Impulsforsyningsenheter Z „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulsstrømenheter har nesten fullstendig erstattet tradisjonelle lineære strømenheter. I dag er det den største og mest populære gruppe av strømenheter. Deres fordel i forhold til lineære strømenheter er små dimensjoner, liten vekt, høy feilfrihet og effektivitet, og ikke minst rimelig pris. Det som kan anses som en ulempe er konstruksjonens kompleksitetsgrad og mye høyere nivå av forstyrrelser forårsaket av strømenheten og økt nivå av forstyrrelser på utgangen.

Virkning av impulsstrømenhet - en grunnleggende regel 

I impulsstrømenheter brukes det PWM (Pulse Width Modulation) impulsmodulasjon, dvs. at strømenhetens utgangsspenning justeres ved hjelp av endring av utfyllingskoeffisient ved fast, uforandret frekvens.

Forkortning av impulstiden (t1) fører til reduksjon av middels verdi på utgangsspenningen (U_out) og omvendt: forlengelse av impulstiden (t1) fører til økt middels verdi på utgangsspenning (U_out). Dette vises på diagramene ovenfor:

Middels verdi på spenningsutgangen kan lett beregnes ved hjelp av følgende formel:

Vekselspenning på nettverket, f.eks. 230 V (1), går gjennom inngangsfilter med elementer LC (3). Det er et viktig element som beskytter elektrisk nettverk mot forstyrrelser som oppstår i strømenheten og beskytter strømenheten mot forstyrrelser fra det elektriske nettverket. Vekselspenning avrettes ved hjelp av likeretterbro (4) og etterretting, som fast spenning, når den transformatoren (8), som låses av transistoren (5), noen ganger kalt for svitsj. Transistoren slår på og av strøm med rektangulær forløp med gitt frekvens (mulig i område fra 20 kHz til et par hundre kHz, og selv MHz), ved å bruke modulasjon av PWM impulsbredden. Transistoren styres ved hjelp av tilbakekoplingssystemet (6, 7), som består av optoisolator og PWM kontrollenhet (styrer). Systemet kontrollerer verdien på utgangsspenning, og avhengig av om den senker eller stiger, blir impulsbredden (utfylling) endret ved at systemet styrer transistoren og justerer slik at det alltid finnes fast spenning på utgangen. Ved å kontrollere spenningen virker systemet med stor hastighet, noe som hjelper å beholde fast utgangsspenning. Dersom den stiger eller senker, blir endringene korrigert med det samme, slik at spenningen alltid ligger på samme nivå. Rektangulær spenning på transformatorens utgang (8) rettes (9) og sendes gjennom et utgangsfilter (10), som bør ”blokkere” harmoniske høyder og forstyrrelser forårsaket av omformerens arbeid. På impulsenhetens utgang (11) får man stabilisert fast spenning.

Et par forslag angående parametere man bør legge merke til når man velger en impulsstrømenhet. 

Inngangspenning (Input Voltage) 

I Polen og i EU ligger spenning i elektrisk nettverk på 230 V AC (unntatt Stor Britannia – 240 V AC). Standarder tillater avvik på 10%, dvs. at nettspenning kan vakle mellom 207 V og 253 V AC. Derfor er det lurt å velge en strømenhet med stort område for inngangsspenning, f.eks. 100–264 V AC.

Oppstartstrøm (Max Inrush Current) 

Etter at man har slått strømeneheten dukker det opp en stor strømimpuls som kan få store verdier avhengig av enhetens effekt på ti talls ampere, som varer til 1 periode, dvs. Ved frekvens på 50 Hz AC til 20 ms. Fenomenet er forårsaket av lading av inngangskondensater. Dette kan være et problem når man tilkobler flere strømenheter samtidig. Stor oppstartstrøm kan føre til at sikring på energetisk nettverk går av (sikringer effektbrytere o.l.). For å løse problemet kan man bruke effektbrytere til C eller D type.

Effektivitet (Efficiency) 

Det er et forhold mellom utgangseffekt på likestrøm (gjengitt av strømenheten) og inngangseffekt (tatt fra forsyningsnettverket) oppgitt i prosent.

