Supraleitung bei Zimmertemperatur – würde dieser Wunsch Realität, würden Bauteile seltener ausfallen. Denn es ist die Wärme, die meist das Ende der Bauteile bedeutet. Wärme lässt alle physikalischen Prozesse beschleunigt ablaufen – auch das Altern. Da wir uns weiterhin auf Wärmeentwicklung bei Elektronik einstellen müssen, ist das Ziel, das Leben der Produkte durch gezielte Maßnahmen zu verlängern.

Der Wirkungsgrad sagt uns, wie viel Prozent der aufgewendeten Leistung „nutzbringend“ verwendet wird und wie viel als Abwärme verloren geht. Die Hersteller arbeiten permanent an der Verbesserung des Wirkungsgrades, ein Vorhaben, das auch dem Umweltschutz dient. Eine Faustformel, die für jede Art von Komponenten gilt, lautet: weniger Wärmeverluste = längeres Leben. Die Effektivität der Einzelkomponenten fließt in die Bestimmung der Effektivität der ganzen Baugruppe beziehungsweise des gesamten Gerätes ein. Wobei der verfrühte Ausfall eines einzigen Bauteils alle Bemühungen um die Lebensdauerverlängerung zunichtemachen kann.

Für ein offensives Wärmemanagement gibt es zwei wichtige Aspekte: zum einen, die Lebensdauer der Geräte zu strecken, zum anderen, den Verbrauch von Energie zu drosseln. Da auch in der Elektronikindustrie gilt, dass das Billigste nicht das Beste ist, hat TDK-Lambda die Suche nach qualitativ hochwertigen Bauteilen weltweit ausgedehnt und Regeln für den Einkauf aufgestellt, die in den so genannten Green Procurement Guidelines festgehalten sind.

Die Sorgenkinder
Die Bauteilkategorien, die in Stromversorgungsgeräten Sorgen bereiten, sind Übertrager, Halbleiter und integrierte Schaltkreise. Das Wettrennen nach verbesserten Materialien, wie beispielsweise für Ferrit-Kerne, läuft weltweit. Energieeffiziente Bauteile zu finden ist bisweilen Sisyphus-Arbeit. Doch jegliche Verbesserung bei den Bauteilen trägt zur Steigerung der Geräte-Effizienz bei. Sichtbare Ergebnisse gibt es zum Beispiel bei neuen Übertragerkonzepten, Kernen, Silicon-Carbide(SiC)-Dioden, MOSFETs etc. und neuen Topologien, wie beispielsweise 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 Geräteausfälle gibt es oft eine ganz harmlose Erklärung: Oft ist ein Elektrolytkondensator (kurz: Elko) zerstört, hat einen innerlichen Kurzschluss bekommen, der die ganze Schaltung lahmlegen kann. Elkos sind das Sorgenkind vieler Hersteller. Die einfache Formel für die Lebenserwartung von Elkos lautet: Wird die Temperatur des Elkos um 10°C erhöht, halbiert sich seine Lebenserwartung. Wird sie um 10°C gesenkt, verdoppelt sich die Lebenserwartung. Also gilt auch hier: Aus einer guten Kühlung resultiert eine verlängerte Lebenserwartung.

Neue Netzteile entsprechen ErP-Richtlinie
Ein Beispiel für konsequent umgesetztes Wärme- und Lebensdauermanagement ist die Baureihe ZWS-B von TDK-Lambda. Diese Generation von Netzteilen für Leiterplattenmontage ist um 30 Prozent 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. Durch die geringe Leerlauf-Leistungsaufnahme von unter 0,5 W entsprechen die Netzteile den Energiespar-Anforderungen der ErP-Richtlinie (Energy-related Products).

Kleine Verbesserung, große Wirkung
Man muss sich klar machen, dass auch scheinbar kleine Verbesserungen des Wirkungsgrades in Einsparungen der Verlustleistung resultieren. Beispiel: ein 450W-Gerät mit 90 Prozent Wirkungsgrad generiert Verluste von knapp 45 W. Gelingt es, den Wirkungsgrad von 90 auf 94 Prozent zu verbessern, sinkt die Verlustleistung von 45 auf 25 W. Das aber entspricht einer Reduktion von 43 Prozent und stellt eine substanzielle Verbesserung dar.

Wir begegnen immer wieder Richtlinien wie der ErP und Energy Star. Diese Vorgaben gelten zwar aktuell nur für IT-Equipment, externe Netzgeräte und hochvolumige Konsumgeräte, dennoch benutzt TDK-Lambda die ErP-Richtlinie als Basisvorgabe für die eigene Entwicklung neuer Industriestromversorgungen.
Energy Star V wird überwiegend in den USA angewendet und beinhaltet ähnliche Vorgaben. Gefordert wird beispielsweise, dass der durchschnittliche Wirkungsgrad für Ausgangsleistungen zwischen 25 und 100 W höher als 87 Prozent sein muss. Wärme, die nicht erzeugt wird, muss auch nicht „weggekühlt” werden. Durch höhere Integration der verwendeten Komponenten sowie neue Topologien wird die Anzahl der Bauteile verringert. Das ermöglicht kleinere Bauformen und erhöht die Zuverlässigkeit der Geräte. Auch für Stromversorgungsgeräte gibt es eine Lernkurve: Die Kosten für Geräte neuer Generation können im Vergleich zu den Vorgängern manchmal bis zu 30 Prozent gesenkt werden.

