Cum afectează căldura sursele de alimentare?

Temperaturile ambiante ridicate sau căldura generată de dispozitiv nu vor afecta doar negativ bateriile, ci și dispozitivele electronice și, într-o măsură mai mare, sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS-uri).

În articolul nostru anterior, am scris despre efectele căldurii asupra bateriilor. Cu toate acestea, temperaturile ambiante ridicate sau căldura generată de dispozitiv nu vor afecta doar negativ bateriile, ci și dispozitivele electronice, inclusiv sursa de alimentare.

Durata de viață a surselor de alimentare este afectată de trei factori de stres tipici: termic, mecanic și electric. Dintre acestea, stresul termic este cea mai mare provocare. Cel mai important obiectiv este funcționarea fiabilă a sursei de alimentare și a consumatorilor care operează pe aceasta în întreaga gamă de temperatură de funcționare.

Dimensiunea surselor de alimentare este în scădere și densitatea lor de putere este în creștere, ceea ce necesită o atenție sporită la eficiență și răcire pe măsură ce componentele se apropie din ce în ce mai mult și nu există loc pentru disiparea căldurii. Prin urmare, este vital să se elimine posibilitatea erorilor cauzate de stresul termic.

O parte din energia absorbită din rețea este transformată în căldură în interiorul sursei de alimentare. Extinderea acestui lucru poate fi calculată din eficiența sursei de alimentare utilizând următoarea formulă:

Cu cât eficiența sursei de alimentare este mai mare, cu atât disiparea este mai mică și cu atât se încălzește mai puțin. De exemplu, o sursă de alimentare de 240W cu 85% eficiență disipează 42W, în timp ce o sursă de alimentare de 90% cu aceeași putere disipează doar 27W, ceea ce reprezintă o diferență semnificativă în ceea ce privește răcirea. O sursă de alimentare cu eficiență mai mare încălzește, de asemenea, mai puțin mediul, ceea ce va îmbunătăți siguranța operațională a circuitelor pe care le furnizează și le va prelungi durata de viață. Acest calcul trebuie efectuat în cel mai rău caz, adică sarcina maximă de ieșire așteptată. De asemenea, este important să se ia în considerare degradarea eficienței la o tensiune redusă de intrare. Ar trebui depuse eforturi pentru a menține temperatura de funcționare a sistemului (sursa de alimentare + consumatori) cât mai scăzută posibil, deoarece aceasta reduce rata de defecțiune și crește astfel siguranța operațională a sistemului.

O altă importanță importantă a eficienței în timpul dimensionării este constrângerea de reducere a puterii corespunzătoare temperaturii de funcționare. Producătorii de surse de alimentare specifică pragul de temperatură peste care trebuie redusă puterea de ieșire, deoarece disiparea internă nu mai poate garanta siguranța operațională a sursei de alimentare și reduce semnificativ speranța sa de viață. Prin utilizarea răcirii forțate, deoarece aerul curge prin sursa de alimentare la o rată mai mare, este posibil să se opereze sursa de alimentare la o temperatură ambientală mai mare. Acest lucru trebuie luat în considerare la dimensionare și este recomandabil să alegeți o sursă de alimentare cu o capacitate mai mare decât consumatorul.

Este important să subliniem că încălzirea unei surse de alimentare nu este determinată doar de eficiență, ci este, de asemenea, influențată de alegerea componentelor circuitului și de amplasarea acestora. Un bun exemplu în acest sens este comparația prezentată în imaginea de mai jos, unde convertorul TDK-Lambda iJB12060A006V DC/DC este afișat în stânga și un produs concurent cu aceiași parametri și eficiențe în dreapta. Este izbitor faptul că, cu aceiași parametri de funcționare, cel mai înalt punct de temperatură al convertorului TDK-Lambda DC/DC este cu 27,2 ° C mai rece decât cel mai înalt punct de temperatură al concurentului.