Effektivitet betegnes med en gresk bokstav ”eta”: η. I hver enhet som omformer energi blir en del av mottatt effekt tapt og det er nettopp effektiviteten som gjør mulighet for å vurdere effekttap. Det er en parameter som man bør legge merke til, for jo større effektivitet jo mindre energi blir tapt. Dette gjør at temperaturen inne i strømenheten blir lavere, noe som forlenger enhetens levetid. I dag produseres det impulsstrømenheter som får effektivitet på > 90% (transformatorenheter/lineære enheter med liten energetisk effektivitet som ikke overskrider 50%).

Eksempel 1.
Strømenhet med utgangseffekt på 100 W, som tar 117,6 W fra forsyningsnettverket. Vi skal beregne dens feilfrihet.

Oftest oppgir produsenten strømenhetens utgangseffekt og feilfrihet. Produsenter oppgir ikke hvor mye strøm en strømenhet tar. Dette kan beregnes på en enkel måte ved å bruke verdier i den omformede formelen.

Eksempel 2.
Strømenhet med utgangseffekt på 150 W og effektivitet på 86%. Vi skal beregne hvor mye strøm enheten bruker.

Det er enkelt å beregne hvor mye effekt som tapes på varme i strømenheten (P_d – tapeffekt), ved å bruke en enkel formel (man skal substrahere gjengitt effekt fra mottatt effekt).

I dette tilfelle er det 24,4 som tapes på vsrme ved full belastning. De 24,4 W øker innetemperaturen i kassen og overheter ytre elementer.

MTBF - gjennomsnittstid mellom feil (Mean Time Between Failure) 

Den uttrykkes i timer og definerer enhetens feilfrihet.

Denne parameteren tolkes ofte feil. F.eks. dersom strømenhetens MTBF ligger på 700 000 timer, betyr det nesten 80 år. Det betyr likevel ikke at strømenheten kommer til å virke så lenge.

Måter og metoder for beregning av MTBF ble innført av den amerikanske armeen i 1965 sammen med lansering av modell MIL-HDBK-217. Den inneholder feilfrekvens for forskjellige elektroniske undersystemer, f.eks. kondensatorer, motstandere, transistorer. I denne modellen publiserte man metoder for beregning av feilfrihet. Formålet var å standardisere evaluering av feilfrihet av elektroniske enheter og militært utstyr.

Ved siden MIL-HDBK-217 modellen brukes det også andre beregningsmetoder for beregning av MTBF parameteren som man kan se i tekniske opplysninger for elektroniske enheter. Samtlige modeller har forskjellige algoritmer. Eksempler på metoder: HRD5, Telcordia, RBD, Markovs modell, FMEA/FMECA,feilkartleggingstre, HALT.

Ved å kjenne MTBF tid, kan man beregne sannsynlighet for feil på enheten før MTBF tiden er gått. Det er en svært viktig informasjon som gir mulighet for å vurdere systemets feilfrihet. Generelt er regelen enkel: jo større MTBF, jo mer feilfri enhet.

Vi husker at MTBF alltid betyr tid der enhetens feilfrihet faller til 36,8%. 

Beskrivelse: 2,718 med negativ eksponent av arbeidstid delt på MTBF.

Vi beregner enhetens feilpotensiale, der MTBF ligger på 50 000 timer etter 50 000 timer.

Det vil si at en enhet med MTBF = 50 000 timer har feilpotensiale på 36,8% etter 50 000 timer. Med andre ord, blir det mulig etter 50 000 timer at 37 av 100 enheter blir feilfrie, mens 63 utvikler en eller annen feil.

La oss sjekke sannsynlighet for svikt i løpet av 3 f.eks. i løpet av 3 år for f.eks. to enheter med forskjellig MTBF.

1. MTBF = 50 000 timer, 3 år = 3 år x 24 timer x 365 dager = 26 280 timer og vi bruker følgende formel:

Resultatet viser sannsynlighet for at etter 3 år kommer 59,1% strømenheter til å virke feilfritt (f.eks. av 100 enheter blir det 59 som blir feilfrie, og 41 kommer til å gå i stykker).

