Der Wirkungsgrad sagt uns, wie viel Prozent der aufgewendeten Leistung «nutzbringend» verwendet wird und wie viel als Abwärme geopfert wird. Die Hersteller arbeiten permanent an der Wirkungsgradverbesserung – ein Vorhaben, das auch dem Umweltschutz dient. Eine Faustformel gilt für alle Komponenten: weniger Wärmeverluste = längeres Leben. Die Effektivität der Einzelkomponenten geht ein in die Bestimmung der Effektivität der ganzen Baugruppe bzw. des gesamten Gerätes. Wobei der verfrühte Ausfall eines einzigen Bauteils, alle Bemühungen um die Lebensdauerverlängerung zunichte machen kann.
Für ein offensives Wärmemanagement gibt es zwei wichtige Motive: die Lebensdauer der Geräte zu strecken und den Energieverbrauch zu drosseln. Hersteller, die es mit dem Wärmemanagement ernst meinen, verstärken ihr Einkaufsteam. Der Netzteilspezialist TDK-Lambda gehört zu den Firmen, die die Suche nach qualitativ hochwertigen Bauteilen weltweit ausgedehnt haben. Denn auch in der Elektronikindustrie gilt, dass das Billigste nicht das Beste ist. TDK-Lambda hat Einkaufsregeln aufgestellt und in den sogenannten «Green Procurement Guidelines» festgehalten.
Wettrennen nach energieeffizienten Bauteilen läuft weltweit
Bauteilkategorien, die in Stromversorgungen Sorgen bereiten, sind Übertrager, Halbleiter und integrierte Schaltkreise. Das Wettrennen nach verbesserten Materialien, wie für Ferrit-Kerne, läuft weltweit auf vollen Touren. Energieeffiziente Bauteile zu finden ist bisweilen eine Sisyphusarbeit. Aber jede noch so kleine Verbesserung bei den Bauteilen trägt zur Steigerung der Geräteeffizienz bei. Sichtbare Ergebnisse gibt es bei neuen Übertragerkonzepten, Kernen, Silicon Carbide (SiC) Dioden, MOSFETs usw. und neuen Topologien, wie Resonanzkonverter und Synchrongleichrichter. Sie erlauben die Entwicklung und Produktion von Stromversorgungen mit einer sehr hohen Effizienz. Das gilt sowohl für die Leistungsaufnahme im Standby wie auch im Betrieb über einen sehr weiten Leistungsbereich. Für viele Geräteausfälle gibt es oft eine ganz harmlose Erklärung: es ist ein Elko zerstört, hat einen inneren Kurzschluss bekommen, der die ganze Schaltung lahmlegen kann. Elkos sind das Sorgenkind vieler Hersteller. Die simple wie erschreckende Formel für die Lebenserwartung von Elkos lautet: Wird die Temperatur des Elkos um 10 °C erhöht, halbiert sich seine Lebenserwartung. Das gilt natürlich auch umgekehrt: Wird die Temperatur des Elkos um 10 °C gesenkt, verdoppelt sich die Lebenserwartung. Also gilt auch hier: Gute Kühlung ist der Schlüssel zu verlängerter Lebenserwartung.
Diese Netzteile entsprechen der ErP-Richtlinie
Ein Beispiel für konsequent umgesetztes Wärme- und Lebensdauermanagement ist die Baureihe ZWS-B von TDK-Lambda. Diese Generation von Netzteilen für Leiterplattenmontage ist um 30 % kleiner, leichter und effizienter als die Vorgängerreihe ZWS. Besonders langlebige Komponenten wie Elkos erlauben eine deutlich verlängerte Lebensdauer. Die neue Reihe ist das Ergebnis der «Green Product»-Initiative von TDK-Lambda. Die Netzteile der Baureihe ZWS-B haben ein optimiertes Schaltungsdesign, das die internen Verluste reduziert und so den Wirkungsgrad steigert. Bemerkenswert ist die geringe Leerlaufleistungsaufnahme von unter 0,5 W. Damit entsprechen diese Netzteile den Energiespar-anforderungen der ErP-Richtlinie (Energy-related Products).
Substanzielle Verbesserungen erzielen
Man muss sich klar machen, dass auch scheinbar kleine Verbesserungen des Wirkungsgrades in respektablen Einsparungen der Verlustleistung resultieren. Beispiel: ein 450-W-Gerät mit 90 % Wirkungsgrad generiert Verluste von knapp 45 W. Gelingt es, den Wirkungsgrad von 90 auf 94 % zu verbessern, sinkt die Verlustleistung von 45 auf 25 W. Das aber entspricht einer Reduktion von 43 % und stellt eine substanzielle Verbesserung dar.
