Schaltnetzteile mit hybrider Leitungs- und Konvektionskühlung

Elektronische Anwendungen erzeugen Wärme, die bei übermäßiger Nutzung die Effizienz verringern, die Lebensdauer der Komponenten verkürzen und sogar zu thermischen Ausfällen führen kann. Lüfterbasierte Netzteile werden für viele Anwendungen bevorzugt, aber nicht für solche, bei denen Effizienz, Geräuscharmut und zuverlässige Leistung im Vordergrund stehen.

Zur Aufrechterhaltung optimaler Betriebstemperaturen werden verschiedene Kühlmethoden eingesetzt, die jeweils ihre eigenen Nachteile haben. Herkömmliche Netzteile sind entweder auf eine forcierte Luftkühlung angewiesen, bei der Lüfter die Luft aktiv über die wärmeerzeugenden Komponenten bewegen, oder auf eine passive Konvektionskühlung, bei der Kühlkörper und ein Luftstrom für die Wärmeabfuhr zuständig sind. Weitere Optionen sind Leitungskühlung und Flüssigkeitskühlung.

TRACO Power bietet eine Reihe von lüfterlosen Stromversorgungslösungen für Industrie-, Medizin- und Telekommunikationsanwendungen. Die TCI-Serie des Unternehmens ermöglicht ein verbessertes Wärmemanagement, das wärmebedingte Energieverluste reduziert und die Zuverlässigkeit des Systems im Dauerbetrieb verbessert. Sie bieten eine leitungsgekühlte Stromversorgungslösung unter Verwendung einer geeigneten Grundplatte mit der Option, sowohl Konvektionskühlung als auch forcierte Luftkühlung zu verwenden, was sie sehr vielseitig für eine Reihe von Anwendungen macht.

Abwägung der Optionen

Jede Kühlmethode ist mit Kompromissen bei Effizienz, Größe, Kosten und Zuverlässigkeit verbunden. Bei der Entwicklung von Kühlsystemen für elektronische Geräte sollten die Produktdesigner Folgendes berücksichtigen:

• Anforderungen an die Verlustleistung
• Platzbeschränkungen
• Anforderungen an die Verlässlichkeit
• Kosten und Komplexität

Durch die Auswahl einer geeigneten Kühlstrategie können Entwickler die Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistung verschiedener elektronischer Anwendungen verbessern. Dies sind die typischen Kühlmethoden, die bei der Entwicklung von Anwendungen berücksichtigt werden sollten:

• Konvektion: Die Konvektionskühlung beruht auf der natürlichen Bewegung der aufsteigenden warmen Luft, die durch kühlere Luft ersetzt wird, und ermöglicht so die Wärmeabfuhr ohne aktive Komponenten. Sie ist kostengünstig und zuverlässig, aber nur begrenzt wirksam, insbesondere in geschlossenen Räumen, in denen der Luftstrom eingeschränkt ist. Die passive Konvektionskühlung bietet eine hohe Zuverlässigkeit, eignet sich aber nicht für Hochleistungsanwendungen, die viel Wärme erzeugen.
• Zwangsluftkühlung: Bei der Zwangsluftkühlung werden Lüfter eingesetzt, um die Luft aktiv über die wärmeerzeugenden Komponenten zu bewegen und so die Wärmeableitung zu verbessern. Diese Methode wird häufig in industriellen Stromversorgungen, Computersystemen und Hochleistungselektronik eingesetzt. Lüfter verbrauchen Strom und verursachen Geräusche und potenzielle Fehlerquellen, aber sie verhindern effektiv Überhitzung und thermische Drosselung, um die Systemstabilität in anspruchsvollen Umgebungen zu gewährleisten.
• Kühlkörper: Kühlkörper nutzen die Wärmeleitung, um die Wärme von den Komponenten auf eine größere Oberfläche zu übertragen, so dass die Wärme an die Umgebungsluft abgeleitet werden kann. Die meisten Kühlkörper verfügen über ein geripptes Design, um die Oberfläche zu maximieren und die Kühlung durch natürliche oder erzwungene Konvektion zu verbessern. Während es für kompakte Anwendungen dünne Kühlkörper gibt, sind für hohe Verlustleistungen in der Regel größere Kühlkörper erforderlich.
• Kühlplatten: Kühlplatten verwenden eine dicke Metallgrundplatte, um die Wärme von einem Bauteil wegzuleiten und über einen größeren Bereich zu verteilen.  
• Flüssigkeitskühlung: Die Flüssigkeitskühlung beruht auf einem geschlossenen Kreislaufsystem, bei dem das Kühlmittel die Wärme von den Komponenten aufnimmt und zur Ableitung an einen Kühler oder Wärmetauscher weiterleitet. Diese Methode wird häufig in Hochleistungsanwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Hochleistungsinformatik eingesetzt, wo Lüfter und Kühlkörper allein nicht ausreichen. Die Flüssigkeitskühlung erfordert jedoch zusätzliche Technik, Komplexität und Wartung.
• Wärmeleitpasten: Wärmeleitpasten oder -fette verringern den Wärmewiderstand zwischen elektronischen Bauteilen und Kühloberflächen, leiten die Wärme aber nicht von selbst ab. Durch das Auffüllen mikroskopisch kleiner Luftspalten verbessern diese Verbindungen die Effizienz der Wärmeübertragung und stellen sicher, dass Kühlkörper, Kühlplatten oder Wärmeverteiler effektiv arbeiten können. Einige Wärmeleitpasten dienen auch als Klebstoffe zur Befestigung von Kühllösungen ohne mechanische Befestigungen.

