TopTehniskā vārdnīcaImpulsu sprieguma stabilizators „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulsu sprieguma stabilizators „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulsu sprieguma stabilizatori gandrīz pilnībā izstūmuši no tirgus tradicionālos lineāros sprieguma stabilizatorus un uz doto brīdi tie veido vispopulārāko un vislielāko stabilizatoru grupu. To priekšrocība, salīdzinājumā ar lineārajiem stabilizatoriem, ir mazie izmēri, nelielais svars, veiktspēja un labā cena. Kā trūkumu iespējams minēt konstrukcijas sarežģītības pakāpe, kā arī lielāks ģenerēto traucējumu līmenis un palielināts izejas traucējumu līmenis.

 

Visbiežāk sastopamie impulsu sprieguma stabilizatoru veidi:

 

A - darbvirsma

B - moduļveida

C - LED

D - ar spraudni

E - uz DIN sliedes

Impulsu sprieguma stabilizatoru darbības pamatprincipi 

Impulsu stabilizatoros tiek izmantota impulsa platuma modulācija PWM (Pulse Width Modulation) jeb stabilizatora izejas spriegums tiek regulēts, mainot impulsu samēru pie konstantas, nepārveidotas frekvences.

 

Zīmējumā zemāk parādīti PWM darbības principi.

 

U - spriegums

t - laiks

Uin - ieejas spriegums

Uout - izejas spriegums

T - periods (periodu skaits sekundē ir frekvence, kas tiek izteikta Hz, kHz vai MHz)

t1 - impulsa ilgums (augsts stāvoklis)

t2 - nav impulsa

Impulsa ilguma laika samazināšanas (t1) rezultātā tiek samazināta izejas sprieguma vidējā vērtība (Uout) un otrādi: impulsa ilguma laika palielināšanas (t1) rezultātā palielinās izejas sprieguma vidējā vērtība (Uout). Tas parādīts grafikā augstāk:

  • kreisajā pusē mazs impulsa samērs – mazāka izejas sprieguma vērtība Uout,
  • labajā pusē liels impulsa samērs – lielāka izejas sprieguma vērtība Uout.

     

  • Izejas sprieguma vidējo vērtību viegli iespējams aprēķināt pēc parauga:

     

    Impulsu stabilizatora darbības shēma un apraksts:

     

    1 - maiņstrāvas ieeja

    2 - drošinātājs

    3 - ieejas filtrs

    4 - taisngrieža sistēma (diožu tilts)

    5 - modulācijas tranzistors

    6 - PWM kontrolleris

    7 - optrons (galvaniskā izolācija)

    8 - impulsu transformators

    9 - taisngriezis

    10 - izejas filtrs

    11 - līdzstrāvas izeja

    Tīkla maiņstrāva, piem. 230 V (1), iziet cauri ieejas filtram ar LC (3) elementiem. Tas ir svarīgs elements, kas aizsargā energoapgādes tīklu pret traucējumiem, kas rodas barošanas avotā un aizsargā barošanas avotu pret traucējumiem, kas rodas energoapgādes tīklā. Maiņstrāva tiek taisngriezta, izmantojot tiltaslēguma taisngriezi (4) un pēc taisngriešanas, kā līdzstrāva, nokļūst līdz transformatoram (8), kur notiek modulācija ar tranzistoru (5), kas reizēm tiek saukts par pārslēgu. Tranzistors ieslēdz un izslēdz taisnstūra viļņu formas strāvu ar noteiktu frekvenci (iespējama diapazonā no 20 kHz līdz vairākiem kHz un pat MHz), izmantojot PWM impulsa platuma modulāciju. Tranzistors tiek vadīts ar atgriezeniskās saites sistēmu (6, 7), kas sastāv no optrona un PWM kontrollera (draivera). Sistēma pārbauda, kāds spriegums ir izejā un, atkarībā no tā vai tas palielinās, vai samazinās, maina impulsa platumu (aizpildīšana), vadot un regulējot tranzistoru tā, lai izejā vienmēr būtu nemainīgs spriegums. Sistēma izejas sprieguma izpētei darbojas lielā ātrumā, kas palīdz saglabāt nemainīgu izejas spriegumu un, palielinājuma vai samazinājuma gadījumā, nekavējoties koriģēt izmaiņas, lai spriegums tiktu saglabāts nemainīgā līmenī. Taisnstūra spriegums transformatora izejā (8) tiek pārveidots taisngrieztajā spriegumā (9) un iziet cauri izejas filtram (10), kura uzdevums ir „nobloķēt" augstākās harmonikas un traucējumus, ko ģenerē sprieguma invertors. Impulsu stabilizatora izejā (11) tiek iegūts nemainīgs spriegums.

