Zasilacze impulsowe z hybrydowym chłodzeniem na zasadzie przewodnictwa i konwekcji

Zastosowania elektroniczne wytwarzają ciepło, które w nadmiernej ilości może obniżać sprawność, skracać okres użytkowania komponentów, a nawet prowadzić do usterek termicznych. W wielu zastosowaniach preferowane są zasilacze wykorzystujące wentylatory, ale nie tam, gdzie sprawność, cicha praca i niezawodne działanie są najważniejsze.

W celu utrzymania optymalnych temperatur roboczych stosuje się różne metody chłodzenia. Każda z nich stanowi pewnego rodzaju kompromis. Zasilacze tradycyjne wykorzystują wymuszone chłodzenie powietrzne z użyciem wentylatorów, które wytwarzają ruch powietrza na elementach generujących ciepło, albo pasywne chłodzenie konwekcyjne, które bazuje na radiatorach i przepływie powietrza do rozpraszania ciepła. Inne opcje obejmują chłodzenie na zasadzie przewodnictwa oraz chłodzenie cieczą.

Firma TRACO Power oferuje serię bezwentylatorowych rozwiązań zasilania do zastosowań przemysłowych, medycznych i telekomunikacyjnych. Seria TCI oferuje ulepszone odprowadzanie ciepła, które obniża straty energii związane z ciepłem i zwiększa niezawodność systemów o działaniu ciągłym. Stanowi ona rozwiązanie zasilające chłodzone na zasadzie przewodnictwa z wykorzystaniem odpowiedniej płyty bazowej, z możliwością zastosowania chłodzenia konwekcyjnego, jak również wymuszonego chłodzenia powietrznego. Jest to wysoce uniwersalne rozwiązanie do różnorodnych zastosowań.

Rozpoznanie dostępnych opcji

Każda metoda chłodzenia stanowi pewien kompromis pod względem sprawności, rozmiarów, kosztów i niezawodności. Projektanci systemów chłodzenia elektroniki powinni wziąć pod uwagę:

• Wymagania dotyczące mocy rozpraszanej
• Ograniczenia przestrzenne
• Potrzeby w zakresie niezawodności
• Koszty i złożoność

Wybierając odpowiednią strategię chłodzenia, projektanci mogą zwiększyć sprawność, niezawodność i parametry działania w różnorodnych zastosowaniach elektronicznych. Oto typowe metody chłodzenia, które należy wziąć pod uwagę przy tworzeniu zastosowań:

• Konwekcja: chłodzenie konwekcyjne opiera się na naturalnym ruchu do góry ciepłego powietrza, które jest zastępowane powietrzem chłodniejszym, co umożliwia rozpraszanie ciepła bez użycia jakichkolwiek komponentów aktywnych. Jest ono ekonomiczne i niezawodne, jednak jego skuteczność jest ograniczona, zwłaszcza w zamkniętych przestrzeniach, gdzie przepływ powietrza jest ograniczony. Pasywne chłodzenie konwekcyjne zapewnia wysoką niezawodność, jednak nie jest odpowiednie do zastosowań dużej mocy, które generują znaczne ilości ciepła.
• Wymuszony ruch powietrza: wymuszone chłodzenie powietrzne wykorzystuje wentylatory w celu przemieszczania powietrza wokół komponentów generujących ciepło i zwiększenia rozpraszania ciepła. Metoda ta jest powszechnie wykorzystywana w zasilaczach przemysłowych, systemach obliczeniowych oraz urządzeniach elektronicznych dużej mocy. Wentylatory zużywają energię, generują hałas i stanowią element, który może ulec awarii, jednak skutecznie zapobiegają przegrzewaniu oraz wywołanemu przez ciepło pogarszaniu stabilności systemów w wymagających warunkach środowiskowych.
• Radiatory: radiatory wykorzystują przewodnictwo cieplne w celu odprowadzenia ciepła od komponentów do większych powierzchni, umożliwiając rozpraszanie ciepła do otaczającego powietrza. Większość radiatorów ma konstrukcję żeberkową, która maksymalizuje pole powierzchni i poprawia chłodzenie z użyciem konwekcji naturalnej lub wymuszonej. Radiatory niskoprofilowe są odpowiednie do zastosowań kompaktowych, jednak rozpraszanie dużych mocy zwykle wymaga większych radiatorów.
• Zimne płyty: zimne płyty stanowią grube metalowe płyty bazowe, które odprowadzają ciepło od komponentów i rozpraszają je na większej powierzchni.
• Chłodzenie cieczą: chłodzenie cieczą wykorzystuje układ zamkniętej pętli, w którym czynnik chłodzący pochłania ciepło z komponentów i transportuje je do radiatora lub wymiennika ciepła w celu rozproszenia. Ta metoda jest powszechnie używana w zastosowaniach dużej mocy, takich jak lotnictwo i kosmonautyka, motoryzacja oraz wysokowydajne przetwarzanie danych, gdzie same wentylatory i radiatory są niewystarczające. Jednak chłodzenie cieczą charakteryzuje się złożonością oraz wymaga dodatkowych nakładów inżynieryjnych i konserwacyjnych.
• Preparaty termiczne: preparaty termiczne, takie jak smary oraz pasty termiczne zmniejszają opór cieplny pomiędzy komponentami elektronicznymi i powierzchniami chłodzącymi, jednak same w sobie nie rozpraszają ciepła. Dzięki wypełnieniu mikroskopijnych przestrzeni powietrznych, omawiane preparaty poprawiają skuteczność wymiany ciepła, zapewniając efektywne działanie zimnych płyt i rozpraszaczy ciepła. Niektóre preparaty termiczne służą jako kleje mocujące elementy chłodzące bez użycia łączników mechanicznych.