Die Hybridbauweise von TRACO Power

Die Schaltnetzteile der TCI-Serie von TRACO Power verfügen über ein hybrides Gehäusedesign, das sowohl Konvektions- als auch Leitungskühlung unterstützt (Abbildung 1), was sie für unterschiedliche Wärmemanagement-Strategien äußerst vielseitig macht.

Abbildung 1: Das hybride Gehäusedesign von TRACO Power bietet Entwicklern die Möglichkeit der Leitungs- und Konvektionskühlung. (Bildquelle: TRACO Power)

Bei der Leitungskühlung sorgt das Metallgehäuse für eine effiziente Wärmeübertragung an eine angeschlossene Grundplatte, einen Kühlkörper oder ein Gehäuse und ermöglicht so eine passive Wärmeableitung. Dies kann ein bevorzugter Ansatz für geschlossene Gehäuse sein, bei denen ein erzwungener Luftstrom mit Ventilatoren nicht praktikabel oder möglich ist.

Die gekapselten internen Komponenten sind thermisch miteinander verbunden, was die Wärmeverteilung optimiert und eine natürliche Konvektion zur Ableitung überschüssiger Wärme ermöglicht. Bei der Montage im Freien ermöglicht das Hybriddesign in vielen Fällen immer noch eine passive Kühlung, ohne dass zusätzliche Kühlkörper erforderlich sind.

Die TCI-Serie bietet überlegene thermische Eigenschaften, indem sie die besten Eigenschaften von Leitungs- und Konvektionsgehäusen kombiniert. Es kann bei gleichem Formfaktor wie herkömmliche Stromversorgungsdesigns deutlich mehr Leistung ohne Lüfter erzeugen. In einem konduktionsgekühlten Aufbau kann die TCI-Serie laut TRACO Power bis zu 100 % ihrer maximalen Nennausgangsleistung liefern, was sie zu einer idealen Wahl für lüfterlose Anwendungen macht.

Die Hybridbauweise der TCI-Serie sorgt für eine optimale Wärmeübertragung durch eine entsprechende Grundplatte und die effiziente thermische Verbindung der einzelnen Komponenten durch eine spezielle Vergussmasse. Die fortschrittliche Verbindung ermöglicht es den einzelnen Komponenten, mit einem Spitzenwirkungsgrad zu arbeiten, der mit konventionell konzipierten Stromversorgungssystemen nur schwer zu erreichen ist.

