Impulsiniai maitintuvai „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulsiniai maitintuvai praktiškai pašalino iš rinkos tradicinius maitintuvus ir šiuo metu yra tai didžiausia maitintuvų grupė. Jų pranašumas palyginus su linijiniais maitintuvais, tai maži gabaritai, mažas svoris, didelis pajėgumas ir efektyvumas, o taip pat gera kaina. Trūkumu yra konstrukcijos sudėtingumo lygis, o taip pat daug didesnis maitintuvo trukdžių generuojamas lygis, o taip pat padidintas trukdžių lygis pradžioje.

Pagrindinis impulsinio maitintuvo veikimo principas 

Impulsiniuose maitintuvuose išnaudojama impulso pločio moduliaciją PWM (Pulse Width Modulation), t.y pradinė maitintuvo įtampa, reguliuojama su koeficiento pakeitimo pagalba išpildymo, esant pastoviam, nepakeistam dažnumui.

Impulso trukmės laiko sutrumpinimas (t1) priveda prie pradinės įtampos vertės (U_out) ir atvirkščiai: impulso trukmės laiko prailginimas (t1) priveda prie pradinės įtampos vidutinės vertės padidinimo (U_out). Tai matyti aukščiau pateiktuose grafikuose:

Įtampos pradinę vidutinę vertę galima lengvai apskaičiuoti, pagal šią formulę:

Kintamoji tinklo įtampa, pvz. 230 V (1), pereina per įvesties filtrą su LC elementais (3). Yra tai svarbus elementas, kuris saugo energijos tinklą nuo trukdžių, atsirandančių maitintuve, o taip pat apsaugo maitintuvą nuo trukdžių, kilusių iš energijos tinklo. Kintamoji įtampa yra ištiesinta su ištiesinimo tiltelio pagalba (4) ir po ištiesinimo, kaip pastovi įtampa, patenka į transformatorių (8), kuris yra pagrindinis per tranzistorių (5), kartais vadinamas jungikliu. Tranzistorius įjungia ir išjungia elektros srovę, esant stačiakampiai eigai su nustatytu dažnumu (galima apimtyje nuo 20 kHz iki keliasdešimt, o netgi MHz), išnaudojant moduliaciją PWM impulso pločio. Tranzistorius yra valdomas su grįžtamojo ryšio sistemos (6, 7), kuri susideda iš optoizoliatoriaus ir PWM (valdiklio) kontrolieriaus. Sistema tiria, kokia yra pradinė įtampa ir priklausomai nuo to, ar auga ar krenta, keičia impulso plotį (išpildymą), valdant tranzistorių ir reguliuojant jį tokiu būdu, kad pradžioje būtų visada pastovi įtampa. Ši sistema, tiriant pradinę įtampą, veikia dideliu greičiu, todėl yra galimybė išlaikyti pastovią pradinę įtampą ir kuomet ji didėja arba mažėja nedelsiant įvesti pakeitimus, kad išliktų pastoviame lygyje. Stačiakampio formos įtampa transformatoriaus išvestyje (8) yra ištiesinama (9) ir vėliau pereina per pradinį filtrą (10) kuris turėtų "užblokuoti" aukštesnius harmoningus ir trukdymus, kuriuos generuoja darbo transformatorius. Impulsinio transformatoriaus (11) pradžioje pasiekiame stabilią pastovią įtampą.

Keli pasiūlymai, į kokius parametrus reikia atkreipti dėmesį, pasirenkant impulsinį maitintuvą. 

Įžanginė įtampa (Input Voltage) 

Lenkijoje ir Europos Sąjungoje įtampa elektros tinkle yra 230 V AC (išimtimi yra Didžioji Britanija– 240 V AC). Priimtinas standartų nuokrypis 10%, tai yra tinklo įtampa gali svyruoti nuo 207 V iki 253 V AC. Verta pritaikyti maitintuvą su dideliu pradinės įtampos spektru pvz.100–264 V AC.