Wir begegnen immer wieder Richtlinien wie ErP und Energy Star. Diese Vorgaben gelten zwar momentan nur für IT Equipment, externe Netzgeräte und hochvolumige Konsumgeräte, dennoch benutzt TDK-Lambda die ErP-Richtlinie als Basisvorgabe für die eigene Entwicklung neuer Industriestromversorgungen. Energy Star V wird überwiegend in den USA angewendet und beinhaltet ähn-liche Vorgaben. Gefordert wird beispielsweise, dass der durchschnittliche Wirkungsgrad für Ausgangsleistungen zwischen 25 und 100 W höher als 87 % sein muss. Wärme die nicht erzeugt wird, muss auch nicht weggekühlt werden. Durch höhere Integration der verwendeten Komponenten sowie neue Topologien wird die Anzahl der Bauteile verringert. Das ermöglicht kleinere Bauformen und erhöht die Zuverlässigkeit der Geräte. Auch für Stromversorgungsgeräte gibt es eine Lernkurve: die Kosten für Geräte einer neuen Generation lassen sich im Vergleich zu den Vorgängern manchmal bis zu 30 % senken. Die Leistungsdichte der Stromversorgung eines Gerätes ist in der Regel höher als die Leistungsdichte der einzelnen Komponenten, die sie versorgt. Dazu gehören Steuerungen, Schnittstellen, Eingabegeräte, Motoren, Laser, Peltiers und Displays. Jede dieser Komponenten bezieht nur einen Teil der Energie, die durch die Stromversorgung fliesst, Kühlung ist hier also eher Nebensache im Gegensatz zur Stromversorgung selbst. Bei der Kühlung der Stromversorgung unterscheidet man bei TDK-Lambda vier unterschiedliche Konzepte.
- Geräte, die Konvektion benötigen: Hier wird die Einbaulage zum entscheidenden Faktor. Unterschiedliche Einbaulagen resultieren in unterschiedlicher Kühlung. Deshalb muss je nach Einbausituation ein Leistungsderating in Kauf genommen werden, das heisst, es steht nur ein Teil der Ausgangsleistung zur Verfügung. Manche Einbaulagen wie die Über-Kopf-Montage, verbieten sich von selbst. Damit Konvektion entstehen kann, müssen Lufträume vorhanden sein. Auch sollten zwischen den einzelnen Komponenten Mindestabstände eingehalten werden, die allerdings von Gerät zu Gerät unterschiedlich sind
- Geräte, die einen Luftstrom benötigen, etwa in einem U-Chassis, sind dann eine gute Wahl, wenn bereits eine Systemlüftung vorhanden ist und aus Zuverlässigkeits-, Lärm-, bzw. Verschmutzungsgründen auf zusätzliche Lüfter verzichtet werden soll
- Geräte mit eingebauten Lüftern sind fast immer einfach in die jeweiligen Anwendungen integrierbar. Aber auch hier gilt es, einige Einbautipps zu beachten: Der Lüfter sollte grundsätzlich nie von oben nach unten blasen, da er dann gegen die natürliche Konvektion arbeiten muss und die volle Kühlleistung nicht erreicht wird. Auf der Ansaug- wie auch auf der Ausblasseite müssen genügend grosse Öffnungen vorhanden sein, um den Luftstrom nicht zu beeinträchtigen. Als Faustformel gilt, dass die Luftöffnungen und Abstände zu anderen Geräten mindestens so gross sein sollen wie der Gerätequerschnitt an Luftein- und -auslass
- Geräte für Kontaktkühlung, also mit Kühlplatte, benötigen zur Wärmeabfuhr geeignete Kühlkörper oder sonstige «kühle Platten». Die zulässige Temperatur der Kühlfläche (Baseplate) ist im Instruction Manual zu finden und kann bis zu 100 °C betragen
Bestimmte Branchen, wie die Lebensmittel-industrie, verlangen den Einbau von Stromversorgungen in geschlossene Gehäuse. Dabei sind eine ganze Reihe von Normen und Vorschriften zu beachten. Eine besondere Herausforderung ist die Wärmeabfuhr ohne Ventilationsöffnungen. Um sicher zu gehen, dass alle Bauteile einer Stromversorgung wirklich ausreichend gekühlt werden, sollten die Temperaturen kritischer Bauteile gemessen werden. In den meisten Fällen reicht dazu die Aufnahme mit einer Wärmebildkamera. Exaktere Nachmessungen verlangen das Anbringen von Thermosensoren an den Bauteilen. Gerade wenn Geräte eingebaut werden, die einen Luftstrom benötigen aber keinen eigenen Lüfter haben, trägt der Anwender die Verantwortung für die ausreichende Bauteilkühlung. Bei grösseren Geräten kann es durchaus vorkommen, dass die Temperaturen von 20 bis 30 Bauteilen gemessen werden müssen, um einen störungsfreien Betrieb über viele Jahre sicherzustellen. TDK-Lambda bietet für diverse Geräte die Bestückung mit Thermosensoren an. Mit dem «Thermocouple Sample» erhält der Kunde eine Tabelle, in die er die gemessenen Bauteiltemperaturen einträgt. Der Hersteller legt die Messprotokolle bei den Sicherheitsdokumenten ab. Werden die maximal erlaubten Temperaturen nicht überschritten, so bleiben auch die Sicherheitszulassungen für die Geräte gültig.
Infoservice
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