Nie ulega wątpliwości, że jednym z największych wrogów elektroniki jest ciepło: wysoka temperatura skraca bowiem żywotność i zmniejsza niezawodność każdego układu elektronicznego. Stąd efektywne zarządzanie nią stanowi kluczowy warunek i miarę postępu w procesach konstruowania urządzeń elektrycznych, w tym także zasilaczy sieciowych. Do niedawna do chłodzenia tego typu układów wykorzystywano głównie wymuszony obieg powietrza. Nowe koncepcje powoli odchodzą jednak od wentylatorów, skłaniając się ku alternatywnym metodom odprowadzania ciepła. Rozwiązania te w połączeniu z odpowiednio dobranymi kondensatorami mają bardzo istotny wpływ na niezawodność urządzeń podpiętych do sieci.

Ciepło pod kontrolą

Energię cieplną wytwarzaną przez zasilacze sieciowe można odprowadzać na kilka różnych sposobów: z wykorzystaniem chłodzenia pasywnego (konwekcji), wentylatorów, a także systemów bazujących na wodzie. Każdy z nich ma swoje wady i zalety, które przekładają się na zakres jego potencjalnych aplikacji.

Największą efektywnością odprowadzania ciepła cechują się układy chłodzenia wodą. Wymagają one jednak także wysokich nakładów na inwestycję – a to ze względu na dużą złożoność ich konstrukcji. Jak w tym porównaniu wypadają pozostałe metody odprowadzania ciepła? Przyjrzyjmy się ich wadom i zaletom w kontekście konkretnych zastosowań.

W systemach średnich do dużych mocy do zasilania urządzeń elektrycznych często stosuje się zasilacze z wymuszonym obiegiem powietrza. Znajdują one zastosowanie m.in. w układach sterowania, infrastrukturze komunikacyjnej i IT, a także w instalacjach oświetlenia zewnętrznego. Wyposażone w wentylatory, osiągają wysoką efektywność odprowadzania ciepła przy stosunkowo niewielkich gabarytach. Ich zaletą jest także możliwość dostosowania wydajności chłodzenia do potrzeb danej aplikacji. Korzyści te mają jednak swoją cenę: wentylator zajmuje bowiem sporo miejsca i wymaga zasilania energią elektryczną, co zwiększa całkowite zużycie energii w zakładzie. Co więcej, jest komponentem elektromechanicznym, a tym samym generuje hałasy i drgania oraz jest bardziej podatny na zużycie niż części nieruchome. Wymuszony obieg powietrza sprzyja również zaciąganiu pyłu do wnętrza chłodzonego komponentu, co ogranicza odprowadzanie ciepła i może skutkować przedwczesną awarią urządzenia. Dlatego zanieczyszczenia te należy regularnie usuwać, co Niezależnie od właściwości owych cząsteczek należy je także regularnie usuwać, a same zasilacze regularnie wymieniać na nowe.

A gdyby tak zrezygnować z wentylatora? Specjalistą w tym zakresie jest firma MEAN WELL – producent bezwentylatorowych urządzeń sieciowych. W jej ofercie można znaleźć m.in. bezwentylatorowe zasilacze impulsowe z serii UHP i PHP do zastosowań przemysłowych o mocy od 200 do 3500 W. W serii UHP wykorzystano dwie alternatywne metody chłodzenia: za pomocą ogniwa Peltiera (metalowej płytki o wymiarach 450 × 450 × 3 mm) oraz zewnętrznych wentylatorów odprowadzających ciepło. Obie zapewniają efektywne chłodzenie nawet przy pełnej mocy urządzenia. Co więcej, unikalna topologia przyłączy i będąca jej efektem duża sprawność zasilacza sprawiają, że do chłodzenia urządzeń z tej serii można zastosować także konwekcję (chłodzenie pasywne).