Paleidimo srovė (Max Inrush Current) 

Įjungus matintuvą atsiranda didelis elektros srovės impulsas, kuris gali pasiekti dideles vertes, priklausomai nuo maitintuvo galios, keliolikos amperų apimtyje, trunka iki 1 laikotarpio, t. y. esant nuo 50 Hz AC iki 20 ms dažnyje. Šis reiškinys atsiranda dėl pradinių kondensatorių krovimo. Tai gali būti problema pvz. kelių maitintuvų vienu metu pajungimo arba didesnės galios maitintuvo panaudojimo. Didelė įdiegimo elektros srovė gali privesti prie apsaugos energijos tinkle veikimo (saugiklių, ribotuvų jungiklių ir t.t.) Šios situacijos išeitimi yra viršrovio saugiklių į C arba D tipo pakeitimas.

Efektyvumas (Efficiency) 

Yra tai pradinės galios su pastovia elektros srove santykis (teikiamos per maitintuvą) į pradinę kintamos srovės galią (imamos iš tinklo) nurodomos procentais.

Pajėgumas yra ženklinamas graikų abėcėlės raide „eta”: η. Kiekviename įrenginyje, kuris apdoroją energiją, dalis imamos galios tampa nuostoliais ir būtent pajėgumas teikia nuostolių galios nustatymo galimybę. Į šį parametrą reikėtų atkreipti dėmesį, todėl, kad kuo didesnis pajėgumas, tuo mažiau yra aikvojama energijos, dėl to maitintuvo viduje bus žemesnė temperatūra, o tai priveda prie patikimumo padidėjimo ir įrenginio gyvavimo laiko prailginimo. Šiuo metu gaminami impulsiniai maitintuvai pasiekia pajėgumą net iki > 90% (transformatoriniai/ linijiniai maitintuvai turi mažą energetinį pajėgumą, neviršijantį 50%).

1 pavyzdys.
Turime maitintuvą, kurio pradinė galia 100 W, kuris ima iš energijos tinklo 117,6 W. Apskaičiuojame jo pajėgumą.

Dažniausiai maitintuvo duomenyse yra pateikta pradinė galia ir pajėgumas. Gamintojai specifikacijoje nepateikia, kiek maitintuvas ima galios. Galime tai lengvai apskaičiuoti, taikant vertes į pakeistą formulę.

2 pavyzdys.
Turime maitintuvą, kurio pradinė galia 150 W ir pajėgumas 86%. Apskaičiuojame kokia galia yra imama iš energijos tinklo.

Lengvai taip pat galime apskaičiuoti, kiek galios yra prarandama šilumai tame maitintuve (P_d – nuostolių galia), taikant paprastą formulę (atimame nuo atsiųstos galios atiduotą galią).

Šiuo atveju 24,4 W yra prarandama šilumai, aišku esant pilnai apkrovai. Tas 24,4 W padidina temperatūrą korpuso viduje ir šildo viduje esančius elementus.

MTBF - vidutinis laikas tarp gedimų (Mean Time Between Failure) 

Rodomas yra valandomis ir yra tai informacija apie įrenginio patikimumą.

Labai dažnai šis parametras nėra tinkamai aiškinamas. Pavyzdžiui MTBF maitintuvo yra 700 000 valandų, t.y. beveik 80 metų. Tai nereiškia, kad maitintuvas veiks tiek laiko be jokių avarijų.

MTBF apskaičiavimo būdus ir metodus 1965 metais įvedė amerikiečių armija kartu su MIL-HDBK-217 modelio išleidimu. Jame yra avarijos, skirtos įvairioms elektronikos grupėms, pvz. kondensatorių, rezistorių, tranzistorių. Šiame modelyje yra pateikti avaringumo skaičiavimo metodai. Tai turėjo būti skirta elektroninių įrenginių ir karinės įrangos patikimumo įvertinimo standartizavimui.

