Die UHP-Serie ermöglicht die Kontaktkühlung und zudem die rein konvektionsgekühlte Entwärmung mit Leistungsreduzierung sowie eine aktive Kühlung über einen externen Lüfter.

Die UHP-Serie ermöglicht die Kontaktkühlung und zudem die rein konvektionsgekühlte Entwärmung mit Leistungsreduzierung sowie eine aktive Kühlung über einen externen Lüfter. (Bild: Mean Well)

Immer höhere Wirkungsgrade führen zur immer kleineren Bauformen bei Stromversorgungen, die zugleich immer mehr Funktionen integrieren. Da die Betriebserwartung der verbauten Komponenten, insbesondere der Elektrolytkondensatoren, stark temperaturabhängig ist, sollten die Betriebstemperaturen möglichst unterhalb der erlaubten Maximaltemperaturen liegen. Das macht ein gutes thermisches Design sowie eine geeignete und effektive Wärmeabfuhr entscheidend für den zuverlässigen Betrieb.

Grundsätzlich lassen sich Stromversorgungen auf unterschiedliche Weise kühlen.

Aktive Kühlung über einen integrierten Lüfter

Eine aktive Kühlung einer Stromversorgung über einen integrierten Lüfter ist auf den ersten Blick die einfachste Variante. Der Lüfter ist seitens der Hersteller ausreichend dimensioniert und entsprechend positioniert. Anwender müssen hier die maximal zulässige Umgebungstemperatur und eine ungehinderte Luftzirkulation durch die freien Lüftungsöffnungen beachten. Neben einer unvermeidlichen Geräuschentwicklung hat ein Lüfter den Nachteil, dass Dreck, Staub und sogar Feuchtigkeit durch den Luftstrom in das Gerät gezogen werden können. Auch Ablagerungen an den Lüftungsöffnungen oder an verwendeten Gittern oder Filtern verringern unter Umständen den Luftstrom. Es droht ein Ansprechen der Temperaturüberwachung oder gar der Hitzetod des Geräts. Bei extrem starker Verschmutzung kann der Lüfter blockieren – in der Regel erkennt das die Sensorik und führt zur Abschaltung. Auch können Staubablagerungen auf den Bauteilen im Inneren des Netzteils zu einer unzureichenden Wärmeabfuhr führen und Feuchtigkeit aufnehmen. Dadurch werden Luft- und Kriechstrecken nicht ausreichend eingehalten, die Spannungsfestigkeit sinkt, und eine Funkenbildung sowie eine Schädigung des Produkts ist nicht auszuschließen.

Darum sollte in Anwendungen, bei denen mit starker Verschmutzung zu rechnen ist, beim Einsatz von Lüftern unbedingt auf eine Filterung geachtet werden, ebenso wie auf die regelmäßige Reinigung oder den Wechsel der Filter.

Passenden Lüfter finden

Umgibt ein Gehäuse bzw. die gesamte Anwendung eine Stromversorgung, kann durch die Abwärme die Temperatur im Gehäuse über die zulässige Betriebstemperatur steigen. Dann muss entweder eine Leistungsreduzierung laut Datenblatt berücksichtigt oder für eine Kühlung im umgebenden Gehäuse (z. B. durch einen Lüfter) gesorgt werden. Der bei einer Zwangsbelüftung benötige Volumenstrom lässt sich theoretisch aus der gesamten in Wärme umgewandelten Energie innerhalb des Gehäuses sowie dem maximal zulässigen Temperaturanstieg näherungsweise herleiten. In der Praxis ist es jedoch nicht so einfach, einen geeigneten Lüfter zu bestimmen. Denn je nach Packungsdichte und Platzierung der Bauteile im Gehäuse, Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms, Größe der Ansaug-/Abluftöffnungen und deren Lage sowie eingesetzter Filter, muss der Lüfter einen bestimmten Systemwiderstand überwinden, der nicht immer einfach zu ermitteln ist. Ausgehend von hergeleiteten Werten lässt sich empirisch durch Messen des Luftstroms oder der tatsächlichen Temperaturen an den kritischen Systemkomponenten der tatsächlich geeignete Lüfter bzw. Luftstrom festlegen. Je nach Komplexität der Anwendung ist auch eine thermische Simulation sinnvoll, um den passenden Lüfter und dessen bestmögliche Positionierung genau zu beurteilen.

Kontaktkühlung

Eine Alternative ist die Kontaktkühlung. Hierbei wird ein Großteil der Abwärme über einen Teileverguss mit einer wärmeleitfähigen Vergussmasse unter voller Ausnutzung der Fläche auf eine thermisch optimierte Grundplatte (Baseplate) geführt. Diese muss thermisch z. B. an eine metallische Gehäusewand gekoppelt sein. Alternativ kommt eine äquivalente Metallplatte bzw. Gehäusewand in anderer Bauform oder ein klassischer, im Gehäuse integrierter oder außerhalb angebrachter Kühlkörper mit identischer Wärmeableitfähigkeit zum Einsatz. Auch wenn die Kontaktkühlung einen großen Teil der Wärme ableiten kann, trägt die Luftkonvektion oft noch zu einem Teil dazu bei. Ein Referenzmesspunkt am Gehäuse des Netzteils zeigt die maximale Betriebstemperatur auf. Bei derartig kontaktgekühlten Netzteilen können Lüftungsöffnungen gänzlich entfallen, und mögliche Ausfälle durch Verschmutzung oder Nachteile wie Geräuschentwicklung durch einen Lüfter lassen sich vermeiden.

Open Frame Netzteile bei reiner Konvektionskühlung mit reduzierter Leistung oder aktiv gekühlt mit Nennleistung

Industrie-Schaltnetzteile in offener Bauform (Open-Frame-Netzteile) werden oft entweder bei reiner Konvektionskühlung mit reduzierter Leistung oder aktiv gekühlt mit Nennleistung betrieben. Beispielsweise ist beim EPP-500-24, einem 24-V-Open-Frame-Netzteil von Mean Well im Datenblatt eine konvektionsgekühlte Maximalleistung von 320 W angegeben. Will man dem Netzteil bis zu 500 W Leistung entnehmen, ist eine aktive Kühlung notwendig. Wichtig ist dann die Montageposition, die maximal zulässige Umgebungstemperatur sowie die Dimensionierung und Positionierung des Lüfters. Weicht die Montageposition vom Datenblatt ab, sind die maximal zulässigen Umgebungstemperaturen an den kritischen Einzelkomponenten des Netzteils zu berücksichtigen.

Für maximale Leistung bei aktiver Kühlung liefern die Hersteller Empfehlungen zur Dimensionierung und der genauen Positionierung eines Lüfters direkt am Netzteil, damit die Abwärme im ausreichenden Maße abtransportiert werden kann. Die im Datenblatt angeführte Strömungsrichtung und der Volumenstrom muss direkt am Netzteil gegeben sein, um die volle Leistung entnehmen zu können. Das ist zu beachten, wenn ein Systemlüfter an einer anderen Stelle in der Anwendung positioniert wird. Auch hier muss der Anwender bei einem alternativen aktiven Kühlkonzept die Wärmeentwicklung an den benannten temperaturkritischen Komponenten prüfen und einhalten.

Abbildung und Maßzeichnung mit zu berücksichtigender Positionierung des Lüfters bei der Open Frame Netzteilserie EPP-500
Abbildung und Maßzeichnung mit zu berücksichtigender Positionierung des Lüfters bei der Open Frame Netzteilserie EPP-500. (Bild: Mean Well)
Frank Stocker, Schukat
(Bild: Schukat)

Frank Stocker

Produktmanager Stromversorgung bei Schukat

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