Netzteile Wie ein Netzteilhersteller den Wärmetod der Elektronik bekämpft

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Wenn es der Elektronik zu heiß wird, gibt sie ihren Geist auf. Diese Gefahr besteht u.a. bei Stromversorgungen. Wir verraten Ihnen, wie ein Netzteilhersteller den Hitzetod der Elektronik vermeidet.

Supraleitung bei Zimmertemperatur – würde dieser Wunsch Realität, hätten wir weniger Probleme mit dem Ausfall von Bauteilen. Denn es ist die Wärme, die den Bauteilen den Tod bringt. Wärme lässt alle physikalischen Prozesse beschleunigt ablaufen, und dazu gehört nun auch leider das Altern. So müssen wir uns aber weiterhin bei Elektronik auf Wärmeentwicklung einstellen und versuchen, das Leben der Produkte durch gezielte Maßnahmen zu verlängern.

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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 Verbesserung des Wirkungsgrades, ein Vorhaben, das auch dem Umweltschutz dient. Eine Faustformel gilt für jede Art von 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, z.B. eines Elkos, alle Bemühungen um die Lebensdauerverlängerung zunichte machen kann.

Zwei gute Gründe für ein offensives Wärmemanagement

Für ein offensives Wärmemanagement gibt es zwei wichtige Motive: zum einen, die Lebensdauer der Geräte zu strecken, zum anderen, den Verbrauch von Energie zu drosseln. Hersteller, die es mit dem Wärmemanagement ernst meinen, verstärken ihr Einkaufsteam. Der internationale Netzteil-Spezialist TDK-Lambda gehört zu den Unternehmen, 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 Regeln für den Einkauf aufgestellt und in den so genannten „Green Procurement Guidelines“ festgehalten.

Weltweites Wettrennen nach verbesserten Materialien

Die Bauteilkategorien, die in Stromversorgungsgeräten Sorgen bereiten, sind Übertrager, Halbleiter und integrierte Schaltkreise. Das Wettrennen nach verbesserten Materialien wie Ferrit-Kerne läuft weltweit auf vollen Touren. Energieeffiziente Bauteile zu finden ist bisweilen eine Sisyphus-Arbeit.

Aber jede noch so kleine Verbesserung bei den Bauteilen trägt zur Steigerung der Geräte-Effizienz bei. Sichtbare Ergebnisse gibt es z.B. bei neuen Übertragerkonzepten, Kernen, Silicon Carbide (SiC) Dioden, MOSFETs etc. und neuen Topologien wie Resonanzkonverter und Synchrongleichrichter. Sie ermöglichen die Entwicklung und Produktion von Stromversorgungen mit einer bislang nicht realisierbaren Effizienz. Das gilt sowohl für die Leistungsaufnahme im Standby, wie auch im Betrieb über einen sehr weiten Leistungsbereich.

Für viele Ausfälle gibt es eine harmlose Erklärung

Für viele Geräteausfälle gibt es oft eine ganz harmlose Erklärung: oft ist ein Elko zerstört, hat einen innerlichen 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.

Neue Netzteile sind um 30% kleiner, leichter und effizienter

Ein Beispiel für konsequent umgesetztes Wärme- und Lebensdauermanagement ist die Baureihe ZWS-B von TDK-Lambda. Diese neue Generation von Netzteilen für Leiterplattenmontage ist um 30% kleiner, leichter und effizienter als die Vorgängerreihe ZWS. Langlebige Komponenten wie „10-Jahres-Elkos“ ermöglichen eine deutlich verlängerte Lebensdauer. Die neue Reihe ist das Ergebnis der „Green Product“-Initiative von TDK-Lambda: die ZWS-B-Netzteile haben ein optimiertes Schaltungsdesign, das die internen Verluste reduziert und so den Wirkungsgrad steigert. Bemerkenswert ist die geringe Leerlauf-Leistungsaufnahme von unter 0,5 W. Damit ent-sprechen die Netzteile den Energiespar-Anforderungen der ErP-Richtlinie (Energy-related Products).

Kleine Verbesserungen – große Einsparungen

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.

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