Tipps und Berechnungen zur Auswahl des richtigen Lüfters

Wer meint, ohne die Kenntnis des Wärmeprofil und Kühlbedarfs das Wärme-Management einer Baugruppe oder eines Systems auslegen zu können, wird schnell eines Besseren belehrt.

Die Entwicklung einer geeigneten Lösung für das Wärmemanagement erfordert einen systematischen Ansatz, denn jede Komponente auf einer Leiterplatte trägt zur Gesamtbetriebstemperatur bei. Die meisten elektronischen Bauelemente sind so ausgelegt, dass sie über einen definierten Temperaturbereich hinweg funktionieren, aber jedes Bauteil hat sein eigenes Wärmeprofil.

Zur Ableitung der Verlustwärme gibt es entsprechend viel Kühltechniken. Sie basieren alle auf den Grundlagen von Wärmeleitung, Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung, um unerwünschte Wärme abzuführen. Das Verständnis des Wärmepfads zum Ableiten überschüssiger Wärme aus einem System ist der erste Schritt zur Entwicklung einer effizienten Wärme-Management-Lösung.

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In den meisten Systemen, insbesondere solche mit Gehäuse, wird eine Form von forcierter Luftkühlung mittels eines Lüfters erforderlich sein, um die grundlegenden Kühlverfahren zu optimieren und schließlich Wärme aus dem System zu entfernen. Ausnahmslos wird dies ein Lüfter irgendeiner Art sein und dabei stehen zahlreiche Optionen zur Auswahl. Die Wahl des richtigen Lüfters für das Wärme-Management einer gekapselten Leiterplatte ist von entscheidender Bedeutung, da dessen Funktion und Effektivität erhebliche Auswirkungen auf die Gesamtlebensdauer eines Systems haben kann.

Die von passiven Bauelementen, ICs und anderen Halbleitern erzeugte Wärme ist ein Nebenprodukt ihres Betriebs. Trotz der Bemühungen, Bauteile mit minimalem Energieverbrauch zu entwickeln, erzeugt die Bewegung der Ladungsträger in einem Substrat Wärme. Dies deutet sowohl auf die Ursache der Wärmeentwicklung als auch auf die Notwendigkeit eines effektiven Wärme-Managements hin.

Passive Bauelemente, vorwiegend Leistungswiderstände, haben eine maximale Betriebstemperatur, während die meisten aktiven Bauelemente wie Leistungstransistoren, eine maximale Sperrschichttemperatur tolerieren können. Um einen katastrophalen Ausfall zu vermeiden, muss die Umgebungstemperatur niedrig genug gehalten werden, um den sicheren Betrieb aller Bauteile in einem System zu gewährleisten.

Die Ableitung der Wärme von Bauteilen auf der Leiterplatte ist das einfachste Mittel, um Wärme insgesamt abzuführen. Wenn jedoch eine elektronische Baugruppe in einem Gehäuse, beispielsweise als Einschub in einem Rack, platziert wird, ist die Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung weniger effektiv. Aus diesem Grund erfordern Baugruppen, die mehr als 25 W Leistung verbrauchen, einen Lüfter.

Wärmeprofil erstellen und Kühlbedarf ermitteln

Um eine geeignete Kühllösung anzuwenden, muss zuerst ein Wärmeprofil des Systems erstellt werden, das unter allen Bedingungen funktioniert. Nur so wird ersichtlich, wo und wie viel Wärme entsteht. Dazu kommen Temperatursensoren zum Einsatz, die um eine Leiterplatte herum und in einem Gehäuse verteilt sind. Sie liefern Daten, die notwendig sind, um zum nächsten Schritt zu gelangen: der Definition der erforderlichen Kühlmenge.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt bei der Systemprofilierung ist der Widerstand der Luftströmung, den ein System aufweist. Die Systemimpedanz, bezogen auf den Luftdruckabfall zwischen Einlass und Auslass, spielt eine wichtige Rolle bei der Berechnung des Gesamtluftstroms, der von einem Lüfter benötigt wird. Sie entscheidet über die Größe und den Typ des Lüfters, der eingebaut werden soll. Dabei wird das System in einer Druckkammer platziert und der Druckabfall mit Hilfe von Sensoren gemessen. Bei größeren Systemen, wie etwa Rechenzentren, bietet die Modellierung des Systems mithilfe von numerischer Strömungsdynamik (CFD; Computational Fluid Dynamics) ein noch genaueres Profil des Kühlbedarfs (Bild 1).

Ein effektives Wärme-Management wichtiger elektronischer Bauelemente lässt sich also mit einem entsprechenden Niveau an forcierter Luftkühlung erreichen – aber was bedeutend entsprechend? Dazu muss untersucht werden, um welchen Anteil sich die Innentemperatur ändern kann, ohne dass sich das Ausfallrisiko erhöht.

Ein Design muss daher bewertet werden, um das kritischste Bauelement in Bezug auf die Betriebstemperatur zu bestimmen. Damit ergibt sich eine maximale Umgebungstemperatur. Die kumulative Verlustleistung für alle relevanten Bauelemente, wie beispielsweise Leistungstransistoren, Mikroprozessoren, Verstärker und Kommunikationsschnittstellen, liefert die Menge der Verlustleistung, die durch das Gesamt-Design erzeugt wird.