Išskyrus MIL-HDBK-217 modelį taip pat yra taikomi kiti MTBF parametro apskaičiavimo būdai, su kuriais galime susitikti elektroninių įrenginių techniniuose duomenyse. Visi modeliai taip pat patikimo apskaičiavimo algoritmai. Pavyzdiniai metodai: HRD5, Telcordia, RBD, modelis markė, FMEA/FMECA, pažeidimų medis, HALT.

Žinant MTBF laiką, galime apskaičiuoti įrenginio pažeidimo tikimybę prieš MTBF laiko pabaigą. Yra tai labai reikalinga informacija, kuri teikia sistemos avaringumo įvertinimo galimybę. Pagrindinai taisyklė yra paprasta: kuo didesnis MTBF, tuo labiau patikimas yra įrenginys.

Negalima pamiršti, kad visada MTBF reiškia laiką, kuriam praėjus įrenginio patikimumas nukrenta iki 36,8%. 

Žodžiais: 2,718 padidinta iki neigiamos darbo valandų galios, padalinta į MTBF.

Apskaičiuojame įrenginio avaringumą, kurio MTBF yra 50 000 valandų po 50 000 laiko valandų.

Taigi įrenginys, kurio MTBF = 50 000 valandų turi patikimumą 36,8% po 50 000 valandų laiko. Kitaip tariant, po 50 000 laiko valandų yra tikimybė, kad iš 100 įrenginių ~37 tinkamai veiks, o 63 suges.

Patikrinkime defekto atsiradimo tikimybę per 3 metus, pvz. dviem maitintuvais su skirtingais MTBF.

1. MTBF = 50 000 valandų, 3 metai = 3 metai x 24 valandos x 365 dienos= 26 280 valandų ir pridedame prie formulės:

Šis rezultatas rodo tikimybę, kad po 3 metų 59,1% maitintuvų veiks tinkamai (pvz. iš 100 įrenginių ~59 veiks, o 41 suges).

2. MTBF = 700 000 valandų, 3 metai = 3 metai x 24 valandos x 365 dienos = 26 280 valandų ir pridedame prie formulės.

Šis rezultatas rodo tikimybę, kad po 3 metų 97,1% maitintuvų veiks tinkamai (pvz. iš 100 įrenginių ~97 veiks, o 3 suges).

Dažniausiai parametrą MTBF nustato gamintojas, atsižvelgiant į įrenginio darbą, kai aplinkos temperatūra 25°C. Darbo aukštesnėse temperatūrose atveju, yra taikoma taisyklė, kad aplinkos temperatūros padidinimas 10°C priveda prie dvigubos MTBF vertės sumažėjimo. Kodėl vieni įrenginiai turi aukšta o kiti žemą MTBF? Skirtumai atsiranda dėl sunaudotų elementų kokybės ir įrenginio sudėtingumo lygio. Ne visi gamintojai patalpina šį parametrą techniniuose duomenyse.

Įžanginė įtampa (Output Voltage) 

Pradinė įtampa, yra tai įtampa, kuri turėtų stabilizuotis esant maitintuvo apkrovos pokyčiams nuo 0 iki 100%. Reikia nepamiršti, kad visuose maitintuvuose pradinės įtampos metu vyksta triukšmas, pulsavimas ir trukdymai. Gali jie turėti amplitudę, siekiančią keliasdešimt Vp-p. Kartais per didelė pradinės įtampos pulsacijos vertė gali būti problemų priežastimi, jeigu maitinamas įrenginys yra veikiama pulsacijų, pvz. trukdymai kameros vaizde, CCTV programose arba dažnas pakartotinis kokios nors elektroninės įrangos įjungimas.

Žemiau yra pateiktas impulsinio maitintuvo 12 V pulsacijos įtampos oscilogramo momentinė.

