Wpływ temperatury na żywotność zasilaczy na szynę DIN
| TechnikaZasilacz jest niezbędnym elementem niemal każdego urządzenia elektronicznego. Od tego rodzaju podzespołów oczekuje się wysokiej niezawodności oraz żywotności – potencjalne problemy z pracą tego komponentu mogą powodować niesprawność całego systemu, prowadząc do zwiększonych kosztów utrzymania, obniżonej dostępności oraz ogólnego niezadowolenia klientów z jakości całego produktu.
Żywotność zasilacza w dużej części zależy od sposobu zarządzania temperaturą w układzie, a zatem przede wszystkim od jego sprawności oraz wydajności systemu chłodzenia. Elementem mającym największy wpływ na trwałość tego typu układu są zazwyczaj kondensatory elektrolityczne. Gdy wyschnie ciecz pełniąca funkcję elektrolitu, kondensator całkowicie traci swoje właściwości, co w zasadzie powoduje uszkodzenie całego obwodu. Proces wysychania jest zależny od temperatury pracy – im bardziej rozgrzany kondensator, tym szybciej następuje utrata cieczy. Z tego powodu tak istotne jest odpowiednie chłodzenie układu – wzrost średniej temperatury pracy o 10°C około dwukrotnie skraca żywotność komponentu.
W celu zapewnienia długiej żywotności zasilacza konieczne jest zatem zapewnienie ochrony przed nadmiernym przegrzewaniem. System chłodzenia jest jednak dość kosztownym komponentem, szczególnie w przypadku rozwiązań aktywnych. Korzystanie z elementów mechanicznych, takich jak wentylatory, również negatywnie wpływa na żywotność całego urządzenia – komponenty tego typu są dość łatwo podatne na uszkodzenia. Rozbudowane systemy chłodzenia zwiększają ponadto koszt, ciężar oraz rozmiar całego systemu.
Znaczenie sprawności zasilacza
Ograniczenie temperatury pracy zasilacza osiągnąć można na dwa sposoby: poprzez rozbudowę systemu chłodzenia lub obniżenie ilości ciepła generowanego w układzie. Pierwszy sposób jest, jak już wspomniano, dość kłopotliwy – istotnie zwiększa koszt i rozmiary urządzenia, paradoksalnie może też zmniejszyć jego niezawodność ze względu na obecność dodatkowych elementów mechanicznych. Ogromne znacznie ma zatem redukcja ilości energii cieplnej powstającej w układzie, to zaś jest odwrotnie proporcjonalne do jego sprawności czy stosunku mocy wyjściowej do mocy wejściowej, najczęściej wyrażonej w procentach. Sprawność idealnego zasilacza powinna wynosić 100% – w takiej sytuacji cała moc dostarczona na wejście obwodu byłaby transferowana na jego wyjście. W rzeczywistym urządzeniu nie jest to możliwe – każdy element obwodu charakteryzuje się pewną niezerową rezystancją, przez co część energii prądu elektrycznego płynącego przez przewodnik zamieniana jest na energię cieplną, powodując nagrzewanie się układu. Im wyższa sprawność, tym mniejsza część mocy wejściowej przekształcana jest w tzw. moc strat, jednocześnie skutkując niższą temperaturą pracy.
Wysoka sprawność pozwala również ograniczyć rozmiary zasilacza. Mniejsza ilość ciepła powstająca w układzie umożliwia stosowanie uproszczonego systemu chłodzenia, np. poprzez zastosowanie radiatorów o mniejszych rozmiarach lub całkowite ich pominięcie.
Zależność sprawności od obciążenia
Sprawność zasilacza nie jest niestety stała w całym zakresie pracy układu – z reguły jest odwrotnie proporcjonalna do obciążenia. Przy pracy z niskimi wartościami obciążenia sprawność zasilacza zauważalnie maleje (rys. 1). Jest to dość istotne w praktycznych realizacjach – w rzeczywistych systemach zasilacze przez znakomitą większość czasu pracują z obciążeniem znacząco niższym od maksymalnego, choćby ze względu na chęć minimalizacji ryzyka przeciążenia. Fakt ten należy wziąć pod uwagę podczas projektowania systemu, aby uniknąć sytuacji, w której układ zauważalnie nagrzewa się w trybie bezczynności.
