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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines luftgekühlten Schaltnetzteils für industrielle Anwendung, bei dem von im Schaltnetzteil angeordneten Wärmequellen beeinflusste Temperaturen mittels Thermoelemente gemessen und an eine Steuereinrichtung gemeldet werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Schaltnetzteil zur Durchführung des Verfahrens.
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Schaltnetzteile sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um getaktete Wandler zum Anschluss von Lasten an ein Stromnetz. Die Taktfrequenz liegt dabei weit über der Frequenz des Stromnetzes, woraus eine erheblich geringere Baugröße gegenüber Netztrafos mit Gleichrichter resultiert. Ausgangsseitig liefern Schaltnetzteile Gleichspannungen zur Versorgung unterschiedlichster Geräte.
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In der Regel arbeiten die Schaltnetzteile mit Pulsweitenmodulation (PWM) und geregelter konstanter Ausgangsspannung. Die übertragbare Leistung hängt dabei von der Bauart des Schaltnetzteils und den Einsatzbedingungen ab. Vor allem die thermischen Bedingungen sind hier zu beachten, da die in einem Schaltnetzteil angeordneten Bauelemente nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs betrieben werden dürfen. Für die übertragbare Nennleistung geben die Hersteller von Schaltnetzteilen deshalb in Datenblättern eine maximale Umgebungstemperatur an. Für höhere Umgebungstemperaturen ist in der Regel ein so genanntes Derating vorgesehen. Die Hersteller geben dabei in Datenblättern an, um wie viel die maximal übertragbare Leistung abgesenkt werden muss, um bei höheren Umgebungstemperaturen eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden.
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Abgesehen von hohen Umgebungstemperaturen können auch andere Ursachen zur Überhitzung von Schaltnetzteilen führen. Beispiele dafür sind mangelnde Wärmeabfuhr oder Überlastung durch Kurzschlüsse.
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Um die Bauteile bei Überhitzung vor Schäden zu bewahren kennt man deshalb nach dem Stand der Technik Anordnungen und Verfahren, bei denen die thermischen Verhältnisse überwacht und bei Überschreitung eines Grenzwertes eine vorübergehende oder gänzliche Abschaltung des Schaltnetzteils erfolgt.
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Ein allgemeines Verfahren zum Schutz von Schaltungskomponenten auf Basis von Sensorsignalen ist aus der
DE 199 17 341 C1 bekannt. Bevor eine zu hohe Leistungsbeanspruchung auftritt, werden mittels eines Schaltreglers Sonderroutinen gestartet.
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Die
JP H0715953 A beschreibt beispielsweise ein Schaltnetzteil, das über einen temperaturkontrollierten Schutzkreis zur Abschaltung bei ausgangsseitigem Kurzschluss verfügt. Mit einem Temperatursensor wird in der Nähe des Schaltelements die Temperatur gemessen und diese in einem Analog/Digital-Konverter in ein digitales Signal umgewandelt. Mit einem Zeitmesser, dem das digitale Temperatursignal zugeführt wird, wir dann nach Eintritt eines Kurzschlusses abhängig von der gemessenen Temperatur der Zeitpunkt für das Abschalten des Schaltelements bestimmt.
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Die
JP 2004297886 A beschreibt eine zentrale Anordnung eines Temperatursensors in einem Schaltnetzteil, um mit diesem einen Sensor die Temperatur mehreren Komponenten wie Schaltelement, Transformator und Gleichrichter messen zu können.
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Die TOPSwitch Produktfamilie des Herstellers Power Integration Inc. verfügt über eine temperaturüberwachte PWM-Steuerung. Dabei bewirkt ein analoger Schaltkreis, dass das Schaltelement der PWM-Steuerung ausgeschaltet wird, sobald die Sperrschichttemperatur einen vorgegebenen Wert übersteigt. Nachdem ein unterer Schwellwert unterschritten wird, beginnt das Schaltelement wieder zu takten und das Schaltnetzteil arbeitet im Normalbetrieb.
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Darüber hinaus sind für den Einsatz in Schaltnetzteilen vorgesehne Transistoren bekannt, die über einen eingebauten Thermosensor verfügen. Dabei ist ein Thermosensor-Chip auf dem Transistor angeordnet und mit dessen Gate- und dem Source-Anschluss verbunden. Bei thermischer Überlastung schließt der Thermosensor-Chip den Gate- und Source-Anschluss kurz. Durch einen dem Gateanschluss vorgeschalteten Widerstand fällt die Ansteuerspannung unter den Schwellwert und der Lastschaltkreis wird abgeschaltet.