     

    Daži ieteikumi, kādiem parametriem nepieciešams pievērst uzmanību, izvēloties impulsu stabilizatoru. 

    Ieejas spriegums (Input Voltage) 

    Polijā un Eiropas Savienībā spriegums energoapgādes tīklā ir 230 V AC (izņēmums ir Lielbritānija – 240 V AC). Standarti pieļauj 10% novirzi jeb tīkla spriegums var svārstīties no 207 V līdz 253 V AC. Tādēļ ir vērts izvēlēties stabilizatoru ar plaša spektra ieejas spriegumu, piem. 100–264 V AC.

     

    Izsitienstrāva (Max Inrush Current) 

    Pēc stabilizaora ieslēgšanas, parādīsies liels strāvas impulss, kas var sasniegt augstas vērtības, atkarībā no stabilizatora jaudas, ampēru diapazona vairāki desmiti, kas ilgst līdz 1 periodam, t.i., ar 50 Hz frekvenci līdz 20 ms. Šo parādību izraisa ieejas kondensatoru ielāde. Tas var radīt problēmu, piem. vienlaicīgas vairāku stabilizatoru ieslēgšanas gadījumā vai izmantojot lielākas jaudas stabilizatoru. Liela palaides strāva var izraisīt energoapgādes tīkla aizsardzības nostrādi (drošinātāji, pārslodzes slēdži u.tml.). Izeja no šīs situācijas ir strāvas pārslodzes drošinātāju nomaiņa uz C vai D tipu.

     

    Efektivitāte (Efficiency) 

    Tā ir stabilizētā strāvas avota atdotās jaudas (stabilizatora atdotā) procentuālā attiecība pret maiņstrāvas ieejas jaudu (ņemta no tīkla).

     

    Efektivitāte tiek apzīmēta ar grieķu alfabēta burtu „eta”: η. Katrā enerģijas pārveides iekārtā daļa jaudas tiek zaudēta, un tieši efektivitāte palīdz novērtēt zaudējumu apjomu. Šim parametram nepieciešams pievērst uzmanību. Jo lielāka ir efektivitāte, jo mazāks enerģijas daudzums tiek pazaudēts, kā rezultātā stabilizatora iekšpusē ir mazāka temperatūra, kas, savukārt, palielina uzticamību un pagarina iekārtas dzīves ilgumu. Uz doto brīdi izgatavotie impulsu stabilizatori sasniedz efektivitāti > 90% (transformatoru/lineāro stabilizatoru enerģijas efektivitāte nepārsniedz 50%).

     

    Efektivitātes formula:

     

    η – efektivitāte procentos

    Pout – izejas jauda

    Pin - ieejas jauda

    Piemērs 1.
    Stabilizatora izejas jauda ir 100 W, kas no energoapgādes tīkla paņem 117,6 W. Aprēķināsim efektivitāti.

     

    Visbiežāk stabilizatoru tehniskajā specifikācijā ir norādīta atdotā jauda un efektivitāte. Ražotāji specifikācijā nenorāda cik lielu jaudu stabilizators patērē. Patērēto jaudu iespējams viegli aprēķināt, ievietojot vērtības formulā.

     

    Piemērs 2.
    Stabilizatora atdotā jauda ir 150 W un efektivitāte 86%. Aprēķināsim, cik liela energoapgādes tīkla jauda tiek patērēta.

     

    Mēs viegli varam aprēķināt cik daudz jaudas šajā stabilizatorā tiek zaudēts siltumam (Pd – zudumu jauda), izmantojot vienkāršu formulu (no paņemtās jaudas atņemam patērēto jaudu).

     

    Šajā gadījumā 24,4 W tiek patērēti siltumam, protams, pilnas slodzes gadījumā. Šie 24,4 W palielina temperatūru korpusa iekšpusē un uzkarsē iekšējos elementus.

     

    MTBF - vidējais laiks starp kļūmēm (Mean Time Between Failure) 

    Tas tiek izteikts stundās un šī informācija attiecas uz iekārtas efektivitāti.

     

    Ļoti bieži šis parametrs tiek nepareizi interpretēts. Piemēram, stabilizatora MTBF ir 700 000 stundas jeb gandrīz 80 gadi. Tas nenozīmē, ka stabilizators nevainojami darbosies tik ilgu laiku.

     

    MTBF aprēķināšanas veidus un metodes 1965. gadā ieviesa amerikāņu armija, līdz ar modeļa MIL-HDBK-217 publikāciju. Tajā tika norādīta avārijas frekvence dažādiem elektronikas komponentiem, t.i., kondensatoriem, rezistoriem, tranzistoriem. Šajā modelī tika publicētas atteiču biežuma aprēķināšanas metodes. Tā mērķis bija standartizēt elektronisko iekārtu un armijas aprīkojuma uzticamību.