2. MTBF = 700 000 timer, 3 år = 3 år x 24 timer x 365 dager = 26 280 timer og vi bruker formelen.

Dette tilfelle viser at etter 3 år blir det 97,1% av strømenheter som kommer til å virke feilfritt (f.eks. av 100 enheter kommer 97 til å fungere som de skal, mens 3 utvikler feil).

MTBF parameter betegnes ofte av produsenten i forhold til arbeid i omgivelsestemperatur på 25°C. I tilfelle arbeid ved høye temperaturer, skal man følge regel at omgivelsestemperatur økt med 10°C gir dobbel reduksjon av MTBF verdi. Hvorfor har enkelte enheter høy og andre lav MTBF? Forskjeller kommer an på kvalitet av brukte elementer og enhetens kompleksitetsgrad. Ikke alle produsenter nevner denne parameteren i tekniske opplysninger.

Utgangspenning (Output Voltage) 

Utgangsspenning er spenning som bør stabiliseres ved forandringer av enhetens belastning fra 0 til 100%. Man må være klar over at i alle strømenheter med utgangsstrøm er det vanlig med forstyrrelser og pulsering. Amplituden kan ligge på opp til et par hundre mVp-p. Noen ganger kan altfor stor verdi på pulsering føre til problemer dersom enheten har tendens til å pulsere, f.eks. bildeforstyrrelser på CCTV applikasjoner eller gjenstart av en elektronisk enhet.

Nederst blir det presentert et skjermbilde av pulsoscilloskop for spenning på impulsenheten på 12V.

Dyamisk svar på trinnendringer i belastning (Dynamic Response) 

Hver strømenhet bør tilføre belastningen en utgangsspening med fast verdi, som ikke forandrer seg ved bytte av belastnignsstrømmen. Noen ganger forekommer det forandringer (f.eks. ved oppstart/slokking av infrarød belysning på CCTV kamera eller start/slokking av ekstra belastning). Ved endring av belastning fra 0 til 100% (eller omvendt) dukker det opp forstyrrelser og vakling av utgansspenning som kan påvirke arbeid av andre enheter tilkoblet til strømenheten.

De fleste impulsenheter er utstyrt med sikringssystemer for å sikre utgang mot kortslutning- og overbelastningskonsekvenser. Siden man bruker forskjellige sikringsformer, skal man tilpasse type strømenhet til type utstyr. Motorer, lyspærer, belastninger med stor kapasitet, induktivitet o.l., altså så kalte belastninger med ikke lineær karakteristikk, kan kreve stor strømimpuls ved oppstart, som overskrider strømenhetens maksimale nominell strøm. Dette kan føre til at sikringene går av, noe som hindrer oppstart av strømenheten. Det kan vise seg at en strømenhet f.eks. 12 V 50 ikke blir i stand til å starte etter et man har tilkoblet belastning på 12 V 30 W (f.eks. lyspære, motor).

Konstruktører av strømenheter bruker forskjellige sikringsmetoder for resultater av kortslutninger og overbelastninger. Sikringer bør beskytte strømenheten og belastningen. Nederst beskrives det de mest vanlige sikringer.

Hiccup modus (Hiccup mode) 

Dette er en sikring som er ofte brukt (fra engelsk hiccup – hikke), har små effekttap på strømenheter ved kortslutning eller overbelastning. De går automatisk tilbake til vanlig arbeid etter at årsaken til kortslutning eller overbelastning har forsvunnet.

I A tiden når man har med overbelastning eller kortslutning å gjøre. Forsyningen blir stoppet. På inngangen får man strømimplus med veldig kort varighet (f.eks. 100 ms) og verdi på opp til 150% av maksimal strøm. Strømenheten sender impluset med et par sekunders mellomrom inntil årsaket til overbelastning eller kortslutning har forsvunnet (B), deretter går enheten over til vanlig arbeidsmodus. Sikringsterskelen (forsynignsbrudd) er innstilt på 110–150% av nominell effekt for de fleste enheter. (I_out). Modusen er oftest integrert med termisk forsikring. Dersom strømmen tatt av belastningen er større enn nominell effekt, men mindre enn sikringsterskelen, er det den termiske sikringen som begynner å fungere etter hvert, dvs. forsyningsbrudd, slik at strømenheten går over til hiccup modus inntil årsaken til belastningen er blitt fjernet.