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Aus der
WO 2004027963 A1 ist ein Schaltnetzteil bekannt, bei dem mittels mehrerer Temperatursensoren ein thermisches Modell errechnet wird. Kritische Bauteile innerhalb des Schaltnetzteils werden auf diese Weise überwacht, wobei das Erreichen vorgebbarer Grenzwerte bzw. einer bedenklichen Kombination solcher Grenzwerte zur Ausgabe eines Begrenzungssignals oder mehrerer entsprechender Signale führt.
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Die nach dem Stand der Technik bekannten Ausprägungen der Temperaturüberwachung von Schaltnetzteilen betreffen somit den Schutz der Komponenten der Schaltnetzteile selbst. Im Wesentlichen sind das die PWM-Steuerung und die Schaltelemente. Eine thermische Überlastung führt dann immer dazu, dass das Schaltnetzteil abschaltet und nicht mehr taktet, bis nach Absinken der Temperatur eine neuerliche Betriebsbereitschaft erkannt wird oder bis das Bedienpersonal das Schaltnetzteil erneut einschaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen eine Verbesserung des Standes der Technik herbeigeführt wird.
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Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, wobei von wenigstens zwei an unterschiedlichen Messpunkten angeordneten Thermoelementen gemessene Temperaturen an die Steuereinrichtung gemeldet werden und wobei die gemessenen Temperaturen in der Weise mit Temperaturmustern verglichen werden, dass die gemessenen Temperaturen an den Messpunkten entsprechenden Punkten in den Temperaturmustern zugeordnet werden.
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Zudem werden für mögliche Einbaulagen des Schaltnetzteils eigene, durch die Luftkühlung hervorgerufene Temperaturverteilungen als Temperaturmuster zugeordnet und durch Vergleich der gemessenen Temperaturen mit diesen Temperaturmustern wird die Einbaulage des Schaltnetzteils festgestellt. Dem Betriebspersonal kann dann eine ungünstige Einbaulage angezeigt oder die maximal übertragbare Leistung den sich ergebenden Luftströmungsverhältnissen angepasst werden.
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In einem Schaltnetzteil zur Durchführung des Verfahrens sind wenigstens zwei an unterschiedlichen Messpunkten angeordnete Thermoelemente und eine Steuereinrichtung vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung Mittel zum Vergleich der gemessenen Temperaturen mit Temperaturmustern umfasst um damit unter anderem die Einbaulage des Schaltnetzteils festzustellen.
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Auf diese Weise wird nicht nur die Temperatur für einen Bauteil oder für eine Gruppe von Bauteilen geprüft. Durch den Vergleich mit bekannten Temperaturmustern wird die Möglichkeit geschaffen, die thermische Gesamtsituation laufend zu erfassen und daraus Vorgaben für die Steuereinrichtung abzuleiten. Die Thermoelemente liefern dabei Messwerte, die entsprechenden Punkten in den Temperaturmustern zugeordnet sind.
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Damit wird sowohl die Wärmeentwicklung durch die Bauteile des Schaltnetzteils selbst als auch die Wärmeentwicklung durch externe Quellen erfasst. Entsprechend kann auch auf Änderungen der thermischen Situation infolge einer Temperaturänderung der Umgebungsluft oder durch geänderte Abstrahlungsverhältnisse benachbarter Maschinen oder Geräte reagiert werden.
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Eine einfache Ausprägung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Temperaturmuster vorgegeben werden und dass bei Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster eine Zustandsänderung des Schaltnetzteils ausgelöst wird. Mit geringem Aufwand können so dem Bedienungspersonal kritische Betriebszustände angezeigt oder geänderte Regelungswerte vorgegeben werden.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Höhe der übertragbaren Leistung abhängig von Temperaturmustern festgelegt wird und wenn bei Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster für die übertragbare Leistung jener Wert vorgegeben wird, der für dieses Temperaturmuster festgelegt wurde. Die übertragbare Leistung wird so laufend den momentanen thermischen Gesamtverhältnissen angepasst und ist nicht nur vom thermischen Zustand einzelner Bauteile abhängig. Das hat eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der Ausfallsicherheit zur Folge.
