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L’objectif principal d’une alimentation est de fournir efficacement la tension et le courant nécessaires à la charge. À mesure que la conception des équipements évolue, ceux-ci deviennent fréquemment plus petits, nécessitant une alimentation plus compacte qui doit donc être encore plus efficace. À mesure que l’efficacité de l’alimentation augmente, la quantité de puissance gaspillée diminue. Les alimentations modernes d’aujourd’hui, avec des rendements supérieurs à 90 %, sont courantes, mais elles dissipent encore la puissance perdue sous forme de chaleur. Cet article examine les options de refroidissement possibles de la dernière série d’alimentations de XP Power, la série CCR, en se concentrant sur les installations industrielles.

La perte de puissance représente l’énergie qui n’est pas convertie en puissance utile et est généralement dissipée sous forme de chaleur. En appliquant la formule : perte de puissance = (puissance de sortie ÷ rendement) - puissance de sortie, nous pouvons calculer la perte de puissance d’une alimentation. Par conséquent, la perte de puissance pour une alimentation de 550W avec un rendement de 90 % est d’environ 61W, soulignant l’importance d’une gestion thermique efficace dans la conception des alimentations. D’un point de vue mécanique, le chemin thermique est probablement la principale préoccupation. Si vous concevez un équipement entièrement fermé, vous devez d’une manière ou d’une autre évacuer la chaleur résiduelle de l’enceinte. Si vous ne le faites pas, en fonction de la taille de l’enceinte, il fera de plus en plus chaud à l’intérieur.

Maximiser la longévité de l’alimentation

Au sein de l’alimentation, les condensateurs électrolytiques (e-caps) sont sensibles à la chaleur, ce qui est la principale limitation de la durée de vie de l’alimentation. Les fabricants d’e-caps spécifient la durée de vie de conception à la température ambiante maximale nominale, généralement 105°C. Comme la durée de vie double pour chaque réduction de 10°C de la température, un e-cap nominal de 5 000 heures à 105°C aurait une durée de vie de service de 10 000 heures à 95°C et de 20 000 heures à 85°C, et ainsi de suite. Les fabricants d’équipements industriels ne veulent pas envoyer des techniciens de maintenance pour remplacer des éléments comme les alimentations. Il est donc plus rentable et plus sûr de sélectionner une alimentation qui intègre un e-cap nominal avec une durée de vie à la conception maximale et de s’assurer que toute chaleur interne générée est dissipée efficacement. Pour les alimentations, il existe trois options principales de refroidissement : la convection, l’air forcé et la conduction.

Options de refroidissement des alimentations

Chaque méthode de refroidissement a ses avantages et est choisie en fonction des exigences spécifiques de l’environnement de fonctionnement de l’alimentation, des besoins de gestion thermique du système et des contraintes de conception de l’équipement qu’elle est destinée à alimenter. Le refroidissement par convection repose sur la circulation naturelle de l’air pour dissiper la chaleur. Dans le refroidissement par convection passive, l’air ambiant absorbe la chaleur de la surface de l’alimentation et s’élève, permettant à l’air plus frais de prendre sa place. Ce processus peut être amélioré par la conception de l’enceinte de l’alimentation, qui peut faciliter un meilleur flux d’air.

Le refroidissement par air forcé utilise des ventilateurs pour forcer l’air sur les composants de l’alimentation, augmentant ainsi le taux de transfert de chaleur vers l’air environnant. Cette technique est plus efficace que la convection passive et est souvent utilisée dans des situations où l’alimentation génère plus de chaleur que ce qui peut être dissipé par le flux d’air naturel seul. Le refroidissement par conduction implique le transfert de chaleur par contact direct avec une surface dissipant la chaleur, telle qu’un dissipateur thermique ou le châssis de l’équipement. Cette méthode est particulièrement utile dans les environnements scellés ou robustes où les ventilateurs sont indésirables en raison du bruit audible, des préoccupations de fiabilité ou des contaminants. Considérations de refroidissement dans divers environnements L’environnement de fonctionnement de l’alimentation industrielle influence de manière significative le choix de la méthode de refroidissement. Dans les applications extérieures, par exemple, l’alimentation et l’équipement final pourraient être soumis à la poussière et à l’humidité.

Dans les environnements avec des températures fluctuantes, de la condensation peut se produire lorsque l’air chaud et humide entre en contact avec des surfaces plus froides à l’intérieur de l’alimentation. Cela peut entraîner la formation de gouttelettes d’eau sur les composants, ce qui peut provoquer des courts-circuits et de la corrosion. L’humidité peut également augmenter les courants de fuite à travers les matériaux isolants, réduisant l’efficacité de l’alimentation et posant des risques pour la sécurité.