Vier Kühl-Konzepte für die Stromversorgung
Die Leistungsdichte der Stromversorgung eines Gerätes ist in der Regel höher als die Leistungsdichte der einzelnen Komponenten, die sie versorgt. Dazu gehören Steuerungen, Schnittstellen, Eingabegeräte, Motoren, Laser, Peltiers und Displays. Jede dieser Komponenten bezieht nur einen Teil der Energie, die durch die Stromversorgung fließt, Kühlung ist hier also eher Nebensache im Gegensatz zur Stromversorgung selbst. Bei der Kühlung der Stromversorgung unterscheidet man bei TDK-Lambda vier unterschiedliche Konzepte.

1. Geräte, die Konvektion benötigen:
Hier ist die Einbaulage entscheidend. Unterschiedliche Einbaulagen resultieren in unterschiedlicher Kühlung. Deshalb muss je nach Einbausituation ein Leistungsderating in Kauf genommen werden, das heißt, es steht nur ein Teil der Ausgangsleistung zur Verfügung. Manche Einbaulagen, wie die Über-Kopf-Montage, verbieten sich von selbst. Damit Konvektion entstehen kann, müssen Lufträume vorhanden sein. Auch sollten zwischen den einzelnen Komponenten Mindestabstände eingehalten werden, die allerdings von Gerät zu Gerät unterschiedlich sind.

2. Geräte, die einen Luftstrom benötigen, zum Beispiel in einem U-Chassis:
Diese sind dann eine gute Wahl, wenn bereits eine Systemlüftung vorhanden ist und aus Zuverlässigkeits-, Lärm- beziehungsweise Verschmutzungsgründen auf zusätzliche Lüfter verzichtet werden soll.

3. Geräte mit eingebauten Lüftern:
Diese Geräte sind fast immer sehr einfach in die jeweiligen Anwendungen integrierbar. Aber auch hier gilt es, einige Einbautipps zu beachten: Der Lüfter sollte grundsätzlich nie von oben nach unten blasen, da er dann gegen die natürliche Konvektion arbeiten muss und die volle Kühlleistung nicht erreicht wird. Auf der Ansaug- wie auch auf der Ausblasseite müssen genügend große Öffnungen vorhanden sein, um den Luftstrom nicht zu beeinträchtigen. Als Handformel gilt, dass die Luftöffnungen und Abstände zu anderen Geräten mindestens so groß sein sollen wie der Gerätequerschnitt an Luftein- und -auslass.

4. Geräte für Kontaktkühlung:
Geräte mit Kühlplatte benötigen zur Wärmeabfuhr geeignete Kühlkörper oder sonstige „kühle Platten“. Die zulässige Temperatur der Kühlfläche (Baseplate) ist im Instruction Manual zu finden und kann bis zu 100°C betragen.

Herausforderung: Wärmeabfuhr in geschlossenem Gehäuse
Bestimmte Anwendungen verlangen den Einbau von Stromversorgungen in geschlossene Gehäuse. Beim Einbau von Netzgeräten in geschlossene Metall- oder Kunststoffgehäuse sind zahlreiche Normen und Vorschriften zu beachten. Eine besondere Herausforderung ist die Abfuhr der Wärme ohne Ventilationsöffnungen. Um sicher zu gehen, dass die einzelnen Bauteile einer Stromversorgung wirklich ausreichend gekühlt werden, sollten die Temperaturen kritischer Bauteile in der Stromversorgung gemessen werden. In den meisten Fällen reicht dazu die Aufnahme mit einer Wärmebildkamera. Exaktere Nachmessungen verlangen das Anbringen von Thermosensoren an den entsprechenden Bauteilen. Gerade wenn Geräte eingebaut werden, die einen Luftstrom benötigen, aber keinen eigenen Lüfter haben, trägt der Anwender die Verantwortung für die ausreichende Kühlung der Bauteile. Bei größeren Geräten kann es durchaus vorkommen, dass die Temperaturen von 20 bis 30 Bauteilen gemessen werden müssen, um einen störungsfreien Betrieb über viele Jahre sicherzustellen.

TDK-Lambda bietet für diverse Geräte die Bestückung mit Thermosensoren an. Mit dem Thermocouple Sample erhält der Kunde eine Tabelle, in die er die gemessenen Bauteiletemperaturen einträgt. Der Hersteller legt die Messprotokolle bei den Sicherheitsdokumenten ab. Werden die maximal erlaubten Temperaturen nicht überschritten, so bleiben auch die Sicherheitszulassungen für die Geräte gültig.