TopTehniline sõnastikImpulsstoiteadapterid „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulsstoiteadapterid „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulsstoiteadapterid on haaranud praktiliselt kogu turu traditsioonilistelt lineaartoiteadapteritelt ning tegemist on kõige populaarsema ja levinuma toiteadapteriga. Nende eelised võrreldes lineaartoiteadapteritega on väiksemad mõõtmed, kergem kaal, suurem tõhusus ja võimekus ning soodsam hind. Nende peamine miinus on keerukas ehitus ning kõrgem häiringute tase, mille põhjustavad toiteadapteri häiringud ja väljundi häiringud.

 

Enimlevinud impulsstoiteadapterite tüübid on:

 

A - töölaud

B - moodul

C - LED

D - koos pistikuga

E - DIN lati jaoks

Impulsstoiteadapteri tööpõhimõte 

Impulsstoiteadapteris kasutatakse pulsilaiusmodulatsiooni PWM (Pulse Width Modulation), st toiteadapteri väljundpinget reguleeritakse impulsi täiteteguri muutmisega püsival ja muutumatul sagedusel.

 

Pulsilaiusmodulatsiooni PWM põhimõte on toodud alljärgneval joonisel

 

U - pinge

t - aeg

Uin - sisendpinge

Uout - väljundpinge

T - periood (ühes sekundis esinevate perioodide arv on sagedus, mida väljendatakse ühikuga Hz, kHz või MHz)

t1 - impulsi pikkus (ülemine asend)

t2 - impulsi puudumine

Impulsi pikkuse (t1) lühendamine toob kaasa väljundpinge (Uout) keskmise väärtuse vähenemise ning vastupidi: impulsi pikkuse (t1) pikendamine toob kaasa väljundpinge (Uout) keskmise väärtuse suurenemise. Seda on näha alloleval joonisel:

  • vasakul on näha madal impulsi täitetegur – madalam väljundpinge väärtus Uout,
  • paremal kõrgem impulsi täitetegur – kõrgem väljundpinge väärtus Uout.

     

  • Väljundpinge keskmise väärtuse saab hõlpsasti välja arvutada järgmise valemi abil:

     

    Järgnev joonis ja kirjeldus tutvustavad impulsstoiteadapteri tööpõhimõtet:

     

    1 - vahelduvvoolu sisendpinge

    2 - sulavkaitse

    3 - sisendfilter

    4 - Graetzi sildalaldi süsteem

    5 - lülitustransistor

    6 - pulsilaiusmodulatsiooni kontroller

    7 - optiline isolaator (galvaaniline isolatsioon)

    8 - impulsimuundur

    9 - alaldi

    10 - väljundfilter

    11 - alalisvoolu väljundpinge

    Vahelduvvoolu pinge, st 230 V (1) läbib LC-filtritega sisendfiltri. Tegemist on olulise elemendiga, mis kaitseb vooluvõrku toiteadapteris tekkivate häiringute eest ning kaitseb toiteadapterit vooluvõrgust tulevate häiringute eest. Vahelduvvoolu pinge alaldamiseks kasutatakse alaldisilda (4) ning pärast alaldamist jõuab alalispinge trafoni (8), mida lülitab transistor (5), mida mõnikord kutsutakse ka lülitajaks. Transistor lülitab voolu sisse ja välja ristkülikukujulise lainena, millel on kindlaksmääratud sagedus (võimalik vahemik on alates 20 kHz kuni mitusada tuhat kHz või isegi MHz), kasutades selleks pulsilaiusmodulatsiooni. Transistori juhtimiseks kasutatakse tagasisideahelat (6, 7), mis koosneb optilisest isolaatorist ja pulsilaiusmodulatsiooni kontrollerist (ajam). Süsteem kontrollib väljundpinget ning vastavalt sellele, kas väljundpinge tõuseb või langeb, muudetakse impulsi laiust, viimase sooritamiseks juhitakse transistorit ning reguleeritakse seda nii, et väljundil oleks alati püsiv pinge. Väljundpinge kontrollimise süsteem töötab kõrgel sagedusel, mis võimaldab hoida püsivat väljundpinget ning reageerida viivitamatult selle tõusmisele või langemisele. Ristkülikukujuline pinge trafo väljundist (8) alaldatakse (9) ning seejärel läbib see väljundfiltri (10), mis peaks pidama kinni kõrgemad võnkumised ja häiringud, mille on muundur tekitanud. Impulsstoiteadapteri väljundi (11) juures on olemas püsiv pinge.

     

    Järgnevalt mõned soovitused, mis parameetritele pöörata tähelepanu impulsstoiteadapteri valimisel. 

