Impulzné zdroje „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulzné zdroje z trhu prakticky vytlačili tradičné lineárne zdroje a ide o v súčasnosti najobľúbenejšiu a najväčšiu skupinu zdrojov. Ich prednosťou vo vzťahu k lineárnym zdrojom sú malé rozmery, nízka hmotnosť, vysoká účinnosť a efektívnosť a tiež dobrá cena. Nevýhodu predstavuje komplikovanosť konštrukcie a tiež omnoho vyššia úroveň problémov generovaných zdrojom a zvýšená úroveň rušenia na výstupe.

Základná zásada fungovania impulzného zdroja 

V impulzných zdrojoch sa využíva modulácia šírky impulzu PWM (Pulse Width Modulation), teda výstupné napätie zdroja je upravované s pomocou zmeny súčiniteľu vyplnenia pri stálej, nemennej frekvencii.

Skrátenie času trvania impulzu (t1) vedie k poklesu priemernej hodnoty výstupného napätia (U_out) a naopak: predĺženie času trvania impulzu (t1) vedie k zvýšeniu priemernej hodnoty výstupného napätia (U_out). Je to vidieť na grafoch vyššie:

Priemernú hodnotu napätia na výstupe možno ľahko vypočítať s pomocou vzorca:

Sieťové striedavé napätie, napr. 230 V (1), prechádza cez vstupný filter s prvkami LC (3). Ide o dôležitý prvok, ktorý chráni energetickú sieť pred rušeniami vznikajúcimi v zdroji a chráni zdroj pred rušeniami pochádzajúcimi z energetickej siete. Striedavé napätie je usmerňované s pomocou usmerňovacieho mostíka (4) a po usmernení prichádza ako stále napätie do transformátora (8), ktorý je kľúčovaný tranzistorom (5), ktorému sa niekedy vraví prepínač. Tranzistor spúšťa a vypína prúd s obdĺžnikovým priebehom s danou frekvenciou (tá sa môže pohybovať od 20 kHz do niekoľkých stoviek kHz a dokