Thermisches Management Lüfter richtig einsetzen

Die Abwärme eines Netzteils kann dazu führen, dass die Betriebstemperatur im System den maximal zulässigen Wert überschreitet, mit negativen Folgen für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems. Richtig eingesetzt, können Lüfter zur Kühlung von Stromversorgungen diese Probleme vermeiden.

von Andrew Bryars, Applications Engineering Manager bei XP Power.

Steigt die Betriebstemperatur in einer Stromversorgung über den maximal zulässigen Wert, sind Probleme vorprogrammiert. Denn Hitze stellt den Hauptgrund für eine sinkende Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Systems dar, und die Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren hängt direkt von deren Gehäusetemperatur ab. Auch bei anderen Bauteilen sinkt die Zuverlässigkeit mit zunehmender Temperatur. Der Trend, die Netzteilabmessungen zu minimieren und die Kühlkörper zu verkleinern, macht ein sorgfältiges thermisches Management noch wichtiger. Ein einfacher Weg dazu ist der Einsatz eines Lüfters, um die überschüssige Wärme aus dem Gehäuse abzuführen.

Manche Netzteile sind so konzipiert, dass sie von einem vorhandenen Systemlüfter gekühlt werden. Die in diesen Fällen für eine ordnungsgemäße Kühlung des Netzteils erforderliche Luftmenge wird in dessen Datenblatt spezifiziert. Es ist dabei aber unbedingt zu beachten, dass dieser Luftstrom am Netzteil benötigt wird und nicht irgendwo im System. Da die Luft den Weg des geringsten Widerstands nimmt, wird nur ein Teil der vom Lüfter bewegten Luft das Netzteil erreichen. Hier helfen interne Maßnahmen zur Luftführung, um den Luftstrom zu den zu kühlenden Komponenten zu leiten.

In den Fällen, bei denen das Netzteil forcierte Kühlung benötigt, aber über keinen eingebauten Lüfter verfügt, ist der benötigte Luftstrom mittels der nachfolgenden Schritte zu berechnen.

Benötigten Luftstrom berechnen

Zuerst ist die maximale Betriebstemperatur festzulegen, bei der das Netzteil oder die Elektronik noch sicher arbeitet. Für das Netzteil sind dies typisch +50 °C, wie zum Beispiel in der Sicherheitszulassung beschrieben, oder auch eine niedrigere Temperatur, um die Lebensdauer zu erhöhen. Als genereller Richtwert gilt, dass sich die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators verdoppelt, wenn die Bauteiletemperatur um 10 K sinkt.

Danach ist die höchste Umgebungstemperatur außerhalb des Gehäuses, welches das Netzteil enthält, zu definieren. Der Unterschied zwischen diesen beiden ist die maximal erlaubte Temperaturerhöhung. Wenn beispielsweise das Netzteil in der Lage ist, bis zu einer Umgebungstemperatur von +50 °C zu arbeiten, und die maximale Systemumgebungstemperatur auf +40 °C spezifiziert ist, beträgt die erlaubte Temperaturerhöhung 10 K.

Der nächste Schritt besteht darin, die abzuführende Verlustleistung zu bestimmen. Die im Gehäuse entstehende Wärme setzt sich aus der Leistung, die von der Last benötigt wird, und der Verlustleistung des Netzteils zusammen. Benötigt zum Beispiel die Last im Normalfall 260 W und verfügt das Netzteil angenommen über einen Wirkungsgrad von 80%, dann beträgt die Gesamtverlustleistung 325 W (260 W/0,8).

Damit lässt sich das benötigte Volumen des Luftstroms berechnen. Hierzu gibt es eine einfache Faustformel, die den Faktor 2,6 verwendet, um den benötigten Luftstrom für eine bestimmte Temperaturerhöhung bei einer gewissen Verlustleistung zu berechnen (Gleichung (1)). In dem vorgenannten Beispiel wäre der benötigte Luftstrom 84,5 m³/h.

(1) L u f t s t r o m space open parentheses i n space m cubed divided by h close parentheses space equals space fraction numerator 2 comma 6 space times space G e s a m t v e r l u s t e space open parentheses i n space W close parentheses over denominator e r l a u b t e space T e m p e r a t u r e r h ö h u n g space open parentheses i n space K close parentheses end fraction
space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space equals space fraction numerator 2 comma 6 space times space 325 over denominator 10 end fraction space equals space 84 comma 5 space m cubed divided by h

Leider ist es gar nicht so einfach wie es scheint, aus dem errechneten Luftstrom den passenden Lüfter auszuwählen. Denn der in den Lüfterdaten angegebene Luftstrom beschreibt diesen bei freiblasendem Betrieb, was aber im realen Leben nicht der Fall ist, da in jedem Gehäuse ein Gegendruck zum Luftstrom erzeugt wird, der die Luftleistung des Lüfters vermindert.

Aufgrund der unterschiedlichen Bauteile und Anordnungen, der Größe des Luftein- und -auslasses und des Querschnitts im Gehäuse, durch den die Luft gepresst wird, sowie vieler weiterer Parameter ist dieser Gegendruck in jeder Anwendung verschieden. Zudem hängt der Gegendruck auch von der Geschwindigkeit ab, mit der die Luft durch das Gehäuse gepresst wird. Eine höhere Luftgeschwindigkeit ergibt einen höheren Gegendruck, aber ein höherer Gegendruck reduziert die Luftgeschwindigkeit. Wenn die Lüfterauswahl nicht sehr sorgfältig vorgenommen wird, kann es zu dem Fall kommen, dass der Lüfter wirkungslos wird, da er nicht mehr in der Lage ist, die Abwärme aus dem Gehäuse zu entfernen. Dieser Fall tritt ein, wenn der entstehende Gegendruck dazu führt, dass die Luftgeschwindigkeit zu gering wird.