Folgen der Überschreitung des Betriebstemperaturbereichs eines Netzteils

29. Januar 2019 verfasst von Ron Stull

Folgen der Überschreitung des Betriebstemperaturbereichs eines Netzteils

Willkommen bei Teil 3 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“. Hier beschäftigen wir uns mit einer Frage, die wir bei CUI oft zu hören bekommen: „Was passiert, wenn ich mein Netzteil außerhalb eines bestimmten Spezifikationsbereichs betreibe?“ In Teil 1 behandelten wir die Eingangsspannungsbereichs-Spezifikation und in Teil 2 die Ausgangsstromgrenzen. In Teil 3 behandeln wir die Betriebstemperatur eines Netzteils und untersuchen, was bei einer Überschreitung des angegebenen Bereichs geschieht.

Lesen Sie Teil 1 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“ über Eingangsspannungen
Lesen Sie Teil 2 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“ über Ausgangsströme

Betriebstemperaturgrenzen

Selbst mit der heutigen Technologie lässt sich das Wetter nicht immer vorhersagen. Dies kann bei elektrischen Systemen in unkontrollierten Umgebungen ein Problem sein, wenn die Temperatur außerhalb des angegebenen Betriebsbereichs liegt. Das Überschreiten der Mindest- oder Höchsttemperatur kann verschiedene Probleme für eine Stromversorgung verursachen, einschließlich Leistungsabfall, reduzierter Lebenserwartung und Totalausfall.

Überschreiten der Betriebstemperaturgrenzen – Leistungsprobleme

Leistungsprobleme treten auf, wenn ein Netzteil weiterhin funktioniert, jedoch außerhalb seiner Leistungsspezifikationen. Die elektrischen Eigenschaften der meisten Komponenten werden durch die thermischen Bedingungen beeinflusst, in denen sie arbeiten. Daher werden thermische Grenzwerte festgelegt, damit die Komponenten in einem für ihre Leistung akzeptablen Bereich bleiben. Außerhalb dieses Bereichs ist das Verhalten der Komponenten nicht mehr garantiert, und die Verschlechterung der Leistungsdaten wie Effizienz, Welligkeit, Regelung und sogar elektromagnetische Interferenz wird zu einem Problem.

Die Komponenten einer Stromversorgung können in zwei Kategorien unterteilt werden: solche mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) und solche mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC). Bei PTCs ändert sich der Wert der verlustbringenden Komponente in dieselbe Richtung wie die Temperatur und bei NTCs passiert das Gegenteil.

Komponenten im Power-Train, bei denen es sich um PTC-Bauelemente handelt, wie z. B. MOSFETs, deren effektiver Einschaltwiderstand mit der Temperatur zunimmt (siehe Diagramm unten), werden mit zunehmender Temperatur einen Anstieg der Verluste feststellen.

Diagramm, das den Einschaltwiderstand der MOSFET-Kurven bei verschiedenen Temperaturen zeigt
Einschaltwiderstand von MOSFET-Kurven bei unterschiedlichen Temperaturen

Bei NTC-Geräten, wie z. B. den Dioden in einem Brückengleichrichter, dessen Durchlassspannung mit erhöhter Temperatur abfällt (siehe Abbildung unten), werden die Verluste verringert. Wenn sich die Last- und Wärmebedingungen ändern, können entweder die NTC- oder die PTC-Geräte dominieren, was zu einer Effizienzänderung der gesamten Versorgung in die eine oder die andere Richtung führt.

Diagramm mit den Durchlassspannungskurven bei verschiedenen Temperaturen
Durchlassspannungskurven bei verschiedenen Temperaturen

Andere Komponenten, die nicht viel Strom leiten, tragen nicht zu Änderungen der Verlustleistung bei. Ihre Werte werden jedoch häufig zum Erfassen verschiedener Aspekte der Stromversorgung verwendet. Es ist üblich, einen einfachen Spannungsteiler aus zwei Widerständen zu verwenden, um die Ausgangsspannung der Stromversorgung einzustellen, und Änderungen der Werte dieser Widerstände bewirken, dass sich auch die Ausgangsspannung ändert. Andere Sensorkomponenten können Probleme bei den eingebauten Schutzvorrichtungen verursachen. Ein Widerstand wird üblicherweise verwendet, um den Strom im Power-Train zu erfassen, und die Spannung über diesem Widerstand wird verwendet, um die Stromversorgung im Falle eines Überstroms abzuschalten. Änderungen am Wert dieses Widerstands können dazu führen, dass der Schutz zu früh oder zu spät ausgelöst wird.