    Sisendpinge (Input Voltage) 

    Euroopa Liidus on vooluvõrgus 230 V vahelduvvool (erand on Suurbritannia, kus on 240 V vahelduvvool). Standardid lubavad pinge kõikumist 10%, st vooluvõrgu pinge võib kõikuda vahemikus 207 V kuni 253 V. Seega on hea valida toiteadapter, mille sisendpinge vahemik on suur, näiteks 100–264 V vahelduvvool.

     

    Maksimaalne sisselülitusvool (Max Inrush Current) 

    Pärast toiteadapteri sisselülitamist tekib tugev vooluimpulss, mis võib sõltuvalt toiteadapteri võimsusest jõuda väga kõrgete väärtusteni, isegi kuni mitmekümne amprini, mis kestab kuni ühe perioodi, st sageduse 50 Hz puhul kuni 20 ms. Selle nähtuse põhjustab sisendkondensaatorite laadimine. See võib osutuda probleemiks siis, kui mitu toiteadapterit lülitatakse sisse samal ajal või kui kasutatakse suure võimsusega toiteadapterit. Tugev käivitusvool võib aktiveerida vooluvõrgu kaitsmed (sulavkaitsme, ülekoormuse kaitsme jne). Antud probleemi lahendamiseks tuleb kasutada ülekoormuse kaitset, mille tunnusjoon on C või D.

     

    Tõhusus (Efficiency) 

    Tegemist on suhtarvuga alalisvoolu väljundvõimsuse (toiteadapterist väljuva voolu) ja vahelduvvoolu sisendvõimsuse (elektrivõrgust tarbitav) vahel, mida väljendatakse protsentides.

     

    Tõhusust märgitakse kreeka tähestiku tähega "eeta": η. Energiakaod esinevad igas seadmes, kus töödeldakse energiat ning tõhusus aitab energiakadusid hinnata. Sellele parameetrile tuleb pöörata tähelepanu, sest mida suurem on tõhusus, seda vähem energiat läheb kaotsi, mis toob kaasa madalama temperatuuri toiteadapteri sees ning sellega kaasneb seadme suurem töökindlus ja pikem eluiga. Praegu toodetavate toiteadapterite tõhusus ulatub isegi > 90% (lineaarsetel toiteadapteritel on madal energiatõhusus, mis ei ületa 50%).

     

    Tõhususe valem:

     

    η – protsentides väljendatud tõhusus

    Pout – väljundvõimsus

    Pin - sisendvõimsus

    Näide 1.
    Meil on toiteadapter, mille väljundvõimsus on 100 W ja mis tarbib vooluvõrgust 117,6 W. Arvutame selle tõhususe.

     

    Enamikul juhtudel kuulub toiteadapteri tehnilistesse andmetesse ka väljundvõimsus ja tõhusus. Tootjad ei too tehnilistes andmetes välja, kui palju energiat tarbib toiteadapter ise. Selle saab hõlpsasti välja arvutada, kui asetada väärtus teisendatud valemisse.

     

    Näide 2.
    Meil on toiteadapter, mille väljundvõimsus on 150 W ja mille tõhusus on 86%. Arvutame välja, kui palju see tarbib võimsust elektrivõrgust.

     

    Samuti saame välja arvutada, kui palju läheb selles toiteadapteris kaotsi kuumusena (Pd – energiakadu), kui kasutame lihtsat valemit (lahutame tarbitud võimsusest väljundvõimsuse).

     

    Antud juhul läheb kuumusena kaotsi 24,4 W, mis mõistagi käib täisvõimsuse kohta. Need 24,4 W tõstavad temperatuuri korpuse sees ning soojendavad seesmisi komponente.

     

    MTBF - Mean Time Between Failure 

    Seda väljendatakse tundides ning see info kirjeldab töökindlust.

     

    Väga tihti tõlgendatakse seda parameetrit valesti. Näiteks ulatub toiteadapteri keskmine tõrkeintervall (MTBF) 700 000 tunnini ehk ligi 80 aastani. See ei tähenda, et toiteadapter töötab kogu selle aja tõrgeteta.

     

    Keskmise tõrkeintervalli mõiste ja selle arvutusviis võeti USA sõjaväes kasutusele aastal 1965, kui avaldati mudel MIL-HDBK-217. See kirjeldas erinevate elektroonikakomponentidega (näiteks kondensaatorid, takistid ja transistorid) juhtuvate õnnetuste sagedust. Selles mudelis avaldati tõrgete sageduse arvutamise meetodid. Antud tegevuse eesmärk oli standardiseerida elektroonikaseadmete ja sõjavarustuse töökindluse hindamise meetodeid.

