Als Systemingenieur möchte man ein zuverlässiges und langlebiges Netzteil erwerben, auf das man sich verlassen kann. Ein Ausfall des Geräts nach kurzer Zeit ist ärgerlich, kostspielig und zeitaufwendig.
Wärme ist der Erzfeind für eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit:
Die Mindestlebensdauer der Netzteile wird durch die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren bestimmt wird. Je wärmer es ist, desto schneller trocknen die Elektrolytkondensatoren aus. Schon ein Temperaturanstieg von +10 °C im Netzteil halbiert deren Lebensdauer. Um eine möglichst lange Lebensdauer von Hutschienen-Netzteilen erreichen zu können, ist es essenziell, dass das Gerät vor einer Überhitzung geschützt ist. Das Kühlkonzept in der Stromversorgung ist dafür ein wichtiger Faktor. Idealerweise ist das Netzteil also so gebaut, dass erst gar keine Wärme im Gerät entsteht. In der Praxis ist der Idealfall aufgrund der Leistungsverluste aber nicht möglich.
Das PULS Cool-Design sorgt für eine lange Lebensdauer
Für eine lange Lebensdauer von Netzteilen muss die Wärmeentwicklung in den Geräten möglichst gering sein. Unter „Cool Design“ definiert PULS das Zusammenwirken von drei wesentlichen Punkten, die zu einer geringen Wärmeentwicklung führen: Erstens dem durchgängig hohen Wirkungsgrad, zweitens der optimierten Abführung von Verlustwärme an die Umgebung des Geräts und drittens der durchdachten Anordnung temperaturempfindlicher Bauteile im Gerät.
Eine höhere Effizienz bedeutet weniger Wärme
Ein wesentlicher Faktor für wenig Wärmeerzeugung im Netzteil ist, eine hohe Effizienz der Geräte. Die Effizienz der Netzteile wird auch als Wirkungsgrad bezeichnet.
Der Wirkungsgradwert beschreibt das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung einer Stromversorgung. Die Differenz wird als Verlust in Wärme umgewandelt. Der Vorteil eines hohen Wirkungsgrades liegt bei näherer Betrachtung auf der Hand. Die geringeren Energieverluste lassen gar nicht erst viel Wärme entstehen und reduzieren so den Aufwand der Kühlung. Dadurch erreichen die Elektrolytkondensatoren die vom Herrsteller spezifizierte Lebensdauer. Ebenso wird die Zuverlässigkeit des gesamten Gerätes erhöht (siehe Grafik 2).
Hohe Wirkungsgrade machen erst die kleinen Bauformen möglich. Durch die geringere Wärmeerzeugung im Gerät können Kühlkörper zum Teil weggelassen werden (siehe Grafik 2). Aber auch die Teillastwirkungsgrade gewinnen immer mehr an praktischer Bedeutung. Üblicherweise werden Stromversorgungen nicht permanent unter Volllast betrieben. Für die thermische Auslegung von Schaltschränken sind daher die Verluste der typischen Auslastung heranzuziehen (siehe Grafik 3 am Beispiel CP20.241).
Zu beachten sind auch die Verluste im Leerlauf. Diese sollten ebenfalls gering sein, um nicht schon im „Stand-by-Betrieb“ einen thermischen Stress im Schaltschrank zu verursachen.
Die Regel lautet: Je höher der Wirkungsgrad ist, desto geringer ist die Verlustleistung einer Stromversorgung in Form von Wärme.
Optimierte Entwärmung ist essenziell für die Langlebigkeit
Wärme belastet die Lebensdauer der Komponenten. Neben einem hohen Wirkungsgrad ist ein weiterer Faktor für eine lange Lebensdauer ein gutes Kühlkonzept.
Trotz eines hohen Wirkungsgrads geht immer ein geringer Anteil der Energie verloren. PULS Geräte haben mit einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 95,6% . Die verbleibenden 4,4% der aufgenommenen Eingangsleistung gehen verloren. Die von den Verlusten erzeugte Wärme ist unumgänglich und muss direkt an die Umgebung abgegeben werden. Hierzu dienen die Gehäuseaußenflächen und der Konvektionsluftstrom, der das Gerät durchströmt. Der Konvektionsluftstrom soll ungehindert zwischen den Bauteilen fließen können.