Der Betrieb unterhalb der Mindesttemperatur weist viele der gleichen Probleme auf, die beim Betrieb oberhalb der Höchsttemperatur auftreten. Ein Problem bei kalten Temperaturen ist die Verringerung der Kapazität in Kondensatoren (siehe nachfolgendes Diagramm). Gewöhnlich gibt es mehrere große Elektrolytkondensatoren, die für den Betrieb der Vorrichtung kritisch sind, beispielsweise solche, die die Spannung nach dem Gleichrichter aufrechterhalten, oder solche, die am Ausgang der Versorgung verwendet werden. Eine Verringerung ihrer Kapazitäten kann zu einer erhöhten Welligkeit und sogar zu einem fehlgeschlagenen Start führen.

Diagramm, das die Kurve der Kapazität im Vergleich zur Temperatur des Aluminiumelektrolytkondensators zeigt
Kapazität im Vergleich zur Temperatur des Aluminiumelektrolytkondensators

Bei NTC-Geräten, wie z. B. dem zur Begrenzung des Einschaltstroms verwendeten Thermistor, werden die Werte ansteigen. Wenn die Temperatur zu stark absinkt, steigen die Werte möglicherweise so weit an, dass sie die Effizienz verringern oder den Betrieb behindern.

Neben Leistungsproblemen, die offensichtlicher zu erkennen sind, können verborgene Probleme wie erhöhte elektromagnetische Emissionen (EMI) auftreten und für einige Zeit unbemerkt bleiben. Die Eigenschaften des EMI-Filters werden von den Temperaturen der Filterkomponenten beeinflusst. Wenn der Filter außerhalb des Bereichs betrieben wird, für den er ausgelegt ist, dämpft der Filter die Emissionen nicht wirksam und führt dazu, dass das System die EMI-Vorschriften nicht einhält.

Überschreiten der Betriebstemperaturgrenzen – Zuverlässigkeit

Die Zuverlässigkeit und Lebenserwartung vieler Komponenten hängen direkt von der Betriebstemperatur ab. Komponenten, wie die Ausgangskondensatoren eines Netzteils, können ihre erwartete Lebensdauer drastisch reduzieren, wenn sie über der angegebenen Temperatur betrieben werden. Sollte der Temperaturanstieg zu einem Anstieg des Welligkeitsstroms führen, kann man erwarten, dass die Temperatur der Ausgangskondensatoren aufgrund der im Serienersatzwiderstand (ESR, Equivalent Series Resistance) abgeführten Leistung ansteigt. Illinois Capacitor Inc. gibt an, dass ein Temperaturanstieg um 10 °C über der Umgebungstemperatur die Lebensdauer der Aluminiumelektrolytkondensatoren wahrscheinlich halbieren wird.

Die Verringerung der Lebenserwartung der Ausgangskondensatoren zusammen mit vielen anderen Komponenten aufgrund erhöhter Betriebstemperatur innerhalb der Stromversorgung wird sicherlich die Lebensdauer der gesamten Stromversorgung reduzieren. Auf der anderen Seite kann der Betrieb bei niedrigen Temperaturen zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit durch Verschleiß führen, z. B. Risse in Lötstellen, Keramikkondensatoren, SMD-Leitungen und Kunststoffen.

Überschreiten der Betriebstemperaturgrenzen – Komponentenfehler

Je nach Ausführung schützt sich ein Netzteil, indem es sich abschaltet, da es einen Ausfall von Komponenten riskiert, wenn es außerhalb seiner thermischen Grenzen betrieben wird.

Einige Netzteile verfügen über einen Übertemperaturschutz. In diesen Fällen wird das Netzteil abgeschaltet, bis die Temperatur wieder innerhalb der festgelegten Grenzen liegt, oft mit einer gewissen Hysterese. Bei anderen Netzteilen, die nicht über einen systemweiten Übertemperaturschutz verfügen, können einige Komponenten über ihren eigenen internen Schutz verfügen. In diesem Szenario können Teile der Schaltung heruntergefahren werden, während andere betriebsbereit bleiben, was zu möglichen Komplikationen und Ausfällen führen kann.

Wenn die Stromversorgung nicht über einen eingebauten Schutz verfügt, besteht die Gefahr, dass die PTC-Geräte im Power-Train über dem Temperaturbereich betrieben werden. Diese Vorrichtungen haben normalerweise einen gewissen Spielraum, der jedoch von den Betriebsbedingungen wie der Eingangsspannung abhängig ist und in verschiedenen Bereichen des Betriebsbereichs schmaler sein kann.

Fazit

Die Betriebstemperatur wirkt sich auf jede Komponente in einem Netzteil aus. Der Betrieb außerhalb der thermischen Grenzen des Netzteils kann dazu führen, dass sich die Komponenten anders als beabsichtigt verhalten, und kann eine verminderte Lebensdauer oder sogar den vollständigen Ausfall nach sich ziehen. Vor dem Betrieb außerhalb des angegebenen Temperaturbereichs sollte der Hersteller gefragt werden, welche Auswirkungen dies auf ein bestimmtes Netzteil hat.

Hilfreiche Ressourcen

Lesen Sie Teil 1 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“ über Eingangsspannungen
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Ron Stull

Ron Stull

Stromversorgungsingenieur

Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.

 
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