Die Verlustleistung in Watt wandelt sich linear in Energie um (Joule/Sekunde), die wiederum als Wärme auftritt. Dabei steigt die Temperatur der Luft in der Umgebung der Bauteile während der gesamten Betriebszeit des Systems weiter an. Irgendwann erreicht sie einen Wert, der eine weitere Wärmeentwicklung verhindert. Das Ersetzen der erwärmten Luft durch Umluft mittels eines Lüfters ist daher der gewünschte Effekt. Aus diesem Grund kommt es darauf an, einen Lüfter zu spezifizieren, der den entsprechenden Luftstrom für das System erzeugen kann.

Folgende Berechnung zeigt die Beziehung zwischen Temperaturanstieg und Luftstrom, wobei q die von der Luft absorbierte Wärmemenge (W) ist; w der Massestrom der Luft (kg/s); Cp die spezifische Wärme der Luft (J/kg x K) und ΔT der Temperaturanstieg der Luft (°C). Die entsprechende Gleichung zur Berechnung der Wärmeaufnahme lautet: q = w x Cp x ΔT.

Sobald die maximal zulässige Temperatur innerhalb des Gehäuses bekannt ist und die erzeugte Wärmemenge abgeleitet wird (basierend auf der kumulativen Leistung/Wärme, die von den Bauelementen abgeleitet wird), ist es möglich, den erforderlichen Luftstrom zu berechnen. Da der Massefluss (w) gleich Luftströmung (Q) mal Dichte (d) ist, ergibt sich durch Ersetzen und Umschreiben der Gleichung für Q eine zweite Formel, in der Q der Luftstrom in CMM (m³/min) ist, q die Menge der zu abzuleitenden Wärme (W) und d die Dichte der Luft in kg/m³. Die Formel zur Berechnung des erforderlichen Luftstroms lautet Q = [q/(d x Cp x ΔT)] x 60.

Werden die Konstanten für Cp und d bei 26 °C ersetzt, erhalten wir eine allgemeine Gleichung für die Berechnung der Luftströmung (dritte Gleichung).

Damit ergibt sich eine vereinfachte Gleichung zur Berechnung der Luftströmung als Q=0,05 x q/ΔT; für Q im CMM und Q=1,76 x q/ΔT; für Q im CFM.

Die berechnete Luftmenge lässt sich nun mit der Lüfterspezifikation vergleichen. Bild 2 macht deutlich, wie Hersteller ihre Lüfter mithilfe dieser beiden Parameter charakterisieren, um eine Kennlinie zu erstellen, die den Luftstrom, gemessen in CFM (Kubikfuß pro Minute) oder CMM (Kubikmeter pro Minute), gegen den statischen Druck, gemessen in Zoll- oder Millimeter-Wassersäule (Inch H₂O oder mm H₂O), genau darstellt.

Bild 2 zeigt die Kennlinie der Lüfterserie CFM-120 von CUI, einem 120 mm x 120 mm großen Axiallüfter mit Rahmen und Doppelkugellager. Leider ist das Ergebnis aus Gleichung 3 nur für ideale Bedingungen korrekt – ohne Gegendruck durch das Gehäuse (Systemimpedanz). In der Realität gibt es immer eine Systemimpedanz. Um die realen Anforderungen zu bestimmen, muss daher die Systemimpedanz berechnet oder geschätzt werden. Dieses Ergebnis kann dann in die Kennlinie des Lüfters (Bild 3) übertragen werden. Der Punkt, an dem sich die Linien kreuzen, ist der Arbeitspunkt des Lüfters.

Wie erwähnt, kann die Messung des Luftstroms durch ein Gehäuse in einer Druckkammer erfolgen. Ist dies jedoch nicht möglich, kann alternativ der Arbeitspunkt oberhalb der aus Gleichung 3 abgeleiteten Zahl angegeben werden. Beträgt der berechnete Luftstrom zum Beispiel 50 CFM ohne Gegendruck, würde eine Überspezifizierung des Lüfters (es wird ein Maximum von 100 CFM mit der Absicht erzeugt, bei 75 CFM betrieben zu werden) eine gute Fehlerspanne bereitstellen, ebenso wie einen gewissen Spielraum für eine Erhöhung des Luftstroms während des Betriebs.

Wird während der Entwicklungsphase die Systemimpedanz verringert oder gar minimiert, vereinfacht sich die Auswahl hinsichtlich Größe und Leistung eines Lüfters. Es empfiehlt sich, die Bereiche um den Lufteinlass und Luftauslass möglichst frei von Bauteilen zu halten und die zusätzliche Systemimpedanz zu berücksichtigen, die ein Filter mit einbringt. Die Platzierung der Bauelemente auf der Leiterplatte sollte die Luftzirkulation zu und um die kritischen Komponenten herum fördern, gegebenenfalls mithilfe eines Luft-Ansaugstutzens (Air Guide).

Zusätzlich ist zu beachten, dass die genannten Gleichungen die Luftdichte bei Normalhöhennull (Meeresspiegel) verwenden. Wird ein System voraussichtlich in höheren Lagen betrieben, ist dies zu berücksichtigen. Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab, sodass ein signifikanter Höhenanstieg zu einer entsprechend hohen Zunahme der Luftströmung führen sollte, die erforderlich ist, um das gleiche Kühlniveau aufrechtzuerhalten.

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