Die Ausfallraten vieler elektronischer Bauteile steigen mit der Temperatur. Dies ist ein Problem, das Konstrukteure vor Herausforderungen stellt, da die zunehmende Transistordichte dazu führt, dass Geräte mehr Watt pro Quadratzentimeter erzeugen als je zuvor. CFD-Modellierungstechniken sagen die Wirksamkeit von Wärmeableitungsansätzen wie der Verteilung von Bauteilen und dem Hinzufügen von Kühlkörpern und Lüftern voraus, aber Tests bleiben ein wesentlicher Schritt.
Während für einige Komponenten und Platinen Prüfstandtests ausreichend sein mögen, ist es besser, sie in einen Windkanal zu stellen [Normen wie Network Equipment Building System (NEBS) verlangen Windkanaltests]. Windkanaltests werden normalerweise in Verbindung mit Aerodynamik betrachtet, aber sie sind auch eine wichtige Testmethode für Elektronik. Nur in einem Windkanal kann der Luftstrom so gesteuert werden, dass beispielsweise die Auswirkungen der Lüfterkühlung bewertet werden können.
Dieses Whitepaper von OMEGA Engineering untersucht die Einsatzmöglichkeiten von Laborwindkanälen. Besonderes Augenmerk wird auf die Prüfung von Elektronik gelegt, aber auch deren Rolle bei der Kalibrierung wird behandelt. Die einzelnen Abschnitte befassen sich mit folgenden Themen:
- Notwendigkeit des Wärmemanagements
- NEBS
- Einsatz eines Windkanals zur Modellverifizierung und -prüfung
- Laborwindkanäle
Notwendigkeit des Wärmemanagements
Da die Transistordichte immer weiter zunimmt, verbrauchen Mikroprozessoren mehr Strom und geben mehr Wärme ab. Für einen zuverlässigen Betrieb ist eine Kühlung unerlässlich, daher sind Kühlkörper größer, Lüfter leistungsstärker und Heatpipes häufiger geworden. Aber Mikroprozessoren sind nicht die einzige Wärmequelle. Jede aktive elektronische Komponente erzeugt Wärme, und moderne Schaltungsdesigns packen sie in immer höherer Dichte zusammen.
Die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten ist umgekehrt proportional zur Betriebstemperatur, sodass mehr Wärme auch mehr Kühlung erfordert. Für langfristige Zuverlässigkeit sollten die Sperrschichttemperaturen der Komponenten unter 75 °C (167 °F) gehalten werden. In der Vergangenheit wurden hierfür hauptsächlich Konvektion und Zwangsbelüftung eingesetzt. In Geräten, bei denen Zuverlässigkeit keine oberste Priorität hat, war dies ausreichend, doch die steigende Wärmeabgabe verändert diese Situation.
Einige Anwendungen, insbesondere solche mit langen Garantien und Lebenszyklen, erfordern ein sehr hohes Maß an Zuverlässigkeit. Dies gilt für Situationen, in denen der Zugang schwierig und kostspielig ist oder in denen Ausfallzeiten hohe Kosten oder Einnahmeverluste verursachen. Ein solcher Industriezweig ist das öffentliche Telefonnetz (PSTN). Unternehmen wie Bell und heute Telcordia legen großen Wert darauf, dass elektronische Komponenten über einen Zeitraum von 20 Jahren oder mehr eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
NEBS
Um sicherzustellen, dass Netzwerk-Switches über lange Zeiträume hinweg zuverlässig funktionieren, entwickelte Bell Labs in den 1970er Jahren eine Reihe von Standards, die als NEBS-Kriterien bekannt wurden. Obwohl sie heute eher als „Generic Requirements“ (GR) bezeichnet werden, gelten sie weiterhin als die wichtigsten Standards für die Leistung von Telekommunikationsgeräten. Die FCC verlangt eine sehr hohe Verfügbarkeit für das PSTN, was der Grund für die Entwicklung von NEBS war. Selbst wenn ihre Verwendung nicht vorgeschrieben ist, wie beispielsweise in drahtlosen Netzwerken, bevorzugen Systembetreiber ihre Anwendung aufgrund der nachgewiesenen sehr hohen Zuverlässigkeit.
Im Laufe der Jahre haben andere Länder ähnliche Standards übernommen. Innerhalb der EU entsprechen beispielsweise die Standards des Europäischen Instituts für Telekommunikationsnormen (ETSI) den NEBS-Kriterien.
Verwendung eines Windkanals zur Modellüberprüfung und -prüfung
In jedem Entwicklungsprozess ist es wichtig, Probleme frühzeitig zu erkennen, vorzugsweise bevor Geld in Werkzeuge und Fertigung investiert wird. Dies verringert das Risiko von Testfehlern, die oft zu kostspieligen und eiligen Neukonstruktionen und Verzögerungen bei der Markteinführung führen. Da die Wärmeentwicklung ein so wichtiger Faktor beim Elektronikdesign ist, ist es mittlerweile Standard, vor der Konstruktion physischer Komponenten und Platinen CFD-Modelle zu erstellen. Diese ermöglichen die Berechnung von Wärmeflüssen in konkurrierenden Designs und tragen so zur Verbesserung der Zuverlässigkeit bei.
Unabhängig davon, wie umfangreich die Modellierung ist, bleibt die Verifizierung jedoch ein wesentlicher Schritt. Hier kommt der Windkanal als unverzichtbares Gerät ins Spiel.
