Uporaba ventilatorjev za hlajenje opreme
DEJSTVA:
  • Delovna temperatura okolice vpliva na toploto napajalnikov in sklopov opreme v ohišju, ki je potencialno nad njihovo delovno temperaturo.
  • Hlajenje napajalnikov in podsklopov z ventilatorji opreme vključuje izračun potrebnega pretoka zraka in razumevanje padca tlaka.
  • Toplotno upravljanje pomembno vpliva na ohranjanje življenjske dobe in zanesljivosti napajalnikov in sistemskih podsklopov.

Odvajanje toplote znotraj zaprtega prostora ali ograjenega prostora bo temperaturo v tem prostoru le še povečalo. Ko se temperatura okoljskega zraka dvigne, se bosta napajalnik in obremenitev dodatno segrela, po možnosti nad najvišjo delovno temperaturo.

Takšni situaciji se želite izogniti, saj je vročina prvi vzrok za nezanesljivost in krajšo življenjsko dobo napajanja v elektronskem sistemu. Razlog za to je, da je vzdržljivost elektrolitskih kondenzatorjev močno povezana z nižjo delovno temperaturo ohišja. V takšni situaciji pridejo v poštev ventilatorji za hlajenje.

KAKO VENTILATORJI DELUJEJO?

Nekateri napajalniki so zasnovani za prisilno hlajenje s sistemskim ventilatorjem, ki odvaja odvečno toploto iz ohišja. V teh primerih bo pretok zraka, potreben za ustrezno hlajenje, naveden v tehničnem listu napajalnika. Pomembno je upoštevati, da je to pretok zraka, ki je potreben na samem mestu napajalnika - ventilator, nameščen tudi na kratki razdalji od napajalnika, ne bo zadostoval.

Ker gre zrak vedno po poti najmanjšega upora, bo le del zraka, ki ga potisne ventilator, prišel do napajalnika tam, kjer je potreben. Notranje pregrade za usmerjanje zračnega toka bodo pomagale usmeriti zrak po zahtevani poti, da doseže in ohladi ciljne komponente.

KAKO IZRAČUNATI PRETOK ZRAKA?

Ne glede na to, ali mora oprema delovati pri nižji temperaturi ali napajalnik zahteva hlajenje z zunanjim ventilatorjem, je treba pretok zraka izračunati po naslednjih korakih:

  • DEFINIRANJE NAJVIŠJE TEMPERATURE

Najprej je treba določiti najvišjo delovno temperaturo, pri kateri lahko napajalnik ali elektronika varno delujeta. Za sam napajalnik je to lahko običajno 50°C in je običajno povezano z varnostnimi odobritvami ali potrebo po nižji vrednosti za podaljšanje življenjske dobe komponent. Splošno pravilo je, da zmanjšanje temperature ohišja elektrolitskega kondenzatorja za 10°C povzroči podvojitev življenjske dobe napajalnika.

Nato morate upoštevati najvišjo temperaturo zraka okoli ohišja napajalnika. Razlika med obema bo najvišji dovoljeni dvig temperature. Na primer, upoštevajte, da lahko napajalnik deluje pri temperaturi okolja 50°C. Če naj bi napajalnik deloval v neklimatiziranem okolju, kjer bi najvišja temperatura lahko dosegla celo 40°C, potem bi bil skupni dovoljeni dvig temperature 10°C.

  •  DOLOČITE RAZPRŠITEV MOČI

Naslednji korak je določitev količine energije, ki se bo razpršila. Skupna razpršena moč znotraj ohišja je vsota moči, ki jo porabi obremenitev, in moči, ki jo napajalnik izgubi kot odpadno toploto. Na primer, če je obremenitev, ki jo prevzame elektronika, običajno 260 W in ob predpostavki, da je napajalnik 80-odstotno učinkovit, potem je skupna odvedena toplota 260 W / 0,8, tj. 325 W. Nato je mogoče izračunati določitev potrebnega volumna pretoka zraka.

Obstaja preprosta univerzalna formula za določitev, koliko pretoka zraka je potrebno za vzdrževanje določenega dviga temperature za določeno količino toplote, ki uporablja konstanto 2,6.

Formula je pretok zraka (v m3/uro) = 2,6 * skupna razpršena moč (v W) / dovoljen dvig temperature (v °C). V našem primeru bi bil zahtevani pretok zraka 2,6 * 325 W / 10 °C = 84,5 m3/h

KAKO NADZIRATI PRETOK ZRAKA?

Na žalost ni enostavnejše rešitve kot določitev potrebnega pretoka zraka. Z uporabo zgornjih izračunov bi morali biti sposobni izbrati ustrezno oceno za pretok zraka ventilatorja, toda v resnici bo imelo ohišje naravni upor proti pretoku zraka, sicer poznano kot padec tlaka.

PADEC TLAKA

Izguba tlaka zmanjša prosti dovod zraka ventilatorja, kar je v bistvu količina zraka, ki se sprosti v napravi v določenem časovnem obdobju. Padci se prav tako razlikujejo med posameznimi aplikacijami, odvisno od velikosti in lokacije tiskanega vezja, velikosti vstopnih in izstopnih odprtin ter površine prečnega prereza skozi katerega teče zrak.

Stvari postanejo nekoliko zapletene, ker je izguba tlaka odvisna tudi od hitrosti zraka, ki prehaja skozi ohišje. Še več, na izgubo tlaka vpliva hitrost zraka. Večja hitrost zraka bo povzročila večjo izgubo tlaka. Z drugimi besedami, izbira ustreznega ventilatorja mora biti skrbno načrtovana saj drugače lahko postane neuporaben. To se npr. lahko zgodi v aplikaciji, kjer posledična izguba tlaka in hitrost zraka dosežeta ravnotežno točko pod zahtevano ravnjo za odvajanje toplote iz ohišja.