     

    Lisaks mudelile MIL-HDBK-217 on kasutusel ka muud keskmise tõrkeintervalli arvutamise meetodid, mida võib leida näiteks elektroonikaseadmete tehnilistest andmetest. Igal mudelil on erinev algoritm töökindluse arvutamiseks. Mõned näited meetoditest: HRD5, Telcordia, RBD, Markovi mudel, FMEA/FMECA, tõrkepuu, HALT.

     

    Teades keskmise tõrkeintervalli aega on võimalik arvutada tõenäosus, et seadmes esineb tõrge enne keskmise tõrkeintervalli aja täitumist. Tegemist on väga kasuliku informatsiooniga, mis võimaldab hinnata süsteemi tõrgete sagedust. Üldine põhimõte on lihtne: mida suurem on keskmine tõrkeintervall, seda töökindlam on seade.

     

    Tuleb pidada meelest, et keskmine tõrkeintervall tähistab alati aega, pärast mille möödumist langeb seadme töökindlus alla 36,8%. 

    Miks? Arvutamise jaoks tuleb meil kõigepealt tutvuda töökindluse valemiga.

     

    R(T) – töökindlus väljendatuna protsendina tööajast

    T – seadme tööaeg

    MTBF – keskmine tõrkeintervall

    2,718 – Euleri arv (esineb valemites tähena "e")

    Teisisõnu: 2,718 tuleb võtta negatiivse tööaja ja keskmise tõrkeintervalli jagatise astmesse.

     

    Arvutame tõrke tõenäosuse pärast 50 000 tunni möödumist seadmel, mille keskmine tõrkeintervall on 50 000 tundi.

     

    Seega on seadmel, mille keskmine tõrkeintervall on 50 000 tundi, pärast 50 000 tunni möödumist töökindlus 36,8%. Teisisõnu on pärast 50 000 tunni möödumist tõenäoline, et 100 seadmest umbes 37 töötavad ja 63 on tõrkega.

     

    Arvutame tõrke tõenäosuse 3 aasta pärast kahe toiteadapteri puhul, millel on erinev keskmine tõrkeintervall.

     

    1. Keskmine tõrkeintervall = 50 000 tundi, 3 aastat = 3 aastat x 24 tundi x 365 päeva = 26 280 tundi ning me teeme valemis asenduse:

     

    See tulemus näitab, et pärast 3 aastat töötavad tõenäoliselt 59,1% toiteadapteritest veatult (st iga 100 seadme kohta on ligikaudu 59 töötavat ja 41 tõrkega seadet).

     

    2. MTBF = 700 000 tundi, 3 aastat = 3 aastat x 24 tundi x 365 päeva = 26 280 tundi ning me teeme valemis asenduse.

     

    Antud juhul selgub, et pärast 3 aastat töötavad tõenäoliselt 97,1 % toiteadapteritest veatult (st iga 100 seadme kohta on ligikaudu 97 töötavat ja 3 tõrkega seadet).

     

    Enamikul juhtudel on tootja keskmise tõrkeintervalli parameetri määranud tingimusel, et seade töötab keskkonnatemperatuuril 25 °C. Kui seade töötab kõrgemal temperatuuril, siis kehtib reegel, et temperatuuri tõstmine 10 °C võrra vähendab keskmist tõrkeintervalli kaks korda. Miks on mõne seadme keskmine tõrkeintervall pikk ja mõnel lühike? Erinevused tulenevad kasutatavate elementide kvaliteedist ja seadme keerukusest. Mitte kõik tootjad ei esita neid parameetreid tehnilistes andmetes.

     

    Väljundpinge (Output Voltage) 

    Väljundpinge on pinge, mida tuleb stabiliseerida, kui toiteadapteri koormus muutub vahemikus 0 kuni 100%. Tuleb pidada meeles, et iga toiteadapteri puhul väljenduvad müra, pulseerimine ning häiringud väljundpinges. Nende amplituud võib olla kuni mitusada mV. Mõnikord võib liiga suur väljundvõime pulseerimine põhjustada probleeme, kui toitevoolu saav seade on pulseerimisele tundlik, st tekivad moonutused valvesüsteemi kaamerates või elektroonikaseadmed teevad sagedasi taaskäivitusi.

     

    Allpool on toodud 12 V impulsstoiteadapteri pinge pulsatsiooni ostsillogramm.