System chłodzenia
Nawet w przypadku zasilaczy o wysokiej sprawności w układzie wciąż powstaje pewna ilość ciepła, którą należy w skuteczny sposób odprowadzić poza urządzenie. Z tego względu istotna jest konstrukcja obudowy – odpowiednie rozmieszczenie otworów wentylacyjnych może znacząco poprawić obieg powietrza i przyspieszyć transfer ciepła poza urządzenie. Pomocny może być także właściwy projekt płytki drukowanej – obecność ścieżek i przelotek termicznych też poprawia transmisję energii cieplnej i pozwala uzyskać bardziej równomierny rozkład temperatury w obwodzie.
Kolejnym istotnym aspektem jest rozmieszczenie komponentów na płytce. Podczas projektowania PCB bardzo często rozkłada się komponenty ze względu na właściwości elektryczne oraz łatwość prowadzenia ścieżek – jednak chcąc zapewnić możliwie największą żywotność urządzenia, należy zadbać o umieszczenie komponentów wrażliwych na wysoką temperaturę jak najdalej od głównych źródeł ciepła w obwodzie. Przykład prawidłowego designu przedstawiono na rysunku 2, gdzie pokazano zdjęcie pracującego układu zarejestrowane za pomocą kamery termowizyjnej.
Zasilacze na szynę DINZasilacze na szynę DIN to jednostki, które wyróżniają się specjalną obudową, w której tylnej części umieszczony jest zaczep pozwalający na zamocowanie na metalowej szynie o szerokości 35 mm. Mocowanie polega na przyciśnięciu obudowy zasilacza do szyny. Specjalny kształt szyny (przypominający spłaszczone U) i zatrzask w obudowie powodują, że zamocowanie następuje automatycznie i nie wymaga narzędzi. Rozmiar szyny i kształt zatrzasku są znormalizowane (stąd właśnie nazwa DIN od Niemieckiego Instytutu Normalizacyjnego – Deutsches Institut für Normung), dzięki czemu zasilacze w takich obudowach pasują do każdej skrzynki instalacyjnej dowolnego producenta. Na szynie DIN mocowane są także bezpieczniki, wyłączniki, kontrolki, przekaźniki i sterowniki. Asortyment takich produktów jest duży, wybór ich ogromny, przez co system montażu na szynie DIN stał się bardzo popularny w ostatnich latach w aplikacjach przemysłowych, automatyce domowej i budynkowej. Poszczególne jednostki zasilające tego typu mają taką samą wysokość obudowy i głębokość, a w zależności od mocy wyjściowej różnią się tylko szerokością. Mają one przyłącze śrubowe w dolnej i górnej części obudowy, a podłączenie do instalacji odbywa się za pomocą przewodu. |
Podsumowanie
Kluczem do zapewnienia wysokiej żywotności zasilaczy jest odpowiednie zarządzanie temperaturą urządzenia. Wysoka sprawność pozwala ograniczyć moc strat układu, zaś wydajny system chłodzenia – skutecznie odprowadzić wygenerowane ciepło na zewnątrz obwodu. Wysoka temperatura jest szczególnie szkodliwa dla kondensatorów elektrolitycznych, stanowiących w zasadzie niezbędny element konstrukcyjny większości rodzajów zasilaczy, ponieważ przyspiesza ich wysychanie, czyli proces utraty cieczy pełniącej funkcję elektrolitu. W pewnym przybliżeniu można przyjąć, że wzrost średniej temperatury o każde 10°C skraca żywotność kondensatora o połowę.
Wyższa sprawność zasilacza przekłada się również na żywotność wszystkich podzespołów zamontowanych w szafie sterowniczej. Zasilacz stanowi bardzo często najgorętszy element systemu, zatem w największym stopniu odpowiada za temperaturę wewnątrz szafy. Zastosowanie zasilacza o sprawności wyższej nawet o jeden punkt procentowy można spowodować spadek temperatury wewnątrz obudowy szafy o kilka stopni Celsjusza, co powinno przełożyć się na zauważalną poprawę żywotności wszystkich elementów systemu.
Damian Tomaszewski