In der Praxis lässt sich das aber schwer umsetzen. Netzteile werden immer komplexer und gleichzeitig kleiner. Der Platz innerhalb des Gerätes ist knapp. Umso wichtiger ist es, Kühlkanäle zu installieren und diese gleichwertig zu den anderen Bauteilen im Gerät zu betrachten. Neben den installierten Kühlkanälen bieten sich auch kurze und direkte Anbindungen der Wärmeerzeuger an, um möglichst wenig Wärme im Gerät zu behalten. Ein ausgeklügeltes Kühlkonzept macht interne Kühlkörper oft überflüssig. Das kommt dem geringen Gewicht zugute und senkt auch deutlich die Kosten der Stromversorgung.
Die richtige Bauteilanordnung ist der Schlüssel
Die optimale Anordnung von temperaturempfindlichen Bauteilen ist essenziell für eine lange Lebensdauer der Geräte.
Schaltungsentwickler neigen dazu, das Layout der Bauteile nach den elektrischen Anforderungen zu optimieren. Sie gehen dabei nicht selten Kompromisse im thermischen Design ein. Um eine möglichst lange Lebensdauer gewährleisten zu können, müssen lebensdauerbestimmende Bauteile in den kühleren Bereichen platziert werden. Temperaturempfindliche Bauteile sind vor allem Elektrolytkondensatoren, Varistoren und Optokoppler. Die Elektrolytkondensatoren können in der Nähe des kühlen Luftstroms platziert werden.
Der Praxistest: Ein Netzteil unter einer Wärmebildkamera
Mit Hilfe der Thermografie kann bewiesen werden, dass diese Maßnahmen zu einem kühlen Netzteil beitragen. Die Thermografie ermöglicht den Blick ins Innere der Hutschienen-Netzteile. Sie sind gerade bei konvektionsgekühlten Schaltnetzteilen sehr aufschlussreich.
Der Praxistest mit einer Hightech-Wärmebildkamera zeigt die Hot Spots im Gerät, die Wärmeentwicklung in bestimmten Bereichen und die Position der Bauteile, die sich am stärksten erwärmen. Das Gerät kann aufgrund des „Cool Designs“ unter Last sein volles Potential entfalten ohne zu überhitzen.
Bei der Konvektionskühlung wird die warme Luft durch eine Strömung nach außen geleitet. Den Effekt eines funktionierenden Luftstroms kann man durch die Thermografie belegen.
Das nebenstehende Thermografiebild eines PULS CP10 zeigt deutlich, dass sensible Bauteile, wie die Elektrolytkondensatoren (Bildbeschriftung: 1, 2, 3, 4, 5), ideal platziert wurden und kühl bleiben (siehe Grafik 4 + 5).
Die geringere Wärmeentwicklung eines Netzteils schützt alle im Schaltschrank verbauten Komponenten
Die geringeren Verluste sorgen nicht nur für eine längere Lebensdauer der Stromversorgung, sondern auch für eine längere Lebensdauer aller im Schaltschrank verbauten Komponenten. Stromversorgungen sind üblicherweise ein „Hot Spot“ in Schaltschränken. Gerade deshalb sind bei Stromversorgungen die maximal erlaubten Temperaturen von Bedeutung. Auch wenn der Schaltschrank mit „nur“ 45 °C spezifiziert ist, kann es durchaus in der unmittelbaren Umgebung der Stromversorgung zu höheren Temperaturen kommen.
Ein kurzes Beispiel:
Bei einem Versuchsaufbau wird eine DIMENSION CP10.241 Stromversorgung in einer Box (3,15 l Volumen) platziert und mit 80 % der Nennleistung belastet. Nach 4 h Betriebszeit stellt sich in der Box eine Temperaturerhöhung von ca. 19 °C ein. Würde ein Gerät mit einem um nur 6,7 % schlechteren Wirkungsgrad eingesetzt werden (88,5 % anstelle von 95,2 %) würde die Temperaturerhöhung im Schaltschrank um 16,3 °C höher sein. Bereits bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C halbiert sich die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren.