A-kurven – strømbegrensning (Foldback Current Limiting)
Den type sikring brukes også i lineære strømenheter. Etter at den maksimale strømmen er blitt overskredet (redusert belastningsmotstand) blir den redusert (innskrenket). Med andre ord, dersom belastingsmotstanden går ned, blir strømmen også redusert. Fordelen ved denne løsningen er små effekttap i strømenheter i tilfelle overbelastnig eller kortslutning. Men ved den løsning starter ikke strømenheten ved belastning med stor oppstartsstrøm (f.eks. stor kapasitet).

B-kurven – strømstabilisering (Constant Current Limiting)
Etter at den maksimale strømmen ble overskredet (redusert belastning) opprettholder strømenheten fast utgangsstrøm uavhengig av overbelastningens verdi, mens utgangsspenning går ned. Ofte bruker man også en annen sikring, som slokker strømenheten når spenningen faller til et par volt. Metodens store ulempe er store effekttap i samme enheten og stor strøm som går gjennom overbelastningen, noe som kan føre til skader. Den type sikring gir mulighet til at strømenheten starter ved belastning med ikke lineær karakteristikk.

C-kurven – effektbegrensning (Over Power Limiting)
Etter at den maskimale strømmen er overskredet (redusert belastningsmotstand) forblir stromenhetens effekt på samme nivå. På linje med økende belastning faller spenning og utgangsstrøm i tråd med C-karakteristikken. Den type sikring gir mulighet for at strømenheten starter ved belastning med ikke lineær karakteristikk.

Arbeidstemperatur (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Avhengig av strømenhetens feilfrihet blir en del av energi som tilføres strømenheten tapt for varme. Innetemperaturen på strømenheten stiger i forhold til utetemperatur. Strømenheter av høyere kvalitet kan ved arbeid i 25°C hete opp til 50–70°C. I omgivelsestemperaturen på 50°C kan de nå temperatur på opp til 75–95°C.

Det er veldig viktig å være klar over at arbeidstemperaturen har direkte påvirkning på enhetens levetid og feilfrihet. Impulsenheter har en komplisert konstruksjon og består av et stort antall elektroniske elementer som kan ligge i nærheten av hverandre i strømenhetens kasse. Altfor høy innetemperatur kan føre til skade på strømenheten og kan forkorte dens levetid. Det er viktig å huske at utgangseffekt og temperatur henger tett sammen. Man skal unngå bruk av enheten i temperatur høyere enn 50°C, selv om produsenter ofte oppgir høyere temperatur. I så fall før man lese nøye enhetens dokumentasjon.producenci często podają temperaturę pracy powyżej tej wartości. W takim przypadku należy dokładnie przeczytać dokumentację techniczną. unikać pracy zasilacza w temperaturach wyższych niż 50°C, mimo że producenci często podają temperaturę pracy powyżej tej wartości. W takim przypadku należy dokładnie przeczytać dokumentację techniczną.

Som vist på bilde kan strømenheten forsyne full effekt til belastningen, men kun til temperatur på 50°C. Ved arbeid i temperatur på 70°C kan enheten belastes med 50%, det vil si med halv parten av maksimal strøm.

Elementer som er mest sensitive mot temperaturøkning er elektrolitiske kondensatorer. Praktisk sett inneholder hver strømenhet et par stykker. Produsenter av kondensatorer oppgir data for maksimal arbeidstemperatur. Dersom temperaturen senkes med 10°C blir levetiden av en elektrolitisk kondensator dobbelt så lang.f.eks. er levetiden på vanlige elektrolitiske kondensatorer 1000 timer ved temperatur 105°C.

Altså

Dette betyr ikke at kondensatoren slutter å virke, men tid når dens parametere begynner å forverres (kapasitet, rekkemotstand o.l.), noe som oftest fører til ustand.

Som vist i eksemplet ovenfor betyr lavere temperatur lengre levetid. Det finnes kondensatorer med mye lengre levetid, men det går ofte hånd i hånd med en høyere pris. Det er produsenten som bestemmer hvilke elementer blir brukt. I billigere modeller brukes det ikke dyre elementer smed lengre levetid. zasilaczach nie stosuje się części droższych, o dłuższym czasie życia.