spezifischer Höchsttemperaturen für verschiedene Komponenten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Netzteile nicht mit zu hohen Temperaturen betrieben werden. Die Überprüfung der Temperatur, z. B. von Kondensatoren im Datenblatt, gibt Aufschluss über die zu erwartende Lebensdauer (siehe Abbildung 2).
Für eine optimale Gerätekühlung ist auch die Position des Lüfters wichtig. So sollte der Lüfter nach der Bestimmung des erforderlichen Druckabfalls und Luftstroms so positioniert werden, dass der Luftstrom durch die Komponenten der Wärmequelle strömen kann. Solange diese Anforderung erfüllt ist, kann der Lüfter an einer beliebigen Stelle im System angebracht werden.
Nachdem sie sich für einen Lüfter entschieden haben, sollten Sie diesen abschliessend überprüfen, indem Sie die Temperaturen der Komponenten in der endgültigen Konfiguration messen. Sollte die Bauteiltemperatur den im Datenblatt angegebenen Wert überschreiten, wäre es ratsam, den Luftstrom und die Luftrichtung neu zu bewerten, um mögliche Probleme zu vermeiden.
Filter
Ein weiterer Punkt, der bei der Verwaltung einer Stromversorgung zu beachten ist, sind Filter. Filter schützen die Geräte vor Staub und anderen Partikeln, die den Widerstand des Luftstroms erhöhen und einen Druckverlust verursachen. Ist der Filter verstopft, kann der Lüfter nicht die angegebene Leistung erbringen, da der Druckverlust zu hoch ist. Deshalb müssen die Staubfilter regelmässig gereinigt oder ausgetauscht werden.
Reduzierte Geräuschentwicklung
Lüfter erzeugen Geräusche, die in geräuschkritischen Anwendungen, wie zum Beispiel im medizinischen Bereich (wo die GCS-Serie neben Industrie- und ITE-Anwendungen eingesetzt wird) oder in Aufnahmestudios unerwünscht sind. Aber auch in geräuschunkritischen Anwendungen macht es Sinn, die Lüftergeräusche auf ein Minimum zu reduzieren. Um das zu erreichen, setzt XP Power auf folgende Methoden.
- Lüfterlager − Um das Lüftergeräusch zu reduzieren, sollten Sie ein qualitativ hochwertigeres Lager wie Kugellager wählen, die Verschleiss- und Vibrationsprobleme lösen und leiser arbeiten als Gleitlager. Ausserdem haben Kugellager eine längere Lebensdauer. Mit Imprägnieröl kann auch bei bestimmten Gleitlagern die Geräuschentwicklung reduziert und die Leistung verbessert werden.
- Flügeldrehzahl − Ein grösserer Lüfter ist aufgrund der langsameren Flügeldrehzahl leiser als ein kleinerer Lüfter mit demselben Luftvolumen. Es ist wichtig, die Geräusche von Lüfterflügeln, die an festen Teilen vorbeigehen, zu berücksichtigen; schon ein geringer Abstand zwischen dem Fingerschutz und den Lüfterflügeln kann die Geräusche reduzieren. Eine niedrigere Versorgungsspannung des Lüfters reduziert Störungen, da die Lüfterdrehzahl von der gelieferten Gleichspannung abhängt und niedrigere Drehzahlen zu weniger hörbaren Geräuschen führen.
Die Bedeutung von Lüftern für Netzteile
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Lüfter für Netzteile unverzichtbar sind, da sie die Temperatur regulieren, die Komponenten vor Schäden schützen, eine thermische Abschaltung verhindern und zur allgemeinen Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Netzteils beitragen.
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Die Schaltnetzteile der GCS-Serie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad und einer geringen Leerlaufleistungsaufnahme aus. Die Serie entspricht den neuesten Umweltvorschriften und ist für Klasse I und Klasse II zugelassen. Sie bietet Einzelausgangsmodelle mit einem Wirkungsgrad von bis zu 94 %, Einzelsicherungen für die Einhaltung der IEC 60601-1 und Einzelausgangsvarianten von 12 V bis 56 VDC.
Dieser Beitrag basiert auf den Artikel unter https://www.xppower.com/resources/blog/hints-tips-cooling-fans-for-power-supplies und wurde mit freundlicher Genehmigung von XP Power für die KnowHow-Seite umgeschrieben.
XP Power ist ein führender Anbieter von Stromversorgungen, einschliesslich AC/DC-Netzteile, DC/DC-Wandler, sowie Hochspannungs- und HF-Versorgungen.
