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Stromversorgungsdesign

Grundlagen des Wärmemanagements

5. September 2013, 14:01 Uhr | Arun Ananthampalayam, CUI

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Luftführung richtig designen

Die Derating-Kurve im Datenblatt eines Netzteils beschreibt, um welchen Wert sich die Ausgangsleistung verringert, wenn die Temperatur steigt oder der Luftstrom reduziert wird.

Eine erzwungene Luftkühlung hat erheblichen Einfluss und erlaubt den Betrieb eines Netzteils bei voller Leistung und höheren Umgebungstemperaturen. Die Anforderungen an die erzwungene Luftkühlung werden in Datenblättern meist in Kubikfuß pro Minute (CFM) gelistet. Betrachtet man beispielsweise die Derating-Kurve des »VBM-360« von CUI (Bild 3), das sowohl über eine Baseplate als auch einen Lüfter verfügt, zeigt sich bei einer Erhöhung des Luftstrom um 10 CFM, dass das Netzteil bei Volllast und bei einer Umgebungstemperatur von +60 °C betrieben werden kann.

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Ob die Stromversorgung ein Open-Frame- oder ein geschlossenes Design aufweist, hat ebenfalls einen Einfluss. Das VBM-360 kann als Open-Frame-Netzteil mit 100% seiner Nennlast am 230-V-Netz bis zur Umgebungstemperatur +40 °C mit natürlicher Konvektionskühlung betrieben werden. Bei +60 °C verringert sich die Leistungsabgabe auf 50% seiner Nennlast. In einem Gehäuse kann das Netzteil jedoch mit 60% seiner Nennlast bei einer Umgebungstemperatur von +60 °C betrieben werden.

Luftführung richtig designen

Um die notwendige Luftmenge bereitzustellen, sollte der Lüfter auf den Querschnitt des Netzteils bemessen sein. Die Luft wird dabei so effizient wie möglich über die Oberflächen der Bauteile geleitet. Generell sollte Luft entlang der Längsachse der Stromversorgung gerichtet werden. Eine weitere Erwägung ist jedoch die Form eventueller interner Kühlkörper. Die Rippen der größten Kühlkörper sollten dabei in Richtung des Luftstroms verlaufen, nicht quer dazu.

Der Luftstrom wird durch Hindernisse eingeschränkt: Im Inneren eines Netzteils gibt es viele große, hohe Bauteile, die den Luftstrom behindern, zum Beispiel Elkos und Trafos. Damit sich kein Gegendruck aufbaut, der die Wirksamkeit des Lüfters verringert, sollte die Austrittsöffnung der Luft mindestens das 1,5-Fache der Fläche der Eintrittsöffnung betragen.

Es kann sinnvoll sein, den Lüfter größer zu dimensionieren als erforderlich, da ein größerer Lüfter mehr Luft zur Kühlung bereitstellen kann – und das bei einer niedrigeren Drehzahl als ein kleinerer Lüfter. Durch die niedrigere Drehzahl läuft der Lüfter zudem leiser. Dies ist ein wichtiger Faktor in Anwendungen, die einen leisen Betrieb vorschreiben – wenn Wärmeleitung und natürliche Konvektion nicht ausreichen.

Auch die Ausrichtung des Netzteils innerhalb des Systems kann die Kühlleistung beeinflussen – je nachdem, wie die Bauteile intern angeordnet sind. Da warme Luft nach oben steigt, neigt ein vertikal montiertes Netzteil dazu, Wärme an andere Komponenten weiterzuleiten. Der Warmluftstrom in einem horizontal montierten Netzteil lässt sich dagegen leichter in Richtung Abluftöffnungen verlagern – entweder durch Konvektion oder durch einen Lüfter.

Zusammenfassung

Dem Systementwickler stehen also verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, wenn es um das Wärmemanagement von Stromversorgungen, Netzteilen und des umgebenden Systems geht. Die erzwungene Umluftkühlung durch einen Lüfter ist zwar wirksam, aber nicht immer ideal. Nutzt man effizientere Netzteile, könnte die natürliche Konvektion zusammen mit der Wärmeleitung für den Wärmetransport ausreichen. Alternativ lassen sich Lüfter integrieren, die nur eine geringe Geräuschentwicklung aufweisen und eine Wärmeableitung über einen weiten Temperaturbereich ermöglichen.

Über den Autor:

Arun Ananthampalayam ist Power Marketing Applications Engineer bei CUI