Stromversorgung: Einfluss der Temperatur auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit

| Autor / Redakteur: Stefan Bergstein * / Gerd Kucera

Bild 1: Das Mean Well TDR-480-24 ist ein DIN-Schienen-Schaltnetzteil mit einer Leistung bis 480 W (24 V/20 A).
Bild 1: Das Mean Well TDR-480-24 ist ein DIN-Schienen-Schaltnetzteil mit einer Leistung bis 480 W (24 V/20 A). (Bild: EMTRON)

Neben sorgfältiger Auswahl der Halbleiter hat das Kühlkonzept entscheidenden Einfluss auf die Ausfallsicherheit eines Schaltnetzteils; denn pro 9 Kelvin Temperaturanstieg halbiert sich die Lebensdauer.

Die Frage, ob Trafonetzteil oder Schaltnetzteil, stellt sich heute nicht mehr. Neben überlegenen technischen Eigenschaften punkten Schaltnetzteile gegenüber dem Trafonetzteil mit niedrigen Kosten, geringem Gewicht und wenig Platzbedarf. Auch sind bestimmte Forderungen wie PFC (Power Factor Correction = Leistungsfaktor > 0,9 und sinusförmiger Netzstrom) sinnvoll nur mit Schaltnetzteilen einzuhalten. Es bleibt aber die Frage: Was sind die größten Einflüsse auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines Schaltnetzteils?

Wesentliche technische Vorteile von guten Schaltnetzteilen sind:

  • geregelte Ausgangsspannung ohne zusätzlich nachgeschalteten Regler,
  • hoher Wirkungsgrad, geringe Verluste sind unabhängig von der Eingangsspannung,
  • Weitbereichseingang (z.B. 95 bis 264 V) sind mit geringem Aufwand möglich,
  • hohe kurzzeitige Überlastbarkeit.

Nachteilig sind allerdings HF-Störungen auf den Zuleitungen sowie abgestrahlte Störungen, eine eventuell geringere Lebensdauer und Zuverlässigkeit gegenüber herkömmlichen Stromversorgungen auf Grund der Mehrzahl an benötigten Bauteilen.

Die Betriebstemperatur hat wesentlichen Einfluss

Den größten exponentiellen Einfluss auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit hat die interne Betriebstemperatur: Die Lebensdauer halbiert sich jeweils pro 9 °C Temperaturanstieg. Eine Betriebszeit von Jahrzehnten bei niedrigen Temperaturen können bei hohen Temperaturen rasch nur wenige Jahre oder sogar Monate werden. Jedes Grad weniger zählt. Zwar kann man durch den Einsatz hochentwickelter Bauteile eine längere Lebensdauer bei hohen Temperaturen erzielen, jedoch ist beim Einsatz solcher Spezialbauteile der Kosten-Nutzen-Faktor abzuwägen. Vielfältig schließt sich der Einsatz für Standardanwendungen aus Kostengründen aus.

Die professionelle Entwicklung eines Schaltnetzteiles vorausgesetzt, bestimmt zunächst der Hersteller die erforderlichen Einbau- und Kühlverhältnisse für sein Gerät. Betreibt jedoch der Anwender die Applikation in einer thermisch kritischen Situation, z.B. durch unzureichende Lüftung oder Wärmeabfuhr, behindert das die Kühlung der Einheit. Dies führt zur Überhitzung und damit zur Lebensdauerreduktion oder gar zum Ausfall. Zwar enthalten alle guten Schaltnetzteile einen Übertemperatursensor, der bei Überschreiten seiner Ansprechtemperatur abschaltet, jedoch verhindert dies nicht einen langen Betrieb gerade unterhalb der Abschaltschwelle, dadurch reduziert sich die Lebensdauer drastisch.

Für alle Bauelemente werden maximal zulässige Betriebstemperaturen angegeben, dies bedeutet aber nur, dass die Funktion bei der Maximaltemperatur garantiert wird. Allerdings hat dies erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer, die stets dem „Halbierung-pro-9-Grad-Gesetz“ unterliegt. Für Automobilapplikationen gibt es beispielsweise Bauteile für zulässige Betriebstemperaturen bis weit über 100 °C, doch darf man nicht übersehen, dass ein Auto nur eine Lebensdauer von einigen tausend aktiven Stunden hat, während derer die Maximaltemperaturen auch nur zeitweise auftreten.

