Wärme ableiten
Die Miniaturisierung von Embedded-Systemen erfordert den Einsatz von Prozessoren mit einer immer höher werdenden Leistungsdichte. Leistung bedeutet auch Abwärme, umso wichtiger ist die Auswahl und Anwendung des richtigen Gehäuses um Wärme abzuleiten.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGDas Motto der heutigen Systeme ist klar: Maximale Rechenleistung auf engstem Raum durch `downscaling`. Doch die immer leistungsfähigeren Prozessoren wandeln die gesamte elektrische Energie in Wärme um.Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KG
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGGehäusedimensionierung
Wichtig ist dass zur Beginn an eine passende Gehäusegröße ausgesucht wird. Dabei sollten neben der Hauptplatine auch weitere Komponente und mögliche Erweiterungen eingeplant werden. Die Breite und Höhe eines Gehäuses aus einem Strangpressprofil werden von Profilgeometrie festgelegt. Dagegen lässt sich die Tiefe nach Wunsch auslegen.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGThermisches Management
Leistungsstarke Embedded Systeme oder auch Industrie-PCs erfordern ein perfekt ausgelegtes Konzept für das Wärmemanagement. Bereits bei einer Erhöhung der Bauteiltemperatur um 10Kelvin halbiert sich die Lebensdauer der Elektronik. Damit es nicht zu Systemausfällen kommt sollte frühzeitig Gedanken über die Entwärmung gemacht werden.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGWärmewiderstand
Bei der Auswahl des passenden Wärmeableitgehäuses spielt neben dem Volumen auch der absolute Wärmewiderstand eine wichtige Rolle. Dieser wird in Kelvin/Watt (K/W) angegeben und gibt Information darüber wie viele Kelvin Temperaturdifferenz nötig sind um 1Watt Leistung abzuführen. Kurz gesagt ein Wert der aussagt wie gut die Wärme abgeleitet wird. Umso kleiner der Wärmewiederstand ist desto besser ist der Kühlkörper. Ob das Gehäuse bzw. der Kühlkörper die Anforderungen erfüllt ist erst nach der Bestimmung des erforderlichen Wärmewiederstandes ersichtlich.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGBild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGComputergestützte Wärmesimulation
Bei komplexen Systemen kommen computergestützte thermische Simulationen zum Einsatz. Eine Wärmesimulation kann bereits in der frühen Entwicklungsphase eingesetzt werden um bereits frühzeitig Erkenntnisse über möglichen Problemzonen zu bekommen. Unter realitätsnahen Bedingungen werden mittels 3D-Daten Baugruppen evaluiert. Hot- Spots und thermisch kritische Bereiche lassen sich so visuell erkennen und einfacher optimieren. Nachträgliche kostenintensive Korrekturmaßnahmen bleiben erspart.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGNatürliche oder forcierte Kühlung
Der zukünftige Einsatzort der Elektronik und die abzuführende Leistung sind die Hauptparameter für die Auswahl des Entwärmungskonzeptes. Bei Industrie-PCs die z.B. in rauer Umgebung arbeiten sind geschlossene Gehäuse prädestiniert. Dies hat den Grund, dass Staub oder Wasser ins Gehäuse gelangen und zu Systemausfällen führen können. Geschlossene Systeme verfügen über feste Kühlkörper die für die Entwärmung der Elektronik zuständig sind. In so einem Fall spricht man von einer natürlichen Kühlung bzw. einer passiven Kühlung. Die Vorteile liegen auf der Hand, das System ist wartungsarm und langlebig. Ist die passive Kühlung nicht ausreichend muss auf eine forcierte Kühlung, auch bekannt als aktive Kühlung, ausgewichen werden. Bei der forcierten Kühlung kommen meist Lüfter zum Einsatz. Sie haben die Aufgabe das Gehäuse mit frischer Luft zu versorgen und einen Luftstrom um den internen Kühlkörper zu erzeugen. Durch den Luftstrom vervielfacht sich die Kühlleistung des Kühlkörpers. Größere Mengen Wärme lassen sich so abtransportieren. Ein großer Nachteil der Lüfter ist, dass diese sich bei staubiger Umgebung zusetzen können. Eine Drehzahl- und Temperaturüberwachung der Elektronik ist Pflicht. Außerdem müssen Gehäuse über Lüftungsöffnungen aufweisen die nur eine niedrige Gehäuseschutzklasse erlauben.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGWärmeleitmaterialien
Der Einsatz von Wärmeleitmaterialien ist unumgänglich. Jede Oberfläche weist eine Unregelmäßigkeit auf. Wenn zwei Flächen aufeinander treffen besteht der Kontakt lediglich an 3 Punkten. In dem entstandenen Zwischenraum wirkt Luft isolierend. Die Aufgabe des Wärmeleitmaterials besteht darin diese Differenz zu füllen bzw. auszugleichen. Strangpressprofile weisen natürliche Durchbiegungen auf. Bei großflächiger Kontaktierung der Kühlfläche ist eine Planfräsung vom Vorteil. Die Auswahl an Wärmeleitmaterialien ist groß und erfordert Sorgfalt bei der Auswahl. Das Sprichwort 'So viel wie nötig, so wenig wie möglich' gilt auch in diesem Fall.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGEMV-Schutz
Das CE-Kennzeichen ist das europäische Kennzeichen für die Konformität eines Produktes. Nur mit dieser Kennzeichnung darf ein elektrisches Gerät in Europa verkauft werden. Damit ein Gerät die CE-Kennzeichnung tragen darf muss es bestimmte Anforderungen an Sicherheit erfüllen. Darunter fällt auch die Elektromagnetische Verträglichkeit "EMV" die in der europäischen EMV-Richtlinie 2014/30/EU geregelt wird. Darin geht es um die Fähigkeit von elektrischen Betriebsmitteln, in einer elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellen zu arbeiten, ohne dabei selbst Störungen zu verursachen, die für andere Betriebsmittel unannehmbar wären. Hierbei wird zwischen feld- und leitungsgebundenen Störungen unterschieden. Bei einer leitungsgebundener Störung wird die Störgröße, durch die Störquelle, über den elektrischen Leiter zur Störsenke übertragen. Bei feldgebundenen Störungen wird die Störgröße über elektromagnetische Felder übertragen und durch leitende Teile die als Antenne fungieren aufgenommen. Generell werden Aluminiumgehäusen eloxiert. Die Eloxalschicht ist jedoch ein schlechter elektrischer Leiter. Um mit einem Aluminiumgehäuse eine gute Schirmdämpfung zu erreichen müssen alle Gehäuseteile miteinander möglichst großflächig und niederohmig, elektrisch leitend kontaktiert bzw. mit einer gemeinsamen Masse verbunden werden. Durch das Chromatieren von Aluminium wird eine dauerhafte elektrisch leitende Oberfläche auf dem Aluminium erzeugt. Die Oberfläche ist korrosionsbeständig und eignet sich als Haftgrund vor dem lackieren. Spalte die zwischen zwei Gehäuseteilen entstehen sind mit elektrisch leitenden Dichtungen abzudichten.
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGIP-Schutzklasse
Neben EMV spielt die IP-Schutzklasse bei Gehäusen eine wichtige Rolle. IP bedeutet 'International Protection' auch im Englischen als 'Ingress Protection' übersetzt. Die europäische Norm DINEN60529 befasst sich mit dem Schutz durch Gehäuse. Darin wir der Schutzgrad eines Gehäuses in Schutzklassen unterteilt und mit einem IP-Code angegeben. Der IP-Code beinhaltet zwei Ziffern, wobei die erste Ziffer für den Berührungs- und Fremdkörperschutz und die zweite Ziffer für den Wasserschutz steht. Zum Abdichten von Gehäusen kommen Flachdichtungen, Dichtungsschnüre, aufgeschäumte Dichtungen oder Dichtmassen zum Einsatz. Die Gehäuseschutzklasse sollte frühzeitig berücksichtig und das Gehäuse entsprechend dem zukünftigen Einsatzort gewählt werden. Nachträgliche Maßnahmen, um die Schutzklasse zu erhöhen, sind oft kostenintensiv und nicht zielführend.
Der Gehäusehersteller
Um bei den ganzen Feinheiten den Überblick nicht zu verlieren ist es ratsam einen Gehäusebauer zeitnah mit ins Boot zu ziehen. Er verfügt über ausreichende Erfahrung und kann mit dem einen oder anderen Tipp nachträgliche Arbeit und Kosten ersparen. Des Weiteren besitzen gut aufgestellte Gehäusehersteller über Simulationssysteme mit denen sich Problemzonen früh erkennen und eliminieren lassen. Auch 3D-Daten von den Gehäusen stehen dem Kunden kostenlos zur Verfügung. Ein Tipp für Sparfüchse: Jeder Gehäusebauer verfügt über fertigungstechnische Stärken. Durch die auf den Gehäusebauer ausgelegte Gehäusebearbeitung lässt sich der eine oder andere Euro sparen.
www.fischerelektronik.de
Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KGGehäusedimensionierung
Wichtig ist dass zur Beginn an eine passende Gehäusegröße ausgesucht wird. Dabei sollten neben der Hauptplatine auch weitere Komponente und mögliche Erweiterungen eingeplant werden. Die Breite und Höhe eines Gehäuses aus einem Strangpressprofil werden von Profilgeometrie festgelegt. Dagegen lässt sich die Tiefe nach Wunsch auslegen.
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Fischer Elektronik GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in IoT Design 6 2017 - 08.11.17.Für weitere Artikel besuchen Sie