     

    Dünaamiline reaktsioon (Dynamic Response) 

    Iga toiteadapter peab suutma tagada püsiva pingega väljundvoolu, mis ei sõltu koormusega kaasnevast voolutugevusest. Kuid mõnikord võib koormuses esineda järske muudatusi (näiteks valvesüsteemi kaamera infrapunavalgusti sisse- või väljalülitamisel või täiendava koormuse sisse- või väljalülitamisel). Kui koormus muutub 0-st 100%-ni või vastupidi, siis tekivad häiringud ja väljundpinge kõikumised, mis võivad mõjutada teiste toiteadapteriga ühendatud seadmete tööd.

     

    Alljärgneval joonisel on toodud kvaliteetse toiteadapteri väljundpinge koormuse muutumine 0-st kuni 100%-ni; andmed pärinevad tehnilisest dokumentatsioonist.

     

    V - väljundpinge

    L - koormus

    Enamik impulsslülitusega toiteadaptereid on varustatud süsteemidega, mis kaitsevad väljundit lühiste ja ülekoormuse eest. Kuna kasutatakse erinevaid kaitsemeetmeid, siis tuleb toiteadapter valida vastavalt koormuse tüübile. Mootorid, pirnid, suure mahutavusega ning suure induktiivsusega koormused, st nn mittelineaarsed koormused võivad vajada käivitumisel suuremat vooluimpulssi, mis ületab suurel määral toiteadapteri nimivoolu. See võib põhjustada kaitsmete rakendumise ja takistada toiteadapteri sisselülitumist. Praktikas võib juhtuda, et näiteks 12 V 50 W toiteadapter ei suuda käivituda pärast 12 V 30 W koormuse ühendamist (näiteks pirn või mootor).

     

    Toiteadapterite projekteerijad kasutavad erinevaid meetodeid lühiste ja ülekoormuste eest kaitsmiseks. Kaitsesüsteem peab kaitsma toiteadapterit ja koormust. Allpool käsitletakse enimlevinud võimalusi.

     

    Hiccup-režiim (Hiccup mode) 

    Seda kaitsemeetodit kasutatakse väga tihti (inglise keeles hiccup – luksumine) ning selle eelised on väikesed energiakaod lühise või ülekoormuse korral ja naasmine normaalsesse töörežiimi pärast seda, kui lühise või ülekoormuse põhjus on kõrvaldatud.

     

    Alljärgnev joonis illustreerib hiccup-töörežiimi.

     

    Uout - väljundpinge

    Iout - väljundvool

    t - aeg

    A – lühis (ülekoormus)

    B – lühise põhjuse kõrvaldamine

    Ajahetkel A tekib ülekoormus või lühis. Toiteadapter ühendatakse lahti. Väga lühikeste ajaperioodide järel antakse vooluimpulss (näiteks kestusega 100 millisekundit) tugevusega kuni 150% maksimaalsest voolust. Toiteadapter jätkab selle impulsi saatmist iga paari sekundi järel kuni lühise (B) põhjus kõrvaldatakse ning seejärel naaseb normaalsesse töörežiimi. Selle kaitsemeetme läveks (toiteadapteri väljalülitumine) määratakse enamikul juhtudel 110-150% nimivoolust (Iout). Tavaliselt on selline kaitsemeetod kasutusel koos termokaitsega. Kui koormus on suurem kui nimivool, kuid väiksem kui kaitselüliti rakendusemiseks vajalik vool, siis pärast lühikest ajaperioodi lülitub sisse termokaitse, mis ühendab toiteadapteri lahti ning see läheb üle hiccup-režiimile kuni ülekoormuse põhjus kaob.

     

    Alljärgneval joonisel on toodud muud kaitsesüsteemid liigse võimsustarbimise vastu (kolm kõverat: A, B ja C).

     

    Uout - väljundpinge

    Iout - väljundvool

    Kõver A – voolutugevuse piiramine (Foldback Current Limiting)
    Seda tüüpi kaitsemehhanisme kasutatakse ka lineaarsetes toiteadapterites. Maksimaalse voolu ületamisele (koormustakistuse vähendamisele) järgneb selle vähendamine. Teisisõnu, kui väheneb koormustakistus, siis sellele järgneb voolutugevuse vähendamine. Selle lahenduse eelis on toiteadapteri madal energiakulu ülekoormuse või lühise korral. Kuid selle lahenduse puhul ei suuda toiteadapter käivitada koormust, mis vajab tugevat käivitusvoolu (nt suur mahutavus).

