Wentylatory chłodzące to niezbędne elementy zasilaczy, wymagających wymuszonego chłodzenia, które zapobiegają ich przegrzaniu.
Przegrzanie urządzeń może spowodować skrócenie żywotności nawet doskonale działającego sprzętu. Wraz ze wzrostem temperatury i większym obciążeniem zasilacz generuje więcej ciepła, które może doprowadzić do przekroczenia maksymalnej temperatury obsługiwanej przez zasilacz. Przeciwdziałanie temu zjawisku wymaga zastosowania wentylatorów chłodzących. Wentylatory rozpraszają ciepło, aby zasilacz działał w bezpiecznych zakresach temperatur. Skutecznie zapobiegając przegrzaniu, wentylatory wydłużają żywotność zasilacza i zapewniają jego niezawodne działanie.
Dowiedz się więcej o zasilaczach chłodzących, ich działaniu i funkcjach wybranych produktów zaprojektowanych z myślą o zminimalizowaniu poboru mocy bez obciążenia i zmaksymalizowaniu wydajności.
Na czym polega chłodzenie zasilaczy?
Zasilacze generują i przetwarzają energię elektryczną, co skutkuje wydzielaniem się ciepła. Nadmierne ciepło może negatywnie wpływać na wydajność i żywotność zasilacza. Aby temu zaradzić, stosuje się wentylatory chłodzące, które skutecznie rozpraszają ciepło i zapewniają, że zasilacz działa w wyznaczonym zakresie temperatur.
W zasilaczach mogą być stosowane różne metody chłodzenia. Niektóre zasilacze są wyposażone we wbudowane wentylatory chłodzące, podczas gdy inne są zaprojektowane do chłodzenia wymuszonego lub konwekcyjnego. Chłodzenie konwekcyjne wykorzystuje swobodne powietrze do regulacji temperatury zasilacza, natomiast chłodzenie wymuszone wymaga użycia zewnętrznych wentylatorów. Podstawowa różnica między tymi dwiema metodami polega na gęstości mocy wykorzystywanej do osiągnięcia określonej wydajności. Urządzenia chłodzone konwekcyjnie charakteryzują się zazwyczaj niższą gęstością mocy, zajmując więcej miejsca w porównaniu do urządzeń z chłodzeniem wymuszonym.Należy koniecznie zapoznać się z kartą danych zasilacza, aby określić, czy jest on chłodzony konwekcyjnie, wymuszonym powietrzem, czy też łączy obie metody chłodzenia.
Przepływ powietrza
Przepływ powietrza odgrywa kluczową rolę w zasilaczach, umożliwiając obieg powietrza w celu zapewnienia chłodzenia i utrzymania optymalnej temperatury komponentów wewnętrznych. Aby zapewnić wydajną pracę, niezbędne jest obliczenie przepływu powietrza i sterowanie nim. W tym celu przygotowaliśmy kilka cennych porad i wskazówek dotyczących wykorzystania wentylatorów chłodzących w zasilaczach XP Power.
Obliczanie przepływu powietrza
Do obliczania przepływu powietrza w zasilaczu stosuje się dwie metody, w zależności od temperatury roboczej i potrzeby chłodzenia zewnętrznym wentylatorem.
Pierwsze rozwiązanie polega na obliczeniu przepływu powietrza, mierząc maksymalną temperaturę roboczą. Większość zasilaczy ma wyznaczoną maksymalną temperaturę pracy, zwykle około 50°C, określoną na potrzeby atestów bezpieczeństwa i trwałości komponentów. Co istotne, obniżenie temperatury o 10°C w obudowie kondensatora elektrolitycznego może podwoić żywotność zasilacza.
Druga metoda obejmuje określenie rozpraszania mocy. Polega ona na uwzględnieniu zarówno mocy pobieranej przez obciążenie, jak i mocy traconej jako ciepło odpadowe przez zasilacz, co daje całkowitą moc rozpraszaną wewnątrz obudowy. Za przykład może posłużyć analiza XP Power – załóżmy, że sprawność zasilacza wynosi 80%, a obciążenie elektroniki pobiera 260 W. Całkowite rozpraszane ciepło wynosiłoby 260 W / 0,8, co równa się 325 W. Do obliczeń warto zastosować uniwersalny wzór podany poniżej (patrz Rysunek 1).