Die TCI-Serie wurde speziell für leitungsgekühlte Lösungen mit einem Leistungsbedarf von 130 W bis 500 W entwickelt, was sie besonders für lüfterlose Anwendungen eignet. Mit einer geeigneten Grundplatte können sie sicher mit bis zu 100 % ihrer Nennleistung betrieben werden.

Das 130W-Netzteil TCI 130-124-J (Abbildung 2) ist ein leitungsgekühltes AC/DC-Gehäusenetzteil, das sich auf ein hervorragendes, gleichmäßiges Temperaturkühlverhalten bei maximaler Effizienz konzentriert. Mit einem beeindruckenden Wirkungsgrad von 92 % bietet das Gerät einen Betriebstemperaturbereich von -30 °C bis +50 °C ohne Leistungsminderung und bis zu +80 °C mit Leistungsminderung oder Zwangskühlung. Der Lagertemperaturbereich beträgt -30°C bis +80°C, die Abmessungen sind 80 mm x 59,7 mm x 43,2 mm (3,15" x 2,35" x 1,7").

Abbildung 2: Das TCI 130-124-J von TRACO Power ist ein leitungsgekühltes AC/DC-Netzteil für 130 W. (Bildquelle: TRACO Power)

Das TCI 240-112-J (Abbildung 2) für 240 W hat die gleichen Betriebs- und Lagertemperaturbereiche wie das 130W-Netzteil. Seine Abmessungen betragen 104 mm x 62,5 mm x 39,2 mm (4,1" x 2,46" x 1,54"). Die Modelle TCI 130 und TCI 240 sind serienmäßig in Metallgehäusen untergebracht und bieten bei Montage an einem Chassis oder einer Grundplatte aus Metall eine Ausgangsleistung von 100 %, ohne dass ein Lüfter benötigt wird.

Abbildung 3: Das TCI 240-112-J von TRACO Power bietet bei Montage auf einem Metallgehäuse oder einer Grundplatte 100 % Leistung, ohne dass ein Lüfter erforderlich ist. (Bildquelle: TRACO Power)

Das U-Kanal-Netzteil TCI 500U-124U-T (Abbildung 3) kann bis zu 90 % der maximalen Ausgangsleistung liefern, ohne dass ein Lüfter erforderlich ist. Es verfügt über den gleichen Betriebstemperaturbereich wie die Serien TCI 130 und TCI 240 und hat eine Lagertemperatur von -30°C bis +85°C. Es hat die Abmessungen 130 mm x 83 mm x 40 mm (5,12" L x 3,27" B x 1,57"). Darüber hinaus bietet es Fernaktivierung/-deaktivierung für die Integration in automatisierte Energieverwaltungssysteme und über Fernabtastungseingänge, um Spannungsabfälle bei langen Kabelwegen zu kompensieren.

Abbildung 4: Das TCI 500-124U-T hat eine Ausgangsspannung von 24 VDC und einen Wirkungsgrad von 91 %. (Bildquelle: TRACO Power)

Konsistente thermische und elektrische Eigenschaften der TCI-Serie ermöglichen eine nahtlose produktübergreifende Integration und eine Skalierbarkeit, die es Produktentwicklern ermöglicht, mit Designs mit geringerer Leistung zu beginnen und bei Bedarf auf eine höhere Leistung umzusteigen. Alle drei Leistungsstufen erfüllen die strengen Normen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Isolierung für regulierte Branchen.

Fazit

Lüfterlose, leitungsgekühlte Schaltnetzteile gewährleisten einen geräuscharmen Betrieb, erhöhte Zuverlässigkeit und ein verbessertes Wärmemanagement in industriellen, medizinischen und Telekommunikationsanwendungen. TRACO Power bietet in seiner TCI-Serie drei Leistungsstufen an, die eine Skalierbarkeit der Leistung, kompakte Formfaktoren und weite Betriebstemperaturbereiche ermöglichen. Diese Netzteile lassen sich nahtlos in platzbeschränkte und versiegelte Gehäuse integrieren und bieten hohe Effizienz und Wärmeableitung für das Energiemanagement in anspruchsvollen Umgebungen.