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Günstigerweise werden die von den Thermoelementen gemessenen Temperaturen als Temperaturverläufe gespeichert. Im Schadensfall oder bei Inspektions- bzw. Wartungsarbeiten kann dann die thermische Situation über einen vergangenen Zeitraum hinweg ausgewertet werden. Daraus sind Rückschlüsse für die Auswahl von Ersatzgeräten oder die Änderung der Betriebsbedingungen zu ziehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Schaltnetzteils zur Durchführung der Verfahren umfasst Mittel zur Vorgabe von wenigstens zwei Temperaturmustern und zur Erfassung einer Annäherung der gemessenen Temperaturen an eines der Temperaturmuster und zur Veränderung des Zustands des Schaltnetzteils. Derartige Mittel ermöglichen es, den Betriebszustand des Schaltelements den thermischen Bedingungen in Abhängigkeit der vorgegebenen Temperaturmuster anzupassen oder dem Bedienpersonal durch Veränderung eines Anzeigezustandes thermische Grenzwerte anzuzeigen.
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Von Vorteil ist es, wenn zudem Mittel zur Vorgabe der übertragbaren Leistung vorgesehen sind. Wird durch einen Vergleich der gemessenen Temperaturen mit den entsprechenden Punkten der Temperaturmuster erkannt, dass eine Annäherung an ein Temperaturmuster erfolgt, so wird eine dem Temperaturmuster zugeordnete maximale übertragbare Leistung vorgegeben. Das Schaltnetzteil kann dann über einen weiten Temperaturbereich hinweg mit der maximal möglichen, für die Bauteile gerade noch thermisch verträglichen Leistung betrieben werden. Das bewirkt ein Optimieren der Ausnutzung gegenüber herkömmlichen Schaltnetzteilen, die ab einer fix vorgegebenen thermischen Belastung abschalten.
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Für die als vorteilhafte Ausprägung der Erfindung genannte Lagebestimmung sind im Schaltnetzteil wenigstens zwei Thermoelemente in der Weise anzuordnen, dass sich durch eine Lageänderung des Schaltnetzteils eine Veränderung der gemessenen Temperaturen ergibt. Dabei wird der durch die Luftkühlung gegebene Effekt genutzt, dass die an der Unterseite durch Lüftungsschlitze im Gehäuse einströmende Luft kühler als die oben entweichende Luft ist und so in einfacher Weise eine Lagebestimmung ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:
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Fig.: Aufbau eines Schaltnetzteils
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In 1 ist ein Schaltnetzteil von oben aus gesehen dargestellt. Das Gehäuse 1 ist dabei ohne die vordere Abdeckung gezeichnet, um den Blick auf die Komponenten frei zu geben. Die Anordnung der einzelnen Komponenten und die dargestellte Einbaulage des Schaltnetzteils entsprechen dem Stand der Technik. Es sind aber auch andere Anordnung oder Einbaulagen möglich.
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Auf einer Leiterplatte 2 sind links unten die Eingangsklemmen 7 dargestellt. Über diese wird das Schaltnetzteil an eine Netzspannung angeschlossen. Daneben befinden sich die Eingangskondensatoren 9, die in der Regel als Elektrolytkondensatoren ausgebildet sind.
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Senkrecht zur Leiterplatte 2 ist ein primärer Kühlkörper 3 angeordnet, auf dem zwei Schaltelemente 5 angebracht sind.
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Rechts davon befindet sich im oberen Bereich des Gehäuses 1 ein Transformator 4. Darunter sind die Ausgangskondensatoren 10, als Elektrolytkondensatoren ausgebildet, angeordnet.
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Am rechten Rand des Gehäuses 1 ist eine Sekundärdiode 6 – ebenfalls mit einem Kühlkörper 16 versehen – dargestellt, die gemeinsam mit den Ausgangskondensatoren 10 die Gleichrichterschaltung des Sekundärteils bildet.
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Rechts unten sind die Ausgangsklemmen 8 angeordnet, an die eine Last anschließbar ist. Das Gehäuse 1 verfügt in der Regel an der Unterseite und an der Oberseite über Lüftungsschlitze, sodass von unten Kühlluft mit Umgebungstemperatur in das Gehäuseinnere gelangt, dort durch die Wärme abgebenden Komponenten aufgeheizt wird und dann mit erhöhter Temperatur nach oben entweicht.