     

    Neskaitot modeli MIL-HDBK-217, tiek izmantoti arī citi MTBF parametra aprēķināšanas veidi, ar kuriem iespējams saskarties elektronisko iekārtu tehniskajā specifikācijā. Visiem modeļiem ir atšķirīgi algoritmi uzticamības aprēķināšanai. Metožu piemēri: HRD5, Telcordia, RBD, Markova modelis, FMEA/FMECA, bojājumu koks, HALT.

     

    Zinot MTBF laiku, iespējams aprēķināt iekārtas bojājumu varbūtību pirms MTBF laika beigām. Tā ir ļoti noderīga informācija, kas palīdz novērtēt sistēmas kļūmes. Galvenais nosacījums ir vienkāršs: jo lielāks MTBF, jo uzticamāka ierīce.

     

    Atcerēsimies, ka MTBF vienmēr nozīmē laiku, pēc kura iekārtas uzticamība nokrītas līdz 36,8%. 

    Kāpēc? Aprēķināšanai nepieciešams iepazīties ar uzticamības formulas paraugu.

     

    R(T) – procentuālā uzticamība salīdzinājumā ar iekārtas darba laiku

    T – iekārtas darba laiks

    MTBF – vidējais laiks starp avārijām

    2,718 – Eilera skaitlis (formulā parādās kā burts „e”)

    Vārdiem: 2,718 palielināts līdz negatīvai darba laika jaudai un dalīts ar MTBF.

     

    Aprēķināsim iekārtas kļūmi, kuras MTBF ir 50 000 stundas pēc 50 000 stundu izbeigšanās.

     

    Iekārtai, kuras MTBF = 50 000 stundas, uzticamība ir 36,8% pēc 50 000 stundām. Citiem vārdiem, pēc 50 000 stundām pastāv iespējamība, ka no 100 iekārtām ~37 darbosies, bet 63 atradīsies avārijas stāvoklī.

     

    Pārbaudīsim bojājuma rašanās iespējamību 3 gadu laikā, piem. diviem stabilizatoriem ar dažādu MTBF.

     

    1. MTBF = 50 000 stundas, 3 gadi = 3 gadi x 24 stundas x 365 dienas = 26 280 stundas un ievietojam formulā:

     

    Rezultāts parāda iespējamību, ka pēc 3 gadiem 59,1% stabilizatoru darbosies bez kļūmēm (piem., no 100 iekārtām ~59 būs darbināmas, bet 41 būs disfunkcijas).

     

    2. MTBF = 700 000 stundas, 3 gadi = 3 gadi x 24 stundas x 365 dienas = 26 280 stundas un ievietojam formulā.

     

    Šis piemērs parāda iespējamību, ka pēc 3 gadiem 97,1% stabilizatoru darbosies bez kļūmēm (piem., no 100 iekārtām ~97 darbosies bez kļūmēm, bet 3 būs disfunkcijas).

     

    Visbiežāk MTBF parametru ražotājs nosaka attiecībā pret ierīces darbu apkārtējās vides temperatūrā 25°C. Ja darbs notiek augstākā temperatūrā, spēkā stājas noteikums, ka apkārtējās vides temperatūras palielināšanās par 10°C veicina divkārtīgu MTBF vērtības samazināšanos. Kāpēc dažām iekārtām ir augsts, bet dažām zems MTBF? Atšķirības izriet no izmantoto elementu kvalitātes un iekārtas sarežģītības pakāpes. Ne visi ražotāji šo parametru norāda tehniskajā specifikācijā.

     

    Izejas spriegums (Output Voltage) 

    Izejas spriegums ir spriegums, kuru nepieciešams stabilizēt stabilizatora slodzes izmaiņu gadījumā no 0 līdz 100%. Jāsaprot, ka visiem stabilizatoriem izejas līdzstrāvu ietekmē trokšņi, pulsācijas un traucējumi. Tie var sasniegt amplitūdu vairāku simtu mVp-p apmērā. Reizēm pārāk liela izejas sprieguma pulsācijas vērtība var radīt problēmas, ja iekārta ir uzņēmīga pret pulsāciju, piem. kameras attēla traucējumi CCTV aplikācijā vai bieži jebkuras elektroniskās iekārtas restarti.

     

    Zemāk parādīts impulsu stabilizatora sprieguma pulsācijas 12 V oscilogrammas momentuzņēmums.