Konstrukcja hybrydowa opracowana przez TRACO Power

Seria TCI zasilaczy impulsowych firmy TRACO Power wykorzystuje hybrydową konstrukcję obudowy, która pozwala stosować zarówno chłodzenie na zasadzie przewodnictwa, jak i konwekcji (ilustracja 1), co zapewnia uniwersalność wykorzystania różnych strategii odprowadzania ciepła.

Ilustracja 1: hybrydowa konstrukcja obudowy opracowana przez firmę TRACO Power pozwala projektantom stosować chłodzenie na zasadzie przewodnictwa lub konwekcji. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

W przypadku chłodzenia na zasadzie przewodnictwa, metalowa obudowa zapewnia skuteczność wymiany ciepła z przytwierdzoną płytą bazową, radiatorem lub płytą montażową, co pozwala uzyskać pasywne rozpraszanie ciepła. Podejście to może być preferowane w przypadku zamkniętych obudów, gdzie wymuszenie przepływu powietrza z użyciem wentylatorów nie jest możliwe ani praktyczne.

Zamknięte w niej komponenty wewnętrzne są połączone termicznie, co optymalizuje rozpraszanie ciepła i pozwala na odprowadzenie nadmiaru ciepła w drodze konwekcji naturalnej. W przypadku montażu zapewniającym swobodny dostęp powietrza, konstrukcja hybrydowa w wielu przypadkach zapewnia chłodzenie pasywne bez konieczności użycia dodatkowych radiatorów.

Seria TCI oferuje znakomite parametry termiczne dzięki połączeniu zalet obudów wykorzystujących chłodzenie na zasadzie przewodnictwa i konwekcji. W porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami zasilaczy o takich samych rozmiarach, pozwala ona generować znacznie wyższe poziomy mocy bez potrzeby użycia wentylatorów. W przypadku konfiguracji z chłodzeniem na zasadzie przewodnictwa, firma TRACO Power podaje, że seria TCI może dostarczać nawet 100% maksymalnej mocy znamionowej, dzięki czemu stanowi ona idealny wybór do zastosowań bezwentylatorowych.

Hybrydowa konstrukcja serii TCI zapewnia optymalną wymianę ciepła z użyciem odpowiedniej płyty bazowej oraz skutecznemu połączeniu termicznemu poszczególnych komponentów z użyciem specjalnej masy wypełniającej. Zaawansowany skład masy pozwala poszczególnym komponentom działać ze szczytową sprawnością, co jest trudne do osiągnięcia w konwencjonalnie zaprojektowanych systemach zasilaczy.