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Erfindungsgemäß sind im Schaltnetzteil zumindest zwei der fünf dargestellten Thermoelemente 11 bis 15 angeordnet. Die Wahl der Messpunkte hängt dabei von den Anforderungen an das Schaltnetzteil ab.
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Für eine Erfassung des allgemeinen Kühlungsverhaltens sind die beiden Thermoelementen 11 und 12 am unteren und am oberen Rand des Gehäuses 1 vorteilhaft. Das untere Thermoelement 11 misst dabei die Temperatur der von unten einströmenden Umgebungsluft und das obere Thermoelement 12 die Temperatur der aufgeheizten Abluft. Dabei werden im Zuge der Entwicklung eines Schaltnetzteils durch Versuche wenigstens zwei Temperaturmuster ermittelt. Als Temperaturmuster wird eine Gruppe der Temperaturen verstanden, die sich bei einem bestimmten Betriebszustand zur gleichen Zeit an den einzelnen Messpunkten ergeben.
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Ein optimales Temperaturmuster ergibt sich beispielsweise bei empfohlener Einbaulage und maximal zulässiger Umgebungstemperatur für die volle Leistungsübertragung. Ein zweites Temperaturmuster ergibt sich bei geänderter Einbaulage oder bei zu hoher Umgebungstemperatur. Günstigerweise werden darüber hinaus mehrere Temperaturmuster ermittelt, die sich bei unterschiedlichen Einbaulagen und unterschiedlichen Betriebsbedingungen ergeben.
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Die Temperatur der Schaltelementen 5, die in der Regel als Feldeffekt-Transistoren (FET) ausgebildet sind, wird vorteilhafterweise mittels eines direkt daneben angeordneten Thermoelements 13 gemessen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, ein Thermoelement 14 neben dem Transformator 4 und ein Thermoelement 15 neben der Sekundärdiode 6 anzuordnen, um die Temperaturen dieser beiden Komponenten zu messen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind somit fünf Thermoelemente 11 bis 15 vorgesehen, woraus sich als Temperaturmuster einzelne Gruppen von fünf Temperaturen ergeben.
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Die in Versuchen ermittelten Temperaturmuster stehen der Steuereinrichtung des Schaltnetzteils zum Vergleich mit den während des Betriebs gemessenen Temperaturen zur Verfügung. Dazu sind beispielsweise ein Speicherelement und ein Microcontroller bzw. ein Digitaler Signalprozessor geeignete Mittel.
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Beim Vergleich der gemessenen Temperaturen mit den Temperaturmustern wird jenes Temperaturmuster ermittelt, dass den gemessenen Temperaturen am ehesten entspricht. Das geschieht beispielsweise so, dass zunächst für jeden Messpunkt die einzelnen Differenzwerte zwischen der gemessenen Temperatur eines Messpunkts und den entsprechenden Temperaturen der einzelnen Temperaturmuster ermittelt werden. Für die Gruppe von Differenzwerten eines bestimmten Temperaturmusters stellt dann die Summe der Differenzwerte ein Minimum dar. Ist für ein Schaltnetzteil aufgrund kritischer Einsatzbedingungen oder aufgrund besonders temperaturempfindlicher Komponenten eine verstärkte Überwachung eines oder mehrerer Messpunkte gefordert, ist es günstig, jene Differenzwerte höher zu gewichten, die diesen Messpunkten zugeordnet sind.
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Für den Betrieb des Schaltnetzteils wird jedem Temperaturmuster ein bestimmter Sollzustand zugeordnet. Sinnvoll ist dabei die Vorgabe bestimmter maximal übertragbarer Leistungen. Die Steuereinrichtung des Schaltnetzteils steuert die Schaltelemente also in Abhängigkeit vom momentan am ehesten entsprechenden Temperaturmuster. Auf diese Weise kann ein Schaltnetzteil auch dauerhaft bei thermischer Überlast betrieben werden, indem bei höheren Temperaturen eine geringere übertragbare Leistung vorgegeben wird. Dabei ist günstigerweise ein kritisches Temperaturmuster definiert, bei dem das Schaltnetzteil vollständig abgeschaltet. Das kann beispielsweise bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss erforderlich sein, bei dem sich die gemessenen Temperaturen dem kritischen Temperaturmuster annähern. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht somit in einem selbsttätigen Derating bei ungünstigen thermischen Verhältnissen. Andererseits wird die Möglichkeit geschaffen, bei besonders guten Kühlungsverhältnissen (z. B. bei tiefen Umgebungstemperaturen) eine höhere übertragbare Leistung vorzugeben.
