Termékajánló
Hírlevél
Házhozszállítás

Fizetési megoldás
Tanúsítvány
SSL Certificate
Blog
2018.10.18 09:17

Hogyan hat a meleg a tápegységekre?

Hogyan hat a meleg a tápegységekre?

A magas környezeti hőmérséklet vagy az eszköz termelte meleg nem csak az akkumulátorokat érinti negatívan, hanem az elektronikus eszközöket is és ezen belül fokozottan a UPS néven is ismert szünetmentes tápegységeket.

Előző cikkünkben a melegnek az akkumulátorokra tett hatásáról írtunk. A magas környezeti hőmérséklet vagy az eszköz termelte meleg azonban nem csak az akkumulátorokat érinti negatívan, hanem az elektronikus eszközöket is és ezen belül fokozottan a tápegységeket.

A tápegységek élettartamát három jellemző stressz tényező befolyásolja: termikus, mechanikai és elektromos. Ezek közül a termikus stressz jelenti a legnagyobb kihívást. A legfontosabb cél a tápegység és a róla üzemelő fogyasztók üzembiztos működése a teljes üzemi hőmérséklet-tartományukon belül.

A tápegységek mérete egyre csökken, teljesítménysűrűségük pedig nő, ami fokozott odafigyelést követel a hatásfokra, illetve a hűtésre mivel az alkatrészek egyre közelebb kerülnek egymáshoz és nincs terük a meleg leadására. Ezért létfontosságú a termikus stressz által okozott hibalehetőségek kiküszöbölése.

A hálózatból felvett energia egy része a tápegységen belül alakul át hővé. Ennek mértékét a tápegység hatásfokából lehet kiszámolni a következő képlettel:

Minél magasabb hatásfokú a tápegység, annál alacsonyabb a disszipációja és annál kevésbé melegszik. Például egy 240W-os, 85%-os hatásfokú tápegység 42W-ot disszipál míg egy ugyanilyen teljesítményű 90%-os tápegység csak 27W-ot, ami jelentős különbség a hűtés szempontjából. Egy magasabb hatásfokú tápegység kevésbé melegíti a környezetét is, ezáltal az általa táplált áramkörök üzembiztonsága is jobb lesz, élettartamuk pedig meghosszabbodik. Ezt a számítást legrosszabb esetre kell elvégezni, azaz maximálisan várható kimeneti terhelésre. Szintén fontos figyelembe venni a hatásfok romlását alacsony bemeneti feszültség mellett. Törekedni kell arra, hogy a rendszer (tápegység + fogyasztók) üzemi hőmérséklete minél alacsonyabban legyen tartva, mivel ez csökkenti a meghibásodási arányt és ezáltal növeli a rendszer üzembiztonságát.

A hatásfok másik fontos jelentősége a méretezés során az üzemi hőmérsékletnek megfelelő teljesítmény csökkentési kényszer. A tápegység gyártók megadják azt a hőmérsékleti küszöböt, ami felett csökkenteni kell a kimeneti teljesítményt, mivel a belső disszipáció miatt felette már nem garantálható a tápegység üzembiztonsága és jelentősen csökken a várható élettartama. Forszírozott hűtés alkalmazásával, mivel a levegő nagyobb sebességgel áramlik át a tápegységen, lehetséges a tápegység magasabb környezeti hőmérsékleten történő üzemeltetése. A méretezésnél ezt figyelembe kell venni és érdemes a fogyasztó teljesítményénél magasabb teljesítményű tápegységet választani.

Fontos kiemelni, hogy egy tápegység melegedését nem kizárólag a hatásfok határozza meg, hanem az áramköri alkatrészek megválasztása és azok elhelyezése is nagyban befolyásolja azt. Jó példa erre az alábbi képen látható összehasonlítás, ahol balra a TDK-Lambda iJB12060A006V DC/DC konvertere látható, míg jobbra egy azonos paraméterekkel és hatásfokkal rendelkező konkurens termék. Szembetűnő, hogy azonos üzemi paraméterek esetén a TDK-Lambda DC/DC konverterének legmagasabb hőmérsékletű pontja 27,2°C-al hidegebb, mint a versenytárs legmagasabb hőmérsékletű pontja.