     

    Dinamiskā raksturlīkne (Dynamic Response) 

    Katram stabilizatoram jānodrošina slodze ar konstantas vērtības izejas spriegumu, kas nemainās slodzes strāvas izmaiņu gadījumā. Tomēr reizēm rodas lēcienveida slodzes izmaiņas (piem. infrasarkano staru prožektora ieslēgšanās/izslēgšanās CCTV kamerā vai papildu slodzes ieslsēgšanās/izslēgšanās). Mainoties slodzei no 0 līdz 100% (vai otrādi), parādās izejas sprieguma traucējumi un svārstības, kas var ietekmēt citu stabilizatoram pievienoto iekārtu darbu.

     

    Zīmējumā zemāk redzamas izejas sprieguma izmaiņas attiecībā pret augstas kvalitātes stabilizatora slodzes izmaiņām no 0 līdz 100%, dati ņemti no stabilizatora tehniskās specifikācijas.

     

    V - izejas spriegums

    L - slodze

    Lielākā daļa impulsa stabilizatoru ir aprīkoti ar izejas aizsardzības sistēmu pret īssavienojumu un pārslodzi. Tā kā tiek izmantoti dažādi aizsardzības veidi, nepieciešams pareizi piemeklēt stabilizatoru konkrētajam slodzes veidam. Motori, spuldzes, liela kravnesība, induktivitāte u.tml. jeb tā sauktā nelineārās raksturlīknes slodze palaidē var prasīt lielu strāvas impulsu, ievērojami pārsniedzot stabilizatora maksimālo nominālo strāvu. Tas var izraisīt aizsardzības ieslēgšanos, kā rezultātā stabilizators nedarbojas. Praksē var izrādīties, ka stabilizators, piem. 12 V 50 W nebūs spējīgs ieslēgties pēc 12 V 30 W slodzes pievienošanas (piem. spuldzes, motors).

     

    Stabilizatoru izstrādātāji izmanto dažādas aizsardzības metodes, lai nodrošinātos pret īssavienojumiem un pārslodzi. Aizsardzības metožu uzdevums ir aizsargāt stabilizatoru un slodzi. Visbiežāk sastopamie varianti parādīti zemāk.

     

    Hiccup režīms (Hiccup mode) 

    Šī aizsardzības metode tiek izmantota ļoti bieži (ang. hiccup – žagas), kuras priekšrocība ir mazie stabilizatora jaudas zudumi pārslodzes vai īssavienojuma gadījumā, kā arī automātiska darba režīma atjaunošanās pēc īssavienojuma vai pārslodzes iemeslu novēršanas.

     

    Diagrammā zemāk parādīti hiccup režīma darbības principi.

     

    Uout - izejas spriegums

    Iout - izejas strāva

    t - laiks

    A – īssavienojums (pārslodze)

    B – īssavienojuma iemeslu novēršana

    A laikā parādās pārslodze vai īssavienojums. Stabilizators tiek atvienots. Izejā parādās ļoti īslaicīgs strāvas impulss (piem. 100 ms) un maksimālās strāvas vērtība līdz 150%. Stabilizators ik pēc dažām sekundēm nosūta šo impulsu, līdz tiek noteikts pārslodzes vai īssavienojuma iemesls (B), pēc tam pāriet normālā darba režīmā. Šīs drošības metodes ieslēgšanās slieksnis (stabilizatora izslēgšanās) lielākajā daļā gadījumu tiek iestatīts uz 110–150% nominālās strāvas (Iout). Visbiežāk šis režīms tiek integrēts kopā ar termisko aizsardzību. Ja slodze patērē lielāku strāvu par nominālo, bet mazāku par drošības sliekšņa iedarbību, tad pēc īsa laika ieslēgsies termiskā aizsardzība, atvienojot strāvas padevi, un stabilizators pāriet hiccup režīmā līdz pārslodzes iemeslu noteikšanai.

     

    Citas aizsardzības metodes, kas tiek izmantotas pārāk liela strāvas patēriņa gadījumā, parādītas diagrammā zemāk (trīs līknes: A, B i C).

     

    Uout - izejas spriegums

    Iout - izejas strāva

    Līkne A – strāvas ierobežošana (Foldback Current Limiting)
    Šī aizsardzības metode tiek izmantota arī lineārajos stabilizatoros. Pēc maksimālās strāvas pārsniegšanas (slodzes pretestības samazināšanās) seko tās redukcija (samazināšana). Citiem vārdiem runājot, ja slodzes pretestība samazinās, tad seko strāvas redukcija. Šī risinājuma priekšrocība ir mazie stabilizatora jaudas zudumi pārslodzes vai īssavienojuma gadījumā. Tomēr šī risinājuma gadījumā stabilizators neieslēdzas, ja slodzei ir liela palaides strāva (piem. liela kapacitāte).