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Um eine schnellere Anpassung des Schaltnetzteils an sich verändernde Bedingungen zu bewirken, ist neben dem Temperaturmuster, das den momentan gemessenen Temperaturen am ehesten entspricht, auch jenes Temperaturmuster ausschlaggebend, zu dem sich die Temperaturverläufe der einzelnen Messpunkte hin entwickeln. Dabei wird laufend überprüft, ob sich die Temperaturen zu einem Temperaturmuster höheren oder niedrigeren Niveaus hin bewegen. Damit ist beispielsweise eine Leistungsreduktion noch vor Erreichung eines kritischen Temperaturmusters möglich, wodurch eventuell ein völliges Abschalten des Schaltnetzteils vermieden werden kann.
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Neben der Vorgabe einer maximalen übertragbaren Leistung ist es auch sinnvoll, dem Betriebspersonal durch geeignete optische oder akustische Signale anzuzeigen, dass ein kritischer thermischer Zustand erreicht wird oder erreicht wurde. So kann dem Betriebspersonal beispielsweise angezeigt werden, dass das Schaltelement in einer ungünstigen Lage eingebaut wurde oder dass die Abluftschlitze des Gehäuses 1 abgedeckt sind. Bei einem verkehrt eingebauten Schaltnetzteil sind die gemessenen Temperaturwerte der beiden am Rand befindlichen Thermoelemente 11 und 12 vertauscht. Das heißt, dass das Thermoelement 12, das eigentlich an der Oberseite die wärmere Abluft messen sollte, die Temperatur der kühlen einströmenden Umgebungsluft misst und das andere Thermoelement 11 die warme Abluft. Die thermische Situation entspricht damit am ehesten jenem Temperaturmuster, das während der Entwicklungsphase in einem Versuch mit verkehrt eingebautem Schaltnetzteil ermittelt wurde. Diesem Temperaturmuster ist ein entsprechendes Meldesignal zugeordnet, wodurch die Annäherung der gemessenen Temperaturen an dieses Temperaturmuster signalauslösend ist. Die Einbaulage ist aufgrund der Anordnung der einzelnen Komponenten von Bedeutung. So sollen beispielsweise die Ausgangskondensatoren 10 im kühleren Bereich unterhalb des Transformators 4 liegen.
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Für eine differenzierte Auswertung der thermischen Gegebenheiten ist es günstig, die vorhandenen Messpunkte in mehrere Gruppen zu unterteilen, wobei jeder Gruppe eigene Temperaturmuster zugeordnet sind. In Versuchen werden dann beispielsweise zur Beurteilung des allgemeinen Kühlungsverhaltens und zur Einbaulagebestimmung mehrer Temperaturmuster für die am Rand befindlichen Thermoelemente 11 und 12 und zur Überwachung der Bauelemente zusätzlich Temperaturmuster für die im Inneren befindlichen Thermoelemente 13 bis 15 ermittelt. Der Betrieb des Schaltnetzteils richtet sich dann nach den thermischen Bedingungen in den einzelnen Gruppen von Messpunkt.
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Oft werden Schaltnetzteile bei nicht konstanter Temperatur der Umgebungsluft betrieben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn Speichermittel vorgesehen sind, die den Verlauf der gemessenen Temperaturen für spätere Auswertungen abspeichern. Liefert das Schaltnetzteil beispielsweise nicht die gewünschte Leistung, kann das Servicepersonal durch Auswertung des mittels des am unteren Rand angeordneten Thermoelements 11 gemessenen Temperaturverlaufs feststellen, ob dies auf eine zu hohe Temperatur der einströmenden Kühlluft zurückzuführen ist. Die Kühlluft kann dann durch entsprechende Maßnahmen wie eine zusätzliche Schaltschrankbelüftung abgekühlt werden.
