Warum Temperatur- und Lastbedingungen wichtig sind
Netzteile (Power Supply Units, PSUs) sind die stillen Helden der modernen Elektronik, die Netzspannung in stabile, nutzbare Energie umwandeln. In Industrieanlagen und Automatisierungssystemen sind DIN-Schienen-Netzteile die erste Wahl für eine zuverlässige und effiziente Stromversorgung. Wie alle elektronischen Komponenten und Geräte funktionieren auch Netzteile nicht im luftleeren Raum. Umgebungsbedingungen, insbesondere die Umgebungstemperatur, können die Leistung von Netzteilen beeinflussen.
Thermisches Derating ist ein häufiges Thema beim Design von Stromversorgungen für Industrie- und Automatisierungsanwendungen. In diesem Blog werden die Grundlagen des thermischen Deratings erläutert, einschließlich Umgebungstemperatur, lastabhängiges Derating, Konvektion im Vergleich zur Zwangsluftkühlung und die Bedeutung des PCB-Layouts in Netzteilen.
Was ist die Umgebungstemperatur?
Beginnen wir mit den Grundlagen. Der Begriff »Umgebungstemperatur« bezeichnet die Temperatur der Luft, die ein Gerät umgibt. Bei einem DIN-Schienen-Netzteil, das in einem Schaltschrank montiert ist, bezieht sich dieser Wert auf die Temperatur im Inneren des Schranks – nicht auf die Gehäusetemperatur des Netzteils oder die Raumtemperatur außerhalb. Dies ist ein entscheidender Unterschied, da die Fähigkeit eines Netzteils, Wärme abzuführen, von der Temperaturdifferenz zwischen seinen Komponenten und der Umgebungsluft abhängt. Ist die Umgebungstemperatur hoch, kann das Netzteil sich weniger effektiv kühlen, was zu thermischer Belastung führt.
Was ist thermisches Derating?
Der Begriff »thermisches Derating« bezeichnet die Verringerung der maximalen Ausgangsleistung eines Netzteils mit steigender Umgebungstemperatur. Es ist eine Schutzmaßnahme gegen Überhitzung. Jede Netzteileinheit hat eine thermische Hülle, in der sie sicher betrieben werden kann. Beispielsweise kann ein Gerät bis zu einer Umgebungstemperatur von 50°C 100% seiner Nennleistung liefern. Darüber hinaus muss die Leistung möglicherweise linear auf 50% bei 70°C reduziert werden. Das Ignorieren des thermischen Deratings kann zu Überhitzung, verkürzter Lebensdauer, thermischer Abschaltung und sogar zu katastrophalen Ausfällen führen.
Was ist Last-Derating?
Der Begriff Last-Derating ist weiter gefasst und umfasst neben dem thermischen Derating auch die Reduzierung der Ausgangsleistung aufgrund anderer Faktoren, darunter die folgenden:
- Höhe (weniger Luft = weniger Kühlung)
- Schlechte Belüftung
- Eingangsspannung (z. B. liefern einige Netzteile einen geringeren Ausgangsstrom, wenn ihre Eingangsspannung abfällt)
Im Wesentlichen ist das thermische Derating eine Art von Last-Derating, das speziell durch erhöhte Temperaturen ausgelöst wird.
Konvektion vs. Umluftkühlung
Es gibt zwei Hauptmethoden zur Kühlung elektronischer Komponenten:
- Konvektionskühlung: Nutzt den natürlichen Luftstrom. Diese Form der Kühlung ist leise, einfach und bezieht keine beweglichen Teile ein.
- Zwangsluftkühlung: Verwendet Lüfter, um Luft durch Komponenten zu drücken oder zu ziehen. Diese Form der Kühlung ist bei der Wärmeabfuhr effektiver, hat jedoch auch Nachteile.
Lüfter können laut sein. Sie enthalten bewegliche Teile, die ausfallen können, und ohne geeignete Filter (die selbst gereinigt oder anderweitig gewartet werden müssen) neigen sie dazu, Staub in das System zu saugen oder hineinzublasen. Dieser Staub kann sich auf Komponenten absetzen und diese isolieren, wodurch die Kühleffizienz verringert und möglicherweise langfristige Schäden verursacht werden. Obwohl Lüfter im Gehäuse installiert werden können, sollten DIN-Schienen-Netzteile möglichst ohne interne Lüfter auskommen – das vereinfacht die Installation, senkt die Kosten und erhöht die Zuverlässigkeit.
Was ist der Kamineffekt?
Der Schornstein- oder Kamineffekt ist ein Phänomen, bei dem die Luftbewegung durch Temperaturunterschiede zwischen zwei vertikalen Bereichen, typischerweise innerhalb eines Schornsteins, Gebäudes oder eines elektronischen Gehäuses, angetrieben wird. Er funktioniert folgendermaßen. Da warme Luft weniger dicht ist als kühle Luft, steigt sie auf natürliche Weise nach oben. Entweicht sie aus der Oberseite eines Gehäuses (oder Schornsteins), entsteht eine Niederdruckzone an der Unterseite. Dieser Unterdruck zieht kühlere Luft von unten an und erzeugt einen kontinuierlichen Aufwärtsluftstrom.
In Netzteilen kann der Kamineffekt zur passiven Kühlung genutzt werden. Wärmeerzeugende Komponenten wie Leistungstransistoren und Transformatoren erhitzen die Luft im Inneren des Netzteils, wodurch sie aufsteigt. Durch die Lüftungsschlitze an der Oberseite kann die heiße Luft entweichen, während durch die Lüftungsschlitze an der Unterseite kühlere Luft angesaugt werden kann, wodurch ein natürlicher Konvektionsluftstrom durch das Gerät aufrechterhalten wird. Indem sie die Abhängigkeit von aktiven Komponenten wie Lüftern reduziert, die mit der Zeit ausfallen können, verbessert die passive Kühlung auf Basis des Kamineffekts sowohl die Wartbarkeit als auch die Zuverlässigkeit. Gleichzeitig ermöglicht die lüfterlose Ableitung überschüssiger Wärme einen geringeren Energieverbrauch und eine reduzierte Geräuschentwicklung.
Welche Rolle spielt das PCB-Layout?
Das Layout der Leiterplatte (PCB) hat einen erheblichen Einfluss darauf, wie effektiv ein Netzteil (PSU) mit Wärme umgeht. Ein starkes thermisches Design umfasst:
- Strategische Platzierung heißer Komponenten.
- Breite Kupfergüsse zur Wärmeverteilung.
- Ausreichender Abstand zwischen wärmeerzeugenden Teilen.
- Durchdachte Höhe und Ausrichtung der Komponenten, um den Kamineffekt zu erleichtern und den Luftstrom zu fördern.
Zusammen verbessern diese Entscheidungen die passive Kühlung und verlängern die Lebensdauer der Komponenten.
Zusätzliche Ressourcen
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