     

    Līkne B – strāvas stabilizācija (Constant Current Limiting)
    Pēc maksimālās strāvas pārsniegšanas (slodzes pretestības samazināšanās) stabilizators saglabā konstantu izejas strāvu, neatkarīgi no pārslodzes vērtības, kamēr izejas spriegums mainās. Bieži tiek izmantota otra aizsardzība, kuru izslēdz stabilizators brīdī, kad spriegums nokrītas līdz dažiem voltiem. Liels šīs metodes trūkums ir paša stabilizatora lielie jaudas zudumi un strāva, kas plūst caur slodzi un var novest pie bojājumiem. Šī aizsardzības metode nodrošina stabilizatora palaidi pie nelineāras raksturlīknes slodzes.

     

    Līkne C – jaudas ierobežošana (Over Power Limiting)
    Pēc maksimālās strāvas pārsniegšanas (slodzes pretestības samazināšanās) stabilizatora atdotā jauda saglabā konstantu līmeni. Līdz ar slodzes pieaugumu, izejas strāva un spriegums krītas saskaņā ar C raksturojumu. Šī aizsardzības metode nodrošina stabilizatora palaidi pie nelineārās raksturlīknes slodzes.

     

    Darba temperatūra (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

    Atkarībā no stabilizatora efektivitātes, daļa no stabilizatoram piegādātās enerģijas tiek pazaudēta siltumam, temperatūra stabilizatora iekšpusē palielinās attiecībā pret ārējo temperatūru. Augstas kvalitātes stabilizatori darbojas 25°C temperatūrā un var sakarst līdz 50–70°C. Apkārtējās vides temperatūrā 50°C var sakarst līdz 75–95°C.

     

    Ļoti svarīgi ir apzināties, ka darba temperatūra tiešā veidā ietekmē iekārtas dzīves ilgumu un uzticamību. Impulsu stabilizatoriem ir sarežģīta konstrukcija un sastāv no liela daudzuma elektronisko elementu, kas korpusa iekšpusē var būt izvietoti tuvu viens otram. Pārāk augsta iekšējā temperatūra var novest pie stabilizatora bojājumiem un ievērojami samazināt iekārtas dzīves ilgumu. Jāatceras, ka pastāv spēcīga atdotās jaudas un temperatūras savstarpējā atkarība. Kategoriski jāizvairās no iekārtas darba temperatūrā, kas ir augstāka par 50°C, neskatoties uz to, ka ražotāji bieži norāda darba temperatūru, kas pārsniedz šo vērtību. Šādā gadījumā nepieciešams rūpīgi iepazīties ar tehnisko dokumentāciju.

     

    Piemēram, stabilizators 150 W 12 V – darba temperatūra ir no -10°C līdz 70°C. Savukārt dokumentācijā ražotājs norādījis procentuālās slodzes līkni kā darba temperatūras funkciju.

     

    L - Procentuālā slodze

    T - Darba temperatūra

    Kā redzams zīmējumā, stabilizators var nodrošināt pilnas jaudas slodzi, bet tikai līdz 50°C temperatūrai. Darbojoties 70°C temperatūrā, iekārtu iespējams noslogot 50%, kas ir puse no maksimālās strāvas.

     

    Uz temperatūras pieaugumu visjutīgākie elementi ir oksīdkondensatori. Praktiski katrs stailizators ir aprīkots ar vairākiem šādiem elementiem. Kondensatoru ražotāji norāda nozīmīgu parametru, tā saukto dzīves ilgumu maksimālajai darba temperatūrai. Temperatūras samazināšana par 10°C izraisa divkārtīgu oksīdkondensatora dzīves laika pieaugumu. Piem. standarta kondensatoru dzīves laiks ir 1 000 stundas 105°C temperatūrā.

    Tas ir:

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

     

  • Šis laiks nenozīmē kondensatora dzīves beigas, bet gan laiku, pēc kura iestāsies ievērojama parametru degradācija (tilpums, seriālā pretestība u.tml), kas visbiežāk noved pie avārijas.

     

    Kā redzams piemērā augstāk, zemāka temperatūra = ilgāka dzīve. Sastopami kondensatori, kuru dzīves laiks ir daudzreiz garāks, bet šis parametrs ietekmē arī iekārtas augsto cenu. No ražotāja ir atkarīgs, kādi grupālie elementi tiek izmantoti. Lētajos stabilizatoros netiek izmantotas dārgas detaļas ar ilgāku dzīves laiku.