Kompaktowe zasilacze z serii UHP w zależności od typu sieci osiągają 60-70% mocy znamionowej – i to nawet w sytuacji ograniczania prądu wyjściowego podczas pracy w wysokich temperaturach (derating). A to sprawia, że świetnie sprawdzą się np. w zasilaniu wyświetlaczy LED, urządzeń komunikacyjnych i serwerów – a więc wszędzie tam, gdzie istotne znaczenie ma ciągłość i niezawodność zasilania. Brak wentylatorów rozwiązuje również związany z nimi problem hałasu, dzięki czemu urządzenia mogą być stosowane w miejscach, w których konieczna jest cicha praca, np. do zasilania sprzętów domowych czy szaf serwerowych w biurach.

Efektywne chłodzenie wodą

Urządzenia wysokiej mocy, takie jak lasery włóknowe do cięcia i spawania, wyposażone są już przeważnie nie w wentylatory, lecz w układy chłodzenia wodą. Do ich zasilania warto zastosować kompaktowe zasilacze impulsowe z obiegiem wody procesowej, takie jak PHP-3500 firmy MEAN WELL. Zabudowany w nich system chłodzenia cechuje się współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie od 3000 do 7000 W/(m2K), a tym samym jest 30-70 razy bardziej efektywny niż konwencjonalne układy z wymuszonym obiegiem powietrza.

Jak pokazują badania porównawcze, chłodzenie wodne pozwala utrzymać temperaturę urządzeń krytycznych, takich jak tranzystory MOSFET czy kondensatory, na poziomie o 7-11 K niższym niż chłodzenie powietrzem. A to zgodnie z zasadą 10 K Arreniusa dwukrotnie wydłuża żywotność kondensatorów elektrolitycznych, a tym samym przyczynia się do zwiększenia niezawodności samego zasilacza. Poszczególne komponenty są bowiem znacznie mniej narażone na stres termiczny, co pozytywnie wpływa na ich pracę.
 
Dzięki tym zaletom zasilacze bezwentylatorowe z chłodzeniem wodnym świetnie sprawdzą się we wszystkich aplikacjach, w których liczy się zarówno wydajność i cicha praca, jak też bezawaryjność mierzona w latach. A takimi są m.in. przemysł spożywczy, medyczny, obrabiarki laserowe oraz systemy telekomunikacyjne wyposażone w nadajniki mikrofalowe.

Który kondensator lepszy

Efektywność chłodzenia zasilacza ma także wpływ na żywotność zastosowanych w nim kondensatorów. A te odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu stałego przebiegu napięcia na wyjściu urządzenia, zabezpieczając podłączone do niego sprzęty m.in. przed prądem tętniącym. Z reguły w zasilaczach stosuje się aluminiowe kondensatory elektrolityczne. W niektórych aplikacjach lepiej sprawdzą się jednak kondensatory z proszkiem polimerowym. 

Te ostatnie należą co prawda do grupy kondensatorów elektrolitycznych, ale zamiast płynnego elektrolitu oddzielonego warstwą dielektryka stosuje się tu wysoko przewodzący monomer, który pod wpływem ogrzewania w procesie produkcji przyjmuje formę twardego polimeru, tj. związku chemicznego zbudowanego z łańcuchów połączonych ze sobą cząsteczek. Kondensatory elektrolityczne i polimerowe wykazują odmienne reakcje na podane napięcie i temperaturę, a tym samym inaczej wpływają na niezawodność i żywotność układu elektrycznego. Przyjrzyjmy się każdemu z nich z osobna.

Aluminiowe kondensatory elektrolityczne ze względu na bardzo dużą pojemność i niską cenę są powszechnie stosowane w układach prostownika. Są jednak bardzo wrażliwe na wysokie temperatury: długotrwała ekspozycja na ciepło przyspiesza zużycie elektrolitu, co może prowadzić do jego wycieku, a w skrajnych przypadkach nawet do wybuchu kondensatora. Jego żywotność może ulec skróceniu także na skutek wyschnięcia elektrolitu, co w efekcie prowadzi do wzrostu prądu upływu i chwilowej temperatury układu. Dlatego należy zawczasu zadbać, aby kondensator pracował w stałej temperaturze, a w sąsiedztwie blaszki nie znajdowały się żadne źródła ciepła. W razie potrzeby warto także zastosować zewnętrzne źródła chłodzenia.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych kondensatorów elektrolitycznych ich polimerowi kuzyni zawierają w sobie nie ciecz, lecz przewodzący proszek polimerowy, co praktycznie wyklucza ryzyko ich wybuchu. Wraz z kondensatorami tantalowymi należą one do grupy najbardziej zaawansowanych komponentów tego typu, o czym świadczy m.in. ich wysoka stabilność, niezawodność i odporność na wysokie temperatury, a w efekcie i żywotność – znacznie dłuższa niż w przypadku klasycznych kondensatorów elektrolitycznych. Z tego względu kondensatory polimerowe odgrywają istotną rolę w wygładzaniu szczytowych obciążeń i niwelowaniu szumów, a także poprawiają stabilność całego obwodu elektrycznego.