     

    Kõver B – voolutugevuse stabiliseerimine (Constant Current Limiting)
    Pärast maksimaalse voolutugevuse ületamist (koormustakistuse vähenemist) säilitab toiteadapter püsiva väljundvoolu tugevuse hoolimata ülekoormusest, samal ajal väljundpinge langeb. Kasutatakse ka teist kaitsesüsteemi, mille puhul toiteadapter lülitatakse välja, kui pinge langeb paari voldi võrra. Selle meetodi suur miinus on suur energiakadu toiteadapteris ja suur voolutugevus, mis võib põhjustada kahjustusi. Seda tüüpi kaitsemehhanismi abil on võimalik toiteadapteril käivitada mittelineaarsete omadustega koormusi.

     

    Kõver C – võimsuse piiramine (Over Power Limiting)
    Pärast maksimaalse voolutugevuse ületamist (koormustakistuse vähenemist) jääb toiteadapteri väljundvõimsus samaks. Koos koormuse suurenemisega langeb pinge ja väljundvoolu tugevus vastavalt kõverale C. Seda tüüpi kaitsemehhanismi abil on võimalik toiteadapteril käivitada mittelineaarsete omadustega koormusi.

     

    Töötemperatuur (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

    Sõltuvalt toiteadapteri tõhususest läheb osa edastatavast energiast kaotsi kuumusena, temperatuur toiteadapteri sisemuses tõuseb võrreldes välistemperatuuriga. Kvaliteetsed toiteadapterid, mis töötavad temperatuuril 25 °C, võivad kuumeneda kuni temperatuurini 50–70 °C. Keskkonna temperatuuril 50 °C võivad need kuumeneda temperatuurini 75–95 °C.

     

    Väga oluline on mõista, et töötemperatuur mõjutab otseselt seadme eluiga ja töökindlust. Impulsslülitusega toiteadapterite konstruktsioon on keeruline ning need koosnevad paljudest elektroonikakomponentidest, mis võivad paikneda üksteisele liiga lähedal toiteadapteri sees. Liiga kõrge temperatuur toiteadapteris võib seda kahjustada ja lühendada selle eluiga. Pange tähele, et see on tugevas seoses väljundvõimsusega ja temperatuuriga. Toiteadapteri kasutamist temperatuuridel üle 50 °C tuleb kindlasti vältida, kuigi tihti tootjad deklareerivad sellest temperatuurist kõrgemaid temperatuure. Sellisel juhul soovitame põhjalikult tutvuda tehnilise dokumentatsiooniga.

     

    Näiteks 150 W 12 V toiteadapteri deklareeritud töötemperatuur jääb vahemikku -10 °C kuni 70 °C. Kuid tootja tehnilises dokumentatsioonis on koormuse osakaal välja toodud töötemperatuuri funktsioonina.

     

    L - Maksimaalse koormuse temperatuur

    T - Ümbritseva õhu temperatuur

    Nagu joonisel näha, võib toiteadapter töötada täisvõimsusel ainult siis, kui töötemperatuur on 50 °C. Kui töötemperatuur on 70 °C, siis võib seadme koormus olla 50%, st pool maksimumist.

     

    Temperatuuri suhtes kõige tundlikumad elemendid on elektrolüütkondensaatorid. Praktiliselt igas toiteadapteris on neid vähemalt mõni. Kondensaatorite tootjad tähistavad olulisimat parameetrit ehk eluiga maksimaalse töötemperatuuri kaudu. Temperatuuri alandamine 10°C võrra pikendab elektrolüütkondensaatori eluiga kaks korda. Näiteks standardse elektrolüütkondensaatori eluiga on 1000 tundi temperatuuril 105 °C.

    See tähendab:

  • 105 °C – 1 000 tundi (41 päeva)
  • 95 °C – 2 000 tundi (83 päeva)
  • 85 °C – 4 000 tundi (166 päeva)
  • 75 °C – 8 000 tundi (333 päeva)
  • 65 °C – 16 000 tundi (1,8 aastat)
  • 55 °C – 32 000 tundi (3,6 aastat)
  • 45 °C – 64 000 tundi (7,3 aastat)

     

  • See eluiga ei tähista kondensaatori töö lõppu, vaid ainult aega, pärast mille möödumist muutuvad kondensaatori parameetrid oluliselt halvemaks (mahutavus, jadatakistus jne), mis tavaliselt viivad seadme tõrkeni.

     

    Nagu ülaltoodud näide selgitas, siis madalam temperatuur tähendab pikemat eluiga. Nende kondensaatorite eluiga on mitu korda pikem, kuid see väljendub ka kõrgemas hinnas. Tootja otsustada jääb see, milliseid komponente ta kasutab. Soodsama hinnaklassi toiteadapterites ei kasutata enam kallemaid komponente.