Sterowanie przepływem powietrza
Sterowanie przepływem powietrza to proces bardziej skomplikowany niż jego obliczanie, jednak warto wykonać wcześniejsze obliczenia, które pomogą w wyborze odpowiedniej wartości znamionowej wentylatora. Obudowa powinna cechować się naturalnym oporem przepływu powietrza, znanym jako spadek ciśnienia.
Spadek ciśnienia to obniżenie ciśnienia powietrza przepływającego przez system lub urządzenie. Powstaje on na skutek oporu napotykanego przez powietrze przechodzące przez PCB, filtry, otwory wentylacyjne i kanały. Spadek ciśnienia może być różny w zależności od rozmiaru PCB lub otworu wentylacyjnego oraz obszaru, przez który przepływa powietrze.
W związku z tym, że spadek ciśnienia może mieć wpływ na ogólną sprawność i wydajność systemu przepływu powietrza, ważne jest prawidłowe obliczenie przepływu powietrza. Jednak określenie rzeczywistych wartości strat ciśnienia przy każdym zastosowaniu byłoby zbyt skomplikowane, dlatego każdy producent udostępnia wykresy przedstawiające przepływ powietrza przy różnych spadkach ciśnienia w każdym wentylatorze.
Więcej porad na temat obliczania strat ciśnienia można znaleźć na blogu XP Power.
Wymuszony przepływ powietrza w zasilaczu
W celu zapewnienia dokładnego i niezawodnego działania zasilacza chłodzonego wymuszonym obiegiem powietrza należy określić ilość przepływającego powietrza. Wybrany wentylator musi mieć znacznie wyższą wartość znamionową, jeśli nie można go umieścić bezpośrednio przy zasilaczu lub gdy nie można skierować na niego pełnego strumienia powietrza.
Parametry wentylatorów mogą być podawane w różnych jednostkach, takich jak stopy liniowe na minutę (LFM), stopy sześcienne na minutę (CFM) lub metry sześcienne na godzinę (m3/h). Do konwersji pomiędzy tymi jednostkami wymagana jest znajomość pola przekroju poprzecznego systemu wentylacyjnego wentylatora. W przypadku zasilaczy chłodzonych wymuszonym przepływem powietrza, wymagany przepływ powietrza może być podany w postaci znamionowej wartości prędkości, takiej jak LFM lub wartości objętościowej – CFM.
Zapewnienie długiej żywotności zasilacza
Choć projektanci dokładają wszelkich starań, aby uwzględnić różne aspekty, producenci nie zawsze uwzględniają w swoich ogólnych specyfikacjach wszystkie zmienne, takie jak profil misji, warunki środowiskowe, zastosowane obciążenie, orientacja montażu, chłodzenie systemu i wentylacja. Dokonując ponownej analizy i dostosowując się do specyficznych wymagań instalacji, można zoptymalizować ogólną niezawodność i wydajność zasilacza przez cały okres jego eksploatacji.
Temperatura pracy
Temperatura pracy zasilacza jest istotnym wskaźnikiem jego żywotności. Karty katalogowe zawierają kluczowe informacje, określające maksymalne limity temperatury poszczególnych komponentów. Zastosowanie tych wytycznych pozwala na uniknięcie pracy zasilaczy w zbyt wysokich temperaturach, co mogłoby negatywnie wpłynąć na ich żywotność. Na przykład sprawdzając kartę katalogową i monitorując temperaturę komponentów, takich jak kondensatory (patrz Rysunek 2), projektanci mogą dokładniej oszacować przewidywaną żywotność zasilacza.
Po określeniu niezbędnego spadku ciśnienia i przepływu powietrza należy upewnić się, że wentylator będzie umieszczony w sposób umożliwiający przepływ powietrza przez komponenty będące źródłem ciepła. Jeśli ten wymóg jest spełniony, wentylator może być umieszczony w dowolnym miejscu w instalacji.