Seria TCI została zaprojektowana specjalnie do rozwiązań z chłodzeniem na zasadzie przewodnictwa wymagających mocy od 130W do 500W i jest szczególnie użyteczna w zastosowaniach bezwentylatorowych. Dzięki odpowiedniej płycie bazowej mogą one bezpiecznie pracować przy 100% mocy znamionowej.

Urządzenie TCI 130-124-J o mocy 130W (ilustracja 2) jest zamkniętym zasilaczem prądu zmiennego-stałego z chłodzeniem na zasadzie przewodnictwa, który oferuje znakomite i niezawodne chłodzenie, a jednocześnie zapewnia maksymalną sprawność. Urządzenie charakteryzuje się imponującą sprawnością 92%, a także zakresem temperatur roboczych od -30°C do +50°C bez obniżania parametrów oraz do +80°C w przypadku obniżenia obciążenia lub użycia chłodzenia wymuszonego. Zakres temperatur przechowywania wynosi od -30°C do +80°C, a wymiary to 80mm x 59,7mm x 43,2mm (3,15" x 2,35" x 1,7").

Ilustracja 2: zasilacz prądu zmiennego-stałego TCI 130-124-J o mocy 130W firmy TRACO Power z chłodzeniem na zasadzie przewodnictwa. (Źródło ilustracji: TRACO Power))

Urządzenie TCI 240-112-J o mocy 240W (ilustracja 2) posiada te same zakresy temperatur pracy i przechowywania jak urządzenie 130W. Jego wymiary to 104mm x 62,5mm x 39,2mm (4,1" x 2,46" x 1,54"). Zarówno seria TCI 130, jak i seria TCI 240 posiada standardowe obudowy metalowe i oferuje 100% mocy wyjściowej bez potrzeby używania wentylatorów w przypadku zainstalowania na metalowej płycie montażowej lub bazowej.

Ilustracja 3: w przypadku zainstalowania na metalowej płycie montażowej lub bazowej, urządzenia TCI 240-112-J firmy TRACO Power dostarczają 100% mocy wyjściowej bez potrzeby użycia wentylatorów. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Zamknięte w obudowie typu U urządzenie TCI 500U-124U-T (ilustracja 3) może dostarczać nawet 90% maksymalnej mocy wyjściowej bez konieczności użycia wentylatora. Charakteryzuje się ono takim samym zakresem temperatur roboczych, jak serie TCI 130 oraz TCI 240 a zakres temperatur przechowywania wynosi od -30°C do +85°C. Jego wymiary to 130mm x 83mm x 40mm (5,12" x 3,27" x 1,57") (dł. x szer. x wys.). Wyposażono je również w zdalne sterowanie włączaniem i wyłączaniem w celu integracji w zautomatyzowanych systemach zarządzania zasilaniem, a także w wejścia pomiarów zdalnych w celu kompensacji spadków napięcia na długich odcinkach kabli.

Ilustracja 4: urządzenie TCI 500-124U-T posiada napięcie wyjściowe 24V= i sprawność 91%. (Źródło ilustracji: TRACO Power)

Spójne charakterystyki termiczne i elektryczne całej serii TCI ułatwiają integrację w różnych produktach oraz skalowalność, co pozwala projektantom produktów na rozpoczęcie od projektów niższej mocy i przejście do wyższych mocy w miarę potrzeb. Wszystkie trzy moce znamionowe spełniają surowe normy izolacji oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) w branżach podlegających regulacjom.

Podsumowanie

Zasilacze impulsowe z bezwentylatorowym chłodzeniem na zasadzie przewodnictwa zapewniają bezgłośną pracę, wyższą niezawodność oraz lepsze odprowadzanie ciepła w zastosowaniach przemysłowych, medycznych i telekomunikacyjnych. Firma TRACO Power oferuje trzy moce znamionowe w serii TCI, co zapewnia skalowalność mocy, kompaktowe rozmiary i szeroki zakres temperatur roboczych. Omawiane zasilacze pozwalają na łatwą integrację w ciasnych przestrzeniach i zamkniętych obudowach, zapewniając wysoką sprawność oraz rozpraszanie ciepła i zarządzanie zasilaniem w wymagających środowiskach.