Dinaminis atsakymas į kintančią apkrovą (Dynamic Response) 

Kiekvienas maitintuvas turėtų pristatyti į apkrovą pastovios vertės pradinę įtampą, kuri nekinta esant apkrovos srovės pakeitimui. Tačiau kartais, vyksta staigūs apkrovos pokyčiai (pvz. įjungimas/išjungimas infraraudonųjų spindulių apšvietimo CCTV kameroje arba papildomos apkrovos įjungimas/išjungimas). Apkrovos nuo 0 iki 100% (arba atvirkščiai) pakeitimo atveju atsiranda trukdžiai ir pradinės įtampos svyravimai, kurie gali turėti įtaką kitų įrenginių, prijungtų prie maitintuvo darbui.

Daugelis impulsinių maitintuvų turi sistemas, apsaugojančias išvestį nuo sujungimų ir apkrovų pasekmių. Todėl, kad yra naudojami įvairūs apsaugos būdai, reikia tinkamai pritaikyti maitintuvą prie apkrovos rūšies. Varikliai, lemputės su didele talpa, indukcija apkrova ir t.t., t. y. taip vadinamos apkrovos, nelinijinio pobūdžio, gali reikalauti didelio elektros srovės impulso, pradžioje, žymiai viršijančio maksimalią maitintuvo nominalią elektros srovę. Gali tai privesti prie apsaugo įsijungimo ir neprileisti prie maitintuvo įsijungimo. Praktikoje gali pasirodyti, kad maitintuvas pvz. 12 V 50 W nesugebės įdiegti po apkrovos prijungimo 12 V 30 W (pvz. lemputė, variklis).

Maitintuvų konstruktoriai taiko įvairus apsaugos nuo trumpųjų jungimų ir perkrovų pasekmių metodus. apsauga turėtų saugoti maitintuvą ir apkrovą. Žemiau yra aptariama dažniausiai sutinkama.

Hiccup režimas (Hiccup mode) 

Yra tai labai dažnai naudojama apsauga (iš ang. hiccup – žagsėjimas), kurio pranašumas, tai maži galios maitintuvuose praradimai, dėl trumpojo jungimo arba perkrovos, o taip pat automatinis grįžimas į įprastą darbą, po sujungimo arba pakrovos priežasties pašalinimo.

Tuo metu A atsiranda perkrova arba trumpasis jungimas. Vyksta maitinimo atjungimas. Pradžioje atsiranda elektros srovės impulsas, trunkantis labai trumpai (pvz. 100 ms) ir vertės iki 150% maksimalios elektros srovės. Maitintuvas kas kelios sekundės siunčia impulsą, tol kol išnyks perkrovos arba trumpojo jungimo priežastis (B), vėliau pereina į įprasto darbo rėžimą. Šios apsaugos veikimo riba (maitintuvo išjungimas) nustatytas yra daugumos atvejų 110–150% kintančioje elektros srovėje (I_out). Dažniausiai šis režimas yra integruotas su termine apsauga. Jeigu apkrova ima elektros srovę didesnę negu nominali, bet mažesnė negu apsaugos veikimo riba, tai praėjus trumpam laikui, įsijungs terminė apsauga, atjungiant maitinimą ir maitintuvas pereina į hiccup kol išnyks perkrovos priežastis.

Kreivė A – elektros srovės apribojimas (Foldback Current Limiting)
Šios rūšies apsauga yra taikoma taip pat linijiniuose maitintuvuose. Viršijus maksimalią elektros srovę (perkrovos atsparumo sumažinimo) vyksta redukcija (mažinimas). Kitaip sakant jeigu apkrovos varža mažėja, tai vyksta elektros srovės mažėjimas. Šio sprendimo pranašumas tai mažas galios maitintuvuose praradimas perkrovos arba trumpojo sujungimo atveju. Tačiau tokio sprendimo atveju maitintuvas nepradės veikti, kuomet yra didelė įdiegimo elektros srovė ( pvz. didelė talpa).