D’autres processus de fabrication créent naturellement de la poussière – par exemple, la fabrication papier, les cimenteries et les minoteries. La poussière s’accumulant sur les espacements fonctionnels et autres espacements liés à la sécurité au sein d’une alimentation peut entraîner plusieurs problèmes. Cependant, dans les environnements avec de la poussière combustible, un arc électrique ou une chaleur excessive pourrait enflammer la poussière, entraînant de graves incidents de sécurité.

Dans les environnements humide ou poussiéreux, l’alimentation doit être logée dans une enceinte scellée. Ici, une alimentation refroidie par ventilateur ne fonctionnera pas bien car il n’y a aucun moyen pour l’air chaud de s’échapper. Si l’enceinte est suffisamment grande pour que les composants critiques ne s’auto-échauffent pas, alors une alimentation refroidie par convection pourrait être une option. Sinon, utilisez une alimentation refroidie par conduction pour évacuer la chaleur à l’extérieur de l’enceinte.

De nombreux environnements industriels sont relativement propres, et avoir un ventilateur pour le refroidissement par air forcé ou ajouter des évents pour aider au refroidissement par convection est acceptable. Généralement, le bruit audible du ventilateur de l’alimentation n’est pas un problème dans ces environnements, sauf si l’équipement se trouve dans un environnement de laboratoire industriel, où le refroidissement par convection ou conduction sont des options.

Augmentation de la température avec une puissance crête

Deux facteurs principaux contraignent la puissance de crête d’une alimentation. Premièrement, la température des composants critiques ; pendant le fonctionnement à puissance crête, les limites thermiques de ces composants ne doivent pas être dépassées. Deuxièmement, le réglage de la limite de courant joue un rôle vital. Il est généralement préférable de régler cette limite assez précisément car, dans un système bien conçu, le courant ne devrait pas atteindre cette limite maximale. Même lorsque l’alimentation fonctionne à puissance crête, la tension de sortie peut diminuer légèrement, mais elle doit rester dans la plage de tolérance acceptable. Pour des utilisations spécifiques, telles que l’alimentation d’un moteur à courant continu dans une centrifugeuse, la puissance de crête n’est nécessaire que pendant une brève période, comme le court laps de temps que met le moteur pour atteindre sa vitesse maximale. Pendant le fonctionnement normal, la centrifugeuse peut n’avoir besoin que de 300W.

Un scénario similaire s’applique aux plates-formes d’imprimantes industrielles, qui peuvent avoir besoin de 36V et de courtes rafales de puissance crête jusqu’à 550W mais fonctionnent principalement à un régime stable de 350W. De même, les équipements de durcissement avec des LED 48V peuvent subir de brefs pics de 500W tout en fonctionnant principalement de manière continue à 300W. Dans de tels cas, les concepteurs d’équipements peuvent opter pour une alimentation avec une puissance nominale inférieure à l’exigence de crête. Par exemple, la série CCR basse profile de XP Power pourrait être adaptée à la fois aux méthodes de refroidissement par convection et conduction, à condition que la limite de courant soit correctement réglée et que les composants puissent supporter la chaleur générée pendant les courtes rafales au niveau de puissance de crête.

La série CCR offre une conception compacte et bas profil et propose des approbations industrielles et médicales

Options de montage et l’importance des tests thermiques

Le montage de l’alimentation joue également un rôle dans la gestion thermique. Les alimentations refroidies par conduction nécessitent un contact direct avec un dissipateur thermique ou le côté de l’enceinte, tandis que les alimentations refroidies par convection ont besoin d’espace pour le flux d’air. L’orientation de l’alimentation peut affecter la dissipation de la chaleur, le montage horizontal étant préférable.

Cependant, si le montage horizontal n’est pas une option, alors dans les fiches techniques de la série CCR, les températures de fonctionnement des composants critiques sont fournies. Pendant le développement, vous pouvez attacher des thermocouples sur ces points de mesures pour vérifier qu’ils ne dépassent pas leurs limites thermiques pendant tous les modes de fonctionnement.

Conclusion

La conception des alimentations est devenue de plus en plus complexe à mesure que la demande pour des équipements finaux compacts, efficaces et fiables augmente. Comme nous l’avons vu avec la série CCR, les alimentations doivent non seulement fournir la sortie électrique nécessaire mais aussi gérer efficacement la perte de chaleur inévitable. Avec diverses options de refroidissement disponibles, de la convection à la conduction, la série CCR peut maintenir des performances optimales même dans les environnements les plus exigeants, tout en répondant aux demandes rigoureuses de puissance de crête des équipements industriels d’aujourd’hui