Hoher Wirkungsgrad für eine hohe Lebensdauer?

Welche Möglichkeiten hat nun ein Hersteller von Stromversorgungen, um eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit seiner Geräte zu erreichen? An erster Stelle steht der Wirkungsgrad, je höher dieser ist, umso geringer sind die Leistungsverluste und somit die Eigenerwärmung. Das bedingt einen gewissen Mehraufwand, der sich berechtigt im Preis niederschlagen kann. Die kritischsten Bauteile in jedem üblichen Schaltnetzteil sind die Elektrolytkondensatoren (Elkos), da sie ein flüssiges Elektrolyt enthalten, das im Überhitzungsfall mehr oder weniger rasch durch die Dichtung entweicht. Elkos gehören zu den wichtigsten und größten Bauteilen des Netzteils, die Versuchung ist groß, hieran zu sparen, das heißt, sie zu überlasten oder unerfahrene und dadurch niedrigpreisige Lieferanten zu wählen. Die von EMTRON vertretenen Hersteller verbauen nur hochwertige Kondensatoren namhafter Marken ein, da eine billige, unsichere Bauteilquelle der übernommenen Verantwortung und ihrem Qualitätsverständnis nicht genügen.

Die Fertigung dieser Bauteile erfordert jahrzehntelange Erfahrung. Das macht die Zahl kompetenter Hersteller überschaubar und erhöht deren Preise marginal. Auch der Wunsch nach geringen Abmessungen und insbesondere niedriger Bauhöhe begrenzt das verfügbare Volumen für Elkos. Niedrige, breite Elkos haben eine geringere Lebensdauer, da sie eine größere Dichtfläche und kürzere Wege für das Verdunsten des Elektrolyten haben. SMD-Elkos werden beim Reflow-Löten extremen Temperaturen ausgesetzt und verlieren dadurch Lebenszeit. Gegen Ende der Elko-Lebensdauer werden sie exponentiell immer heißer, in der Regel schlagen sie dann durch und blasen dabei das Elektrolyt über Sicherheitsdichtungen aus.

Beim Vergleichstest von Schaltnetzteilen gehört die Messung der Oberflächentemperatur aller Elkos am Dach zu den ersten und wichtigsten Maßnahmen. Wenn man sehr gründlich sein will, beschafft man sich die technischen Daten des Elkoherstellers, denen man die Lebensdauer über der Temperatur entnimmt. Vielfach stellen die Netzteil-Hersteller auch technische Reports mit Angaben der Bauteiltemperaturen zur Verfügung.

Es gelten aber für alle Bauteile eines Schaltnetzteiles Temperaturgrenzen, besonders auch für alle Isoliermaterialien. Die Isolationseigenschaften der üblichen PE-Folien nehmen mit steigender Temperatur merklich und bei hohen Frequenzen drastisch ab. Nach den Elkos sind Kunststoff-Folienkondensatoren bei Temperaturen über 100 °C gefährdet. Die Leistungsferrite der induktiven Bauteile zeigen bei über 100 °C rasch ansteigende Verluste, die zur Sättigung mit anschließender Zerstörung aktiver Bauteile führen können.

Der übliche Einsatz von SMD-Bauteilen verschlechtert die thermische Situation, weil auf die Platine gelötete Leistungsdioden und -transistoren die benachbarten Elkos aufheizen. Auch die üblichen Platinenmaterialien verursachen bei hohen Frequenzen Verluste.

Im Hinblick auf etwaig auftretende thermische Belastungen innerhalb der Lebenszeit ist ein anfänglich teureres Schaltnetzteil im Einsatz meist günstiger, da die verbauten höherwertigen, temperaturfesten Komponenten die Gesamtlebens- bzw. Servicefreie-Zeit der Applikation deutlich erhöhen. Darüber hinaus ist selbstverständlich jeder Anwender von Schaltnetzteilen (SNT) gut beraten, für optimale Kühlung zu sorgen.

Seriöse SNT-Anbieter geben ein Kurvendiagramm für die Belastbarkeit in Abhängigkeit von der Temperatur eines definierten Testpunktes am Gehäuse an. Der beste Rat lautet: ein Schaltnetzteil mit einer höheren spezifizierten Leistung als der benötigten Dauerleistung zu wählen und nicht mehr als 75 % der Nennleistung kurzzeitig zu nutzen.

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