Kreivė B – elektros srovės stabilumas (Constant Current Limiting)
Peržengus maksimalią elektros srovę (perkrovos elektros srovės sumažinimo) maitintuvas palaiko pastovią pradinę elektros srovę, nepriklausomai nuo perkrovos vertės, kuomet pradinė įtampa sumažėja. Dažnai yra taikoma antra apsauga, kurią išjungia maitintuvas, kuomet įtampa nukris iki kelių voltų. Didelė šio metodo trūkumas, tai dideli galios praradimai pačiame maitintuve, o taip pat didelė elektros srovė tekanti per apkrovą, gali būti pažeidimų pasekme. Ši apsaugos rūšis teikia maitintuvo veikimo pradžią esant apkrovoms, nelinijinio pobūdžio.

Kreivė C – galios apribojimas (Over Power Limiting)
Peržengus maksimalią elektros srovę (apkrovos atsparumo sumažinimo) maitintuvo padinė galia išlieka tokiame pačiame lygyje. Kartu su apkrovos didėjimu įtampa ir pradinė elektros srovė krinta kai nurodyta C aprašyme. Ši apsaugos rūšis teikia maitintuvo veikimo pradžios galimybę, esant nelinijinio apibūdinimo apkrovoms.

Darbo temperatūra (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Priklausomai nuo maitintuvo stovio, dalis energijos siunčiamos į maitintuvą yra prarasta šilumoje, temperatūra maitintuvo viduje auga palyginus su išorine temperatūra. Aukštos kokybės maitintuvai, veikdami 25°C temperatūroje, gali įšilti iki 50–70°C. Aplinkos temperatūroje 50°C gali įšilti iki 75–95°C.

Svarbu nepamiršti, kad darbo temperatūra turi tiesioginę įtaką įrenginio gyvavimo laikotarpiui ir patikimumui. Impulsiniai maitintuvai yra sudėtingos konstrukcijos ir susideda iš didelio elektroninis komponentų kiekio, kurie gali būti patalpinti šalia savęs, maitintuvo korpuso viduje. Per aukšta vidinė temperatūra gali privesti prie maitintuvo pažeidimo ir žymiai sutrumpina jo gyvybingumo laikotarpį. Negalima pamiršti, kad yra stipri pradinės galios nuo temperatūros priklausomybė. Būtina neabejotinai vengti maitintuvo darbo temperatūrose aukštesnėse negu 50°C, nors ir gamintojai dažnai pateikia darbo temperatūrą virš šios vertės. Tokiu atveju reikia įdėmiai perskaityti techninę dokumentaciją.

Kai nurodyta piešinyje, maitintuvas gali į apkrovą, pilną galią bet tik iki 50°C temperatūros. Darbo metu 70°C temperatūroje įrenginį galima apkrauti 50%, t.y. puse maksimalios elektros srovės.

Labiausiai jautrūs temperatūros padidėjimui elementai, tai elektrolitiniai kondensatoriai. Praktiškai kiekvienas maitintuvas susideda ir kelių vienetų. Kondensatorių gamintojai pateikia esminį parametrą, t.y. taip vadinamą gyvavimo laiką, maksimaliai darbo temperatūrai. Temperatūros 10°C sumažinimas priveda prie dvigubo elektrolitinio kondensatoriaus gyvavimo laiko. Pvz. Standartiniai elektrolitiniai kondensatoriai turi gyvavimo laiką 1 000 valandų 105°C temperatūroje.

T.y.

Tas laikas nereiškia kondensatoriaus gyvavimo laiko pabaigos, tik laikas, kuriam praėjus įvyks žymi jo parametrų degradacija (talpos, nuoseklios elektros varžos ir t.t.) o tai dažniausiai priveda prie avarijos.

Kaip nurodo aukščiau pateiktas pavyzdys žemesnė temperatūra = ilgesnis gyvavimo laikas. Yra kondensatoriai, kurių gyvavimo laikas, kelis kartus ilgesnis, tačiau tai yra susiję su aukštesne kaina. Tai nuo gamintojo priklauso kokie bus panaudoti komponentai. Pigiuose maitintuvuose, nėra naudojamos brangesnės dalys, ilgesnio gyvavimo laiko.