Lüfter für Embedded-Computer #####

Während die traditionellen Luftkühlverfahren bei modernen PCs mit hochgetakteten x-Kern-Prozessoren und leistungshungrigen 3D-Grafikkarten an Grenzen stoßen, sind Embedded Systeme im Allgemeinen weniger anspruchsvoll – noch. Aktuelle Formfaktoren für Industrieboards setzen auf immer höhere Integration, und Prozessoren auf dem Stand der Technik werden auch hier verbaut. Wie kommt also die Wärme weg?

Während die traditionellen Luftkühlverfahren bei modernen PCs mit hochgetakteten x-Kern-Prozessoren und leistungshungrigen 3D-Grafikkarten an Grenzen stoßen, sind Embedded Systeme im Allgemeinen weniger anspruchsvoll – noch. Aktuelle Formfaktoren für Industrieboards setzen auf immer höhere Integration, und Prozessoren auf dem Stand der Technik werden auch hier verbaut. Wie kommt also die Wärme weg?

So richtig fasst die Flüssigkeitskühlung nicht Fuß, nicht bei Hochleistungs-Spielecomputern und noch viel weniger im industriellen Bereich. Die Vorbehalte diesem Verfahren gegenüber sind verständlich: Kaum ein Anbieter übernimmt die Garantie für potenzielle Folgeschäden einer fehlerhaften Dichtung. Und selbst wenn: Steht die Steuerelektronik einer Automatisierungsanlage erst einmal unter Wasser, dann können auch hohe Versicherungssummen den entstandenen Schaden nur eingeschränkt wiedergutmachen. Vorerst bleibt uns die Luftkühlung also erhalten, inklusive der mehr oder weniger störenden Geräuschkulisse.

Für die Wärmeabfuhr bei elektronischen Bauteilen und Systemen kommen in den meisten Fällen Axialventilatoren zum Einsatz, bei denen die Drehachse parallel (axial) zum Luftstrom verläuft. Der Grund liegt in den im Verhältnis zum geförderten Luftdurchsatz geringen Abmessungen. Prinzipbedingt haben alle Ventilatoren den Nachteil dass die Rotation hinter dem Axiallaufrad für Luftwirbel sorgt, welche die gewünschte Druckerhöhung beeinträchtigen. Feste Einbauten wie Nachleiträder gleichen dies wieder aus.

Eine Abwandlung des Axialventilators ist der Diagonalventilator (Bild 1), bei dem das Gehäuse und die Lüfterschaufeln konisch geformt sind, der Radius wird zur Druckseite hin also größer. Die Luft tritt hier nicht axial, sondern diagonal aus. Diagonalventilatoren haben bei gleicher Leistung und Größe einen größeren Luftdurchsatz und bauen einen höheren Druck auf. Deshalb können sie bei gleichem Effekt mit geringerer Drehzahl laufen und sind somit leiser.

Beide Ausführungen haben den Nachteil, dass hinter der Laufradnabe und dem dort sitzenden Motor eine »windstille« Zone entsteht (das so genannte Nabentotwasser). Um dies zu vermeiden, verwenden Lüfterhersteller Innendiffusoren, die den Luftstrom »auffächern«. Ganz verhindern lassen sich diese »Rossbreiten«, wenn der Motor sich nicht an der Nabe befindet, sondern in einem umgebenden Gehäuse enthalten ist (Bild 2). Diese Bauform stellt hohe Ansprüche an die Fertigungsqualität, da die große, außen liegende umlaufende Masse des Antriebs sorgfältig ausgewuchtet werden muss.

Vor nicht allzu langer Zeit fanden sich an Kühlerventilatoren nur Anschlüsse mit drei Pins. Diese variieren die Drehzahl entweder über die Versorgungsspannung (im Allgemeinen zwischen 0 V und 12 V) oder mit Hilfe der Länge von 12-V-Impulsen. Die dritte Leitung ist der Rückmeldekanal, über den der Lüfter seine aktuelle Drehzahl ausgibt. Heute sind PWM-Lüfter (pulsbreitenmoduliert) mit vierpoligen Anschlüssen üblich. Hier liegen Steuersignal und Versorgungsspannung auf getrennten Leitungen.

Damit die PWM-Regelung gut funktioniert, ist ein qualitativ hochwertiges PWM-Signal von essenzieller Bedeutung. Der beste Lüfter kann nicht sinnvoll arbeiten, wenn die Elektronik, beispielsweise das Mainboard, kein sauberes Signal liefert. Hier gibt es chargenabhängige Schwankungen, da die Bauelemente präzise aufeinander abgestimmt sein müssen. Das wesentliche Problem ist nämlich die Bildung von Oberschwingungen. Diese bilden sich als Vielfache der Modulationsfrequenz und können Nebeneffekte wie Geräuschbildung, Erwärmung und Probleme mit der EMV mit sich bringen. Abhilfe kann hier eine Kompensation mittels zugeschalteten Kapazitäten oder eine Veränderung der Modulationsfrequenz der PWM schaffen. (mc)

Marcel Consée
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