Po wybraniu odpowiedniego wentylatora należy przeprowadzić ostateczną weryfikację, mierząc temperatury komponentów w wykonanej konfiguracji. W przypadku stwierdzenia, że temperatura danego komponentu może przekroczyć wartość określoną w karcie katalogowej, zaleca się ponowną analizę przepływu i kierunku powietrza w systemie.
Filtry
Ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę przy planowaniu zasilania, jest zastosowanie filtrów. Filtry stosuje się powszechnie w urządzeniach z wentylatorami, aby zapobiec przedostawaniu się kurzu i innych cząstek do systemu. Chociaż odgrywają one istotną rolę w utrzymaniu czystego strumienia powietrza, należy pamiętać, że filtry mogą powodować zwiększenie oporu przepływu powietrza, prowadząc do spadku ciśnienia. Wybierając wentylator, należy wziąć pod uwagę jego długoterminowe działanie – z biegiem czasu, gdy filtr gromadzi brud i zanieczyszczenia, może powodować spore straty ciśnienia. Oznacza to, że wentylator, który początkowo wydawał się odpowiedni, może okazać się niewystarczający, gdy dojdzie do zatkania filtra. Aby utrzymać optymalną wydajność, konieczne jest regularne czyszczenie lub wymiana filtrów przeciwpyłowych.
Minimalizacja hałasu
W niektórych zastosowaniach, takich jak placówki medyczne, do których przeznaczona jest seria zasilaczy GCS, lub studia nagraniowe, minimalizacja hałasu generowanego przez wentylatory jest niezwykle ważna. XP Power oferuje różne metody redukcji hałasu:
- Łożyska wentylatora – należy wybierać lepszej jakości łożyska kulkowe, ponieważ zapobiegają one zużyciu i chybotaniu wentylatora, co przekłada się na cichszą pracę w porównaniu z łożyskami tulejowymi. Łożyska kulkowe charakteryzują się również dłuższym okresem eksploatacji. Niektóre wentylatory z łożyskami tulejowymi impregnowanymi olejem również pozwalają zredukować hałas i poprawić wydajność.
- Prędkość obrotu łopatek – większe wentylatory są zazwyczaj cichsze niż małe wentylatory o tej samej objętości powietrza ze względu na wolniejsze obroty łopatek. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na hałas generowany, gdy łopatki wentylatora poruszają się blisko nieruchomych części. Wystarczy nieznacznie oddzielić osłonę palców od łopatek wentylatora, aby zdecydowanie obniżyć poziom hałasu. W ograniczeniu hałasu pomaga także obniżenie napięcia zasilania wentylatora, ponieważ jego prędkość zależy od napięcia prądu stałego.
Znaczenie wentylatorów chłodzących w systemach zasilania
Wentylatory chłodzące to niezbędny element układów zasilania, ponieważ regulują temperaturę, chronią podzespoły przed uszkodzeniem, zapobiegają wyłączeniu na skutek przegrzania, a także przyczyniają się do ogólnej trwałości i niezawodności zasilacza.
Polecane produkty
Zasilacz impulsowy, XP Power
Seria zasilaczy impulsowych GCS została stworzona z myślą o poprawie wydajności przy jednoczesnym zminimalizowaniu poboru mocy bez obciążenia. Urządzenia zostały zaprojektowane zgodnie z najnowszymi regulacjami środowiskowymi, uzyskując certyfikaty klasy I i II. Zasilacze są dostępne w wersjach jednowyjściowych o sprawności do 94%, z pojedynczym bezpiecznikiem zapewniającym zgodność z normą IEC 60601-1 oraz w wersjach jednowyjściowych o napięciu od 12 V do 56 VDC.
Artykuł powstał na podstawie artykułu: https://www.xppower.com/resources/blog/hints-tips-cooling-fans-for-power-supplies i został wykorzystany na stronie KnowHow za uprzejmą zgodą XP Power.
XP Power jest wiodącym dostawcą rozwiązań zasilających, w tym zasilaczy AC-DC, przetwornic DC-DC, zasilaczy wysokiego napięcia i zasilaczy RF.