Določanje dejanske izgube tlaka za vsako aplikacijo posebej bi bilo preveč zapleteno saj to zahteva natančno poznavanje enačb dinamike tekočin. Padec tlaka pa lahko ocenimo z uporabo karakteristične krivulje naprave prikazane na spodnji sliki. To bo dalo začetno izhodiščno točko, ki jo lahko uporabimo za nadaljnjo oceno.

Če upoštevamo predhodno izračunan pretok zraka, krivulja kaže, da bi bila izguba tlaka 11 Pa. Zato vemo, da potrebujemo ventilator, ki lahko ustvari pretok zraka 84,5 m3/h pri izgubi tlaka 11 Pa.

Vsak proizvajalec ventilatorjev bo objavil graf za vsak ventilator, ki prikazuje pretok zraka pri različnih izgubah tlaka. V spodnjem primeru so podane krivulje za pet ventilatorjev. Svetlo obarvan stožec prikazuje optimalno območje delovanja za vsakega od ventilatorjev. V našem primeru bi bilo treba za zagotovitev zahtevanega pretoka zraka 84,5 m3/h uporabiti ventilator številka pet s padcem tlaka 11 Pa.

KAKO NADZIRATI ŽIVLJENJSKO DOBO NAPAJALNIKA?

Vse te dejavnike upošteva načrtovalec napajalnika preden proizvajalci uporabijo pravila za znižanje nazivne vrednosti da zagotovijo ustrezno življenjsko dobo. Ta pravila ne upoštevajo profila misije, okolja, orientacije namestitve, položaja, okoliškega prostora, uporabljene obremenitve in ureditve hlajenja/prezračevanja sistema nameščene v končni opremi. Življenjsko dobo kondenzatorja, zlasti v konvekcijskih ali naravno hlajenih okoljih, je treba ponovno oceniti glede na namestitev. Kako lahko torej uporabniki nadziramo življenjsko dobo napajalnikov?

TEMPERATURE OHIŠJA

Merjenje uporabljenih valovitih tokov (izmenični del tokovnega signala) ni praktično. Glede na to, da celotna oprema in zasnova napajalnika določata efektivno delovno temperaturo komponente, je mogoče dober pokazatelj življenjske dobe vsakega kondenzatorja izmeriti z merjenjem temperature ohišja ter uporabo Arrheniusove enačbe in profila misije za osnovno življenjsko dobo, ki jo določi proizvajalec komponent.

ŽIVLJENJSKA DOBA

Številni tehnični listi o napajalniku, kot je  npr.serija GCS, opredeljujejo ključne komponente, ki določajo življenjsko dobo izdelka. To še posebej velja za tiste, ki potrebujejo zunanje hlajenje končne opreme, in za tiste, ki so zasnovani za aplikacije s konvekcijskim hlajenjem.

Prepoznavanje teh pomaga oblikovalcu sistema pri določanju življenjske dobe napajanja v končni aplikaciji. Spodnja mehanska skica identificira komponente, krivulje pa kažejo pričakovano življenjsko dobo napajalnika glede na temperaturo dveh kondenzatorjev (C6 in C23).

 Ko sta vzpostavljena zahtevani padec tlaka in pretok zraka, je treba upoštevati še nekaj drugih dejavnikov. Kot je bilo že omenjeno, je za splošno hlajenje opreme ventilator lahko nameščen kjer koli, dokler zrak teče skozi komponente vira toplote.

PRISILNO HLAJENJE

Pri napajalniku, ki je načrtovan za prisilno hlajenje, je količina zraka, ki teče preko njega, kritična za pravilno in zanesljivo delovanje. Če ventilatorja ni mogoče namestiti tik ob napajalnik ali če celotnega zračnega toka ni mogoče usmeriti preko njega bo moral izbrani ventilator imeti veliko večjo moč.

Nekateri ventilatorji imajo določeno hitrost zraka v linearnih čevljih na minuto (LFM), drugi pa imajo prostorninsko oceno v kubičnih čevljih na minuto (CFM) ali kubičnih metrih na uro (m3/h). Za pretvorbo med obema je treba poznati površino prečnega prereza prezračevalnega sistema - to je edini zanesljiv način za to. Pri prisilno hlajenem napajalniku je lahko zahtevani zračni pretok naveden bodisi v nazivni hitrosti, kot je LFM, bodisi v volumetrični oceni, kot je CFM.

FILTRI ZA PRAH

Oprema z ventilatorji ima pogosto filtre, ki preprečujejo vdor neželenega prahu. Ti bodo povečali upor zračnega toka in prispevali k izgubi tlaka, zato jih je treba upoštevati. Še pomembneje pa je, da se lahko zaradi zamašitve filtra z umazanijo izguba tlaka znatno poveča in ventilator z ustrezno močjo na začetku delovanja po nekaj časa postane napačna izbira. Zato je treba filtre za prah redno čistiti ali zamenjati.

KAKO UPORABITI PODATKE ZA NADZIRANJE TEMPERATURE?

Toplotno upravljanje sodobnih napajalnikov postaja vse bolj pomembno zaradi večjih gostot moči in manjših prostornin hladilnih teles. Zaradi tega tehnični listi zdaj vsebujejo informacije, ki so bistvene za oblikovalce opreme. To zagotavlja, da napajalniki ne delujejo pri previsoki temperaturi v obliki posebnih najvišjih temperatur za izbor komponent.

Po izbiri ustreznega ventilatorja je potrebno opraviti končno preverjanje z merjenjem temperatur komponent v končni konfiguraciji. Če se izkaže da bo temperatura komponente presegla vrednost navedeno na podatkovnem listu, je treba ponovno oceniti pretok in smer zraka.