Bei einem konvektionsgekühlten Gerät ist der Wirkungsgrad wichtiger, als bei einem Lüftergekühlten. Schließlich ist es bei forcierter Kühlung und der damit verbundenen Wärmeabfuhr mittels der bewegten Luft nicht so kritisch, ob das eine oder andere Watt mehr an Verlustleistung entsteht. Allerdings bedeutet jedes Prozent mehr Wirkungsgrad weniger Verlustleistung. Mit neuen Technologien werden dabei immer bessere Wirkungsgrade erreicht.
Bei der Auswahl eines konvektionsgekühlten Netzteils wird sicherlich das technisch und kommerziell bestmöglich passende Gerät gewählt. Soll ein Gerät mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zum Einsatz kommen, bietet sich etwa das CCB200 von XP mit einem Wirkungsgrad von 94 Prozent an. Bei einer Grundfläche von 3 x 5 Zoll generiert dieses 200W eine Verlustleistung von 12W. Für kostensensitivere Applikationen kommt unter Umständen das Modell GCS180 in Frage. Es liefert konvektionsgekühlt 150 W bei einem Wirkungsgrad von 92 Prozent.
Es ist ratsam die Informationen des Herstellers zum Wirkungsgrad zu prüfen, da ansonsten die Kühlung im System unter Umständen ein Problem werden kann. Dabei sind verschiedene Punkte zu beachten, da diese Einfluss auf die in den Datenblättern genannten Wirkungsgradwerte haben. Es handelt sich bei diesen Werten im Allgemeinen um die Maximalwerte, welche nicht über den ganzen Spezifikationsbereich verfügbar sind.
So hat unter anderem die Eingangsspannung Einfluss auf den Wirkungsgrad. So ist in den USA, wo die Netzspannung nur etwa die Hälfte der Spannung in Europa beträgt, etwa der doppelte Eingangsstrom erforderlich um dieselbe Ausgangsleistung zu liefern. Durch den höheren Eingangsstrom wird in verschiedenen Bauteilen mehr Verluste erzeugt, darunter leidet der Wirkungsgrad. Bei der ausschließlichen Betrachtung der ohmschen Verluste, in der die Verlustleistung I2R ist, steigen diese bei der Verdopplung des Stroms ( bei der Reduktion der Netzspannung von 230 VAC auf 115 VAC ) um Faktor 4. Bei der Reduktion von der US Versorgungsspannung (115 VAC) auf die in Japan vorhandenen 90 VAC steigt der Eingangsstrom um weitere 28 Prozent, was wiederum 65 Prozent mehr ohmsche Verluste ergibt. In vielen Datenblättern ist aber nur der Wirkungsgrad im 230 VAC Bereich angegeben.
Bewertung der Leistung bei Konvektionskühlung
Als nächstes sollte man die Wirkungsgradkurven im Datenblatt betrachten. Es mag überraschen, dass es keinen Industriestandard gibt um diese Informationen darzustellen, daher variieren die Praktiken diese darzustellen sehr stark. Geräte werden in der Regel in Klimakammern getestet, wobei diese oft über interne Ventilatoren verfügen um die Temperatur konstant zu halten. Dadurch wird ein Luftstrom um das zu testende Netzteil erzeugt. Dies ist aber unbedingt zu vermeiden, wenn man die Bauteiletemperaturen unter Konvektionskühlung ermitteln will! Selbst ein schwacher Luftstrom hat in dieser Konstellation signifikante Auswirkungen auf die Entwärmung der Geräte.
Bei XP werden die Testgeräte im Klimaschrank in eine geschlossene Box platziert und die Betriebstemperatur innerhalb dieser eingestellt, um so ein genaues Bild der Geräteperformance zu erhalten. Damit schafft man Gleichartigkeit und Wiederholbarkeit der Tests auch in verschiedenen Entwicklungsstätten, was bei thermischen Tests immer eine Herausforderung darstellt. Obwohl die Informationen darüber, wie die Gerätetests durchgeführt wurden, einen großen Einfluss auf die ermittelten Werte hat, sind diese Informationen nie in den Datenblättern aufgeführt.
Um die Anforderungen der Sicherheitszulassungen zu erfüllen gelten Maximaltemperaturen mit denen die unterschiedlichen Komponenten betrieben werden können. Dies gilt für Industrie-, IT und auch Medizinzulassungen. Es ist aber zu beachten, dass es sich bei diesen Temperaturen um die absoluten Höchsttemperaturen handelt, und nicht um die empfohlenen Temperaturen im normalen Betrieb. Wird ein Gerät dauernd mit den maximalen Temperaturen betrieben, erfüllt es zwar die Vorgaben der Sicherheitszulassungen, aber seine Lebensdauer leidet darunter. Um eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen ist das System darum so kühl wie möglich zu betreiben.
Tipps und Tricks
Folgende Punkte sind beim Design In von konvektionsgekühlten Netzteilen zu beachten: Die Geräte entweder liegend mit den Bauteilen nach oben oder stehend einbauen, aber niemals über Kopf! Da die vom Netzteil erzeugt Warmluft nach oben steigt, ist der Einbau mit der Platine oben nicht empfehlenswert, da so keine Wärmeablösung erfolgen kann. Auch andere Teile des Systems, die Verlustwärme erzeugen werden, sollten nicht außer Acht gelassen werden. Ist in dem System eine große CPU oder ein Display eingesetzt? Was ist mit Motoren oder Pumpen? Diese verlustleistungserzeugenden Komponenten erfordern auch Kühlung und addieren die Verlustleistung zur Gesamtverlustleistung im System.
Steve Elliott ist Sales Director Germany bei XP Power.