In einem Laborwindkanal können Komponenten und Platinen in einem Luftstrom montiert und mit Thermoelementen instrumentiert werden. Die Platine oder Komponente kann eingeschaltet und Wärme erzeugenden Tests unterzogen werden, wobei die resultierenden Temperaturen protokolliert werden, um sie mit den Modellvorhersagen zu vergleichen. Alternativ ermöglicht die nebeneinanderliegende Anordnung konkurrierender Prototyp-Designs (z. B. Kühlkörper) einen direkten Leistungsvergleich. In einigen Windkanälen kann die Luft auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, um die Leistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu testen (dies ist wichtig für NEBS, wo eine zuverlässige Leistung im Batteriebetrieb ohne Kühlsysteme sehr wünschenswert ist).
Verwendung eines Windkanals für die Kalibrierung
Mini-Windkanal in Laborqualität für den Tisch Laborwindkanäle haben über die Verifizierung von CFD-Modellen hinaus weitere Verwendungszwecke. Sie können zur Kalibrierung von Luft- und Temperatursensoren sowie zur Kalibrierung von Anemometern verwendet werden. Dabei kann es sich um Flügelrad-, Hitzdraht- oder Pitotrohr-Anemometer handeln.
Eine weitere Anwendung der Kalibrierung für Laborwindkanäle ist die Erstellung von P-Q-Kurven für Ventilatoren. P-Q-Kurven charakterisieren die Leistung von Ventilatoren und sind daher ein wichtiges Auswahlkriterium.
Windkanäle für die Kalibrierung von Anemometern sind große Röhren, in denen Luft strömt. Sie verfügen über einen Ventilator, der die Luft bewegt. Der Ventilator muss mit Begradigungsflügeln ausgestattet sein, um den Luftstrom zu glätten. Das zu prüfende Gerät wird in der Mitte des Windkanals platziert und so befestigt, dass es sich nicht bewegen kann.
Bei der Kalibrierung von Anemometern müssen mehrere Anforderungen berücksichtigt werden:
- Alle Messwandler und Messgeräte müssen rückverfolgbare Kalibrierungen aufweisen. Kalibrierungszertifikate und -berichte müssen alle relevanten Informationen zur Rückverfolgbarkeit enthalten.
- Vor jeder Kalibrierung muss die Einrichtung durch eine Vergleichskalibrierung mit einem Referenzanemometer überprüft werden. a reference anemometer .
- Die Wiederholbarkeit der Kalibrierung muss überprüft werden.
- Eine Bewertung der Messunsicherheit muss gemäß den Richtlinien durchgeführt werden.
Es ist wichtig sicherzustellen, dass das Anemometer nicht durch Referenzgeräte zur Messung der Windgeschwindigkeit beeinflusst wird.
Derzeit auf dem Markt erhältliche Laborwindkanäle
Derzeit ist ein vollständiger Messbereich an Laborwindkanälen auf dem Markt erhältlich. Diese reichen von kompakten und kostengünstigen Modellen bis hin zu Modellen in Forschungsqualität. Alle verfügen über Funktionen zur Minimierung von Luftturbulenzen, wie z. B. Wabenstrukturen, und sind auf hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit ausgelegt.
Es gibt einen Windkanal für die thermische Bewertung von Leiterplatten, Kühlkörpern, Komponenten und die Kalibrierung der Sensoren für Luftgeschwindigkeiten. Er verfügt über eine durchsichtige Testkammer aus Polycarbonat mit einem Querschnitt von 43 x 8,25 cm und wird von vier Ventilatoren mit einer Leistung von bis zu 5 m/s (1000 ft/min) gespeist. Mit dem mitgelieferten USB-Kabel ist eine Software für die präzise Steuerung des Luftstroms per PC verfügbar.
Die geschlossenen Windkanäle in Laborqualität sind ideal für NEBS-Tests geeignet, da sie die Luft nicht in den Raum abgeben, sondern umwälzen. Dieses Design ist vorteilhaft, wenn Leiterplatten und Komponenten in heißer Luft getestet werden, da es schnell die gewünschte Temperatur erreicht und eine gute thermische Stabilität bietet. Der Testbereich aus Polycarbonat misst 41,8 x 22,5 x 8,9 cm. Über den Controller können Luftgeschwindigkeiten von bis zu 7 m/s (1200 ft/min) programmiert werden, und die Luft kann mit einer Genauigkeit von ±1 °C auf 85 °C erwärmt werden.
Der größere Windkanal mit offenem Regelkreis verfügt über einen Plexiglas-Testabschnitt mit den Maßen 60,9 x 40,6 x 8,2 cm, der groß genug ist, um zwei Kühlkörper nebeneinander aufzunehmen. Die Ventilatoren sind auf einer Halterung montiert, sodass sie ausgetauscht werden können, um Luftströme von bis zu 10 m/s (2000 ft/min) zu erzeugen. Das offene Design kann auch zur Erzeugung von P-Q-Kurven sowie für PCB- und Komponententests verwendet werden.
Eine etwas größere Einheit ist ein vollständig steuerbarer Windkanal für thermische und Luftstromtests mehrerer PCBs. Er kann bis zu sechs PCBs gleichzeitig aufnehmen, sodass deren thermische Strömungsverteilung und Druckabfallcharakteristik getestet werden können. Der Plexiglas-Prüfraum misst 60,9 x 46,9 x 7,6 cm. Es sind Luftströme von bis zu 10 m/s (2000 ft/min) möglich. Die Ventilatoren sind auf einer Halterung montiert, sodass sie ausgetauscht werden können, um den erforderlichen Luftstrom zu erzielen.
Windkanaltests zur Zuverlässigkeitsprüfung
Der Laborwindkanal wird in erster Linie zur Charakterisierung und Verifizierung der thermischen Leistung von elektronischen Bauteilen und Leiterplatten verwendet. Dies ist sehr wichtig, um die für einen zuverlässigen Betrieb erforderlichen niedrigen Temperaturen sicherzustellen, und besonders wichtig für Hardware, die NEBS- oder ähnlichen Standards unterliegt.