A hűtésre két alaplehetőség és ezek kombinációja van. A vezetett hűtés, amikor a tápegység egy fém felületre (szerelőlapra) van szerelve és annak adja át az általa keltett meleget, valamint a léghűtés, amikor a tápegységen átáramló levegő hűti az alkatrészeket. A léghűtés lehet konvekciós, amikor az alkatrészek által felmelegített levegő alacsonyabb sűrűsége miatt felfele távozik és helyére alulról hidegebb levegő áramlik be, így természetes módon kialakul egy légáramlás, ami hűti a tápegységet. Minél nagyobb a levegő áramlási sebessége, annál jobb a hűtés hatékonysága, ezért a konvekciós hűtés hatásfoka jelentős mértékben növelhető a levegő ventilátorok segítségével történő forszírozott áramoltatásával. Azonban a ventilátorok alkalmazásánál figyelembe kell venni az okozott hátrányokat: magasabb akusztikus zaj, ami egy csendes környezetben rendkívül zavaró tud lenni és a rendszer csökkenő üzembiztonsága, mivel a ventilátor egy kopó alkatrészekkel rendelkező mozgó részegység, aminek az élettartama korlátozott. Azokban az alkalmazásokban, ahol ventilátor alkalmazása nem megengedett, megoldás lehet a tápegység túlméretezése.

A melegnek rendkívül nagy hatása van az elektronikus berendezések élettartamára és üzembiztonságára. A hőmérséklet függő fizikai folyamatok modellezésére használt Arrhenius egyenlet segítségével számolható az élettartamra kifejtett hatás. Ennek értelmében minden 10°C hőmérséklet emelkedés felezi az alkatrész élettartamát. A legkritikusabb alkatrészek ebből a szempontból az elektrolit kondenzátorok, melyeknek a tervezett élettartama amúgy is viszonylag rövid. Az alábbi táblázatban bemutatjuk egy átlagos, 85°C-on 2000 órára (24 órás üzemben ez mindössze 83 nap!) tervezett élettartamú kondenzátor várható élettartamát különböző hőmérsékleteken.

Hőmérséklet Élettartam
85°C  2 000 óra  83 nap 0,23 év
75°C  4 000 óra  167 nap 0,46 év
65°C  8 000 óra  333 nap 0,91 év
55°C  16 000 óra  667 nap 1,83 év
45°C  32 000 óra  1333 nap 3,65 év
35°C  64 000 óra  2667 nap 7,31 év

 

A környezeti hőmérséklet nem jelenti magának az alkatrésznek a hőmérsékletét, amit melegíthet egy közvetlenül mellette lévő, akár 80-100°C hőmérsékleten üzemelő transzformátor vagy dióda valamint maga az alkatrész is melegedhet a rajta átfolyó áramtól. Tehát a környezeti hőmérsékletet a lehető legalacsonyabb értéken kell tartani, mivel a tápegységen belül a hőmérséklet mindig magasabb.

A fenti példa jól illusztrálja az elektronikus berendezések üzemeltetési hőmérsékletének közvetlen hatását azok élettartamára és üzembiztonságára. A hőmérsékletnek az alkatrészekre gyakorolt hatása kihat az egész berendezés MTBF értékére is. Az alkatrészek élettartamához hasonlóan, 10°C hőmérséklet emelkedés megközelítőleg felezi az MTBF értéket. A gyártók adatlapjaikban megadják az MTBF számításának hőmérsékleti referenciáját. Nem mindegy, hogy a számítás alapja a 25°C hőmérséklet, amit kommersz termékeknél alkalmaznak, vagy az 50°C-os hőmérséklet amit az ipari termékek szokásos számítási alapja.

A hűtés szempontjából lényeges a tápegység szerelési iránya. Amennyiben nem forszírozottan van hűtve, lényeges, hogy a természetes konvekció során kialakuló légáramlat minél jobban át tudja járni a tápegység belsejét és ki tudja onnan vinni a keletkező hőt. A gyártók általában meghatározzák a szerelési irányokat és azok korlátozásait. Általános szempont, hogy a levegő függőleges irányba akadálymentesen tudjon átáramlani és a jobban melegedő alkatrészek legyenek felül, annak érdekében, hogy az általuk keltett meleg minél könnyebben tudjon távozni és minél kevésbé melegítsen egyéb alkatrészeket.