Kondensatory polimerowe stosowane są przede wszystkim w układach zasilania płyt głównych. Praktycznie eliminują bowiem ryzyko wybuchu spowodowane rozgrzaniem kondensatora powyżej temperatury wrzenia elektrolitu. Pod względem żywotności oba typy są jednak do siebie zbliżone: konwencjonalny kondensator elektrolityczny może pracować w temperaturze 105°C przez ok. 6000 godzin, podczas gdy kondensator polimerowy nieco mniej, bo 5000 godzin. Jaki sens ma więc zakup droższego modelu, jeśli jego tańszy odpowiednik wykazuje się podobną żywotnością? Doprecyzujmy: przy temperaturach powyżej 90°C kondensator polimerowy rzeczywiście niewiele różni się od swojego konwencjonalnego odpowiednika, jednak poniżej tej granicy różnica w trwałości staje się coraz bardziej zauważalna – oczywiście na korzyść polimeru.

Właściwy kondensator na właściwym miejscu

Biorąc pod uwagę wyższą odporność na wysokie napięcia, ale także i wyższą cenę jednostkową kondensatorów polimerowych, ich wybór należy starannie przemyśleć. Główna zasada brzmi: typ kondensatora należy dobrać do aplikacji, a decyzja ta powinna zostać podjęta jeszcze w trakcie projektowania instalacji. W praktyce kondensatory polimerowe stosowane są tylko w ściśle określonych warunkach, a mianowicie tam, gdzie kluczową rolę odgrywają kompaktowe wymiary i długa żywotność komponentu. Oczywiście należy także wziąć pod uwagę takie aspekty jak pojemność, wartość napięcia, temperatura otoczenia czy punktowe przegrzewanie.

Warto mieć świadomość, że samo zastosowanie kondensatora polimerowego nie gwarantuje jeszcze długiej żywotności elektroniki. Niezależnie od tego, który typ kondensatora wybierzemy, jego żywotność będzie tym dłuższa, im niższa będzie temperatura panująca w jego bezpośrednim otoczeniu. Często trudno nią bezpośrednio sterować, ale można do pewnego stopnia ograniczyć ilość generowanego ciepła (spowodowanego stratami mocy) dzięki zastosowaniu wysokosprawnego źródła zasilania. Im wyższa będzie jego sprawność, tym mniejsze będą straty mocy, a tym samym wytwarzane ciepło. Obniżeniu temperatury sprzyja także zastosowanie dodatkowego chłodzenia: pasywnego, wentylatorowego lub stykowego, które umożliwi odprowadzenie ciepła z punktów jego szczególnego nagromadzenia i utrzymanie temperatury poniżej wartości krytycznej.

Przemyślany projekt instalacji powinien uwzględniać obciążenie, w tym termiczne, wszystkich komponentów elektrycznych, a także włączyć je w szerszą koncepcję zarządzania ciepłem. To na projektancie systemu spoczywa odpowiedzialność za dobór takich komponentów, które spełnią wszystkie wymagania danej aplikacji. Z pomocą przychodzi mu nowoczesna technologia chłodzenia i kondensatorów, która w połączeniu z odpowiednią topologią sieci oferuje znacznie lepsze osiągi niż jeszcze kilka lat wcześniej – z korzyścią dla całkowitej sprawności zasilacza.