Effizienz der Netzteilumwandlung
Ein Netzteil ist im Wesentlichen ein integrierter Transformator, der aus einem Transformator, einem AC/DC-Wandler und entsprechenden Spannungsstabilisierungsschaltungen besteht. Vereinfacht ausgedrückt besteht diese integrierte Einheit aus zwei Hauptkomponenten: dem Transformator und dem Stromwandler. Beide Komponenten verbrauchen von Natur aus elektrische Energie, und die zugehörigen Stabilisierungskreise bilden da keine Ausnahme. Daher ist auch das Netzteil selbst ein energieverbrauchendes Gerät.
Die in das Netzteil eingespeiste Energie kann nicht zu 100 % in nutzbare Energie für die verschiedenen Komponenten im Host-Gerät umgewandelt werden. Dies ist die Frage der Umwandlungseffizienz, über die wir heute diskutieren.
Die Umwandlungseffizienz ist ein entscheidender Indikator für Netzteile. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet, dass der Adapter selbst weniger Verluste verursacht, was zu größeren Energieeinsparungen führt. Der Umwandlungswirkungsgrad eines Netzteils ist definiert als die Gesamtausgangsleistung dividiert durch die Gesamteingangsleistung: Leistungseffizienz η=Po / Pi. In dieser Formel steht Po für die Ausgangsleistung und Pi für die Eingangsleistung.
Der Zusammenhang zwischen der Umwandlungseffizienz eines Netzteils und seinem Temperaturanstieg muss berücksichtigt werden. Da der Adapter intern eine gewisse Menge an Strom verliert, kann sein Umwandlungswirkungsgrad nicht 100 % betragen. Der vom Adapter verbrauchte Strom äußert sich in Wärme. Die Höhe der erzeugten Wärme hängt in erster Linie von der Umwandlungseffizienz des Adapters und seiner physischen Größe ab. Unter bestimmten Wärmeableitungsbedingungen weist der Adapter einen bestimmten Temperaturanstieg auf -die Differenz zwischen seiner Gehäusetemperatur und der Umgebungstemperatur. Die Oberfläche des Adaptergehäuses hat direkten Einfluss auf diesen Temperaturanstieg. Eine grobe Schätzung kann mit dieser Formel vorgenommen werden: Temperaturanstieg=Wärmewiderstandskoeffizient × Blockstromverbrauch. In Umgebungen mit hohen Temperaturen muss die Leistung des Adapters reduziert werden, um seinen Stromverbrauch zu senken. Dadurch wird der Temperaturanstieg verringert und sichergestellt, dass die internen Komponenten ihre maximalen Temperaturgrenzen nicht überschreiten. Der Anstieg der Betriebstemperatur erfüllt nicht nur die Betriebsanforderungen elektronischer Geräte, sondern wirkt sich auch erheblich auf die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) des Adapters aus, wenn die Ausgangsleistung konstant ist. Hohe Effizienz und geringer Temperaturanstieg führen zu einer längeren Produktlebensdauer, kleinerer Größe und geringerem Gewicht. Diese Diskussion über die Größe führt uns natürlich zum Thema der Leistungsdichte.
Die überwiegende Mehrheit der Hersteller von Netzteilen verwendet die Leistungsdichte als Standard zur Messung der Produkteffektivität. Die Leistungsdichte wird typischerweise in Watt pro Kubikzoll (W/in³) ausgedrückt. Wenn der Adapter nicht innerhalb des angegebenen maximalen Umgebungstemperaturbereichs verwendet werden kann, erreicht er möglicherweise nicht die angegebene maximale Ausgangsleistung. Die verfügbare mittlere Ausgangsleistung ist die nutzbare Leistungsdichte.
Die nutzbare Leistungsdichte hängt von folgenden Faktoren ab:
■ A. Erforderliche Ausgangsleistung.Dies ist die maximale durchschnittliche Leistung, die von der Anwendung benötigt wird.
■ B. Wärmeimpedanz.Definiert als der durch Verlustleistung verursachte Temperaturanstieg, normalerweise gemessen in Grad/W.
■ C. Maximale Gehäusebetriebstemperatur.Alle Leistungskomponenten haben eine festgelegte maximale Gehäusebetriebstemperatur. Damit ist die höchste Temperatur gemeint, die die inneren Elemente der Komponente während des Betriebs aushalten können. Um die Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten, muss der Betrieb unterhalb dieser Temperatur bleiben.
■ D. Betriebsumgebungstemperatur.Dies bezieht sich auf die ungünstigste-Umgebungstemperatur während des Betriebs der Komponente. Wenn ein Leistungsbauteil zu viel Wärme erzeugt und diese nicht schnell genug an das umgebende Medium abgeben kann, kann es zu einem Ausfall aufgrund einer Überschreitung der garantierten Betriebstemperatur kommen. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers eine der wesentlichen Voraussetzungen für den zuverlässigen Komponentenbetrieb.
Die wichtigsten Parameter, die für die thermische Auslegung von Leistungskomponenten erforderlich sind, sind folgende:
■ 1. Betriebsübergangstemperatur der Komponente:Die vom Hersteller angegebene oder durch Produktnormen vorgeschriebene maximal zulässige Betriebstemperaturgrenze für das Gerät.
■ 2. Komponentenverlustleistung:Die durchschnittliche Dauerleistung, die das Gerät während des Betriebs verbraucht, definiert als das Produkt aus dem durchschnittlichen RMS-Ausgangsstrom und dem durchschnittlichen RMS-Spannungsabfall.
■ 3. Verlustleistung von Leistungsgeräten:bezieht sich auf die Wärmeableitungskapazität einer bestimmten Wärmeableitungsstruktur.
■ 4. Wärmewiderstand (R):Der Temperaturanstieg pro Verlustleistungseinheit bei der Wärmeübertragung zwischen Medien.