Există două opțiuni de bază pentru răcire și o combinație a acestora. Răcirea efectuată, atunci când sursa de alimentare este montată pe o suprafață metalică (placa de montare) și transferă căldura pe care o generează către ea, și răcirea cu aer, atunci când aerul care curge prin sursa de alimentare răcorește componentele. Răcirea cu aer poate fi convectivă atunci când, datorită densității mai mici a aerului încălzit de componente, aerul mai rece pleacă în sus și este înlocuit cu aer de jos, creând astfel în mod natural un flux de aer care răcește sursa de alimentare. Cu cât debitul de aer este mai mare, cu atât eficiența de răcire este mai bună, astfel încât eficiența răcirii prin convectie poate fi crescută semnificativ prin forțarea fluxului de aer prin intermediul ventilatoarelor. Cu toate acestea, atunci când se utilizează ventilatoare, trebuie luate în considerare dezavantajele: zgomot acustic mai mare, care poate fi extrem de enervant într-un mediu liniștit, și siguranță operativă redusă a sistemului, deoarece ventilatorul este o componentă în mișcare cu piese uzate cu un serviciu limitat viaţă. În aplicațiile în care utilizarea unui ventilator nu este permisă, supradimensionarea sursei de alimentare poate fi o soluție.

Căldura are un efect extrem de mare asupra vieții și siguranței operaționale a echipamentelor electronice. Ecuația Arrhenius utilizată pentru modelarea proceselor fizice dependente de temperatură poate fi utilizată pentru a calcula efectul asupra duratei de viață. Aceasta înseamnă că orice creștere a temperaturii de 10 ° C înjumătățește durata de viață a componentei. Cele mai critice componente în acest sens sunt condensatoarele electrolitice, care oricum au o durată de viață relativ scurtă. Tabelul de mai jos prezintă durata de viață așteptată a unui condensator cu o durată medie de viață de 85 ° C, proiectat pentru 2000 de ore (24 de ore în funcțiune de 24 de ore!) La temperaturi diferite.

Durata de viață a temperaturii

85 ° C	2.000 de ore	83 de zile	0,23 ani
75 ° C	4.000 de ore	167 zile	0,46 ani
65 ° C	8.000 de ore	333 zile	0,91 ani
55 ° C	16.000 de ore	667 zile	1,83 ani
45 ° C	32.000 de ore	1333 zile	3,65 ani
35 ° C	64.000 de ore	2667 zile	7,31 ani

Temperatura ambiantă nu înseamnă temperatura componentului în sine, care poate fi încălzită de un transformator sau diodă care funcționează direct lângă acesta, funcționând la temperaturi de până la 80-100 ° C, iar componenta în sine poate fi încălzită prin curentul curent prin ea. Deci, temperatura ambientală trebuie menținută cât mai scăzută posibil, deoarece temperatura din interiorul sursei de alimentare este întotdeauna mai mare.

Exemplul de mai sus ilustrează bine efectul direct al temperaturii de funcționare a echipamentelor electronice asupra duratei de viață și a siguranței operaționale. Efectul temperaturii asupra componentelor afectează, de asemenea, MTBF-ul întregului echipament. Ca și în cazul duratei de viață a componentelor, o creștere a temperaturii cu 10 ° C este de aproximativ jumătate din MTBF. Producătorii trebuie să furnizeze referința la temperatură pentru calcularea MTBF în fișele lor tehnice. Nu contează dacă calculul se bazează pe temperatura de 25 ° C utilizată pentru produsele comerciale sau temperatura de 50 ° C, care este baza obișnuită de calcul pentru produsele industriale.

Direcția de montare a sursei de alimentare este importantă pentru răcire. Dacă nu este răcit cu forța, este important ca fluxul de aer generat în timpul convecției naturale să treacă cât mai mult prin interiorul sursei de alimentare și să elimine căldura generată din aceasta. De obicei, producătorii specifică instrucțiunile de instalare și limitările acestora. Este o considerație generală că aerul poate curge în direcție verticală fără obstacole și că părțile mai fierbinți sunt deasupra, astfel încât căldura pe care o generează să poată scăpa cât mai ușor posibil și să încălzească alte părți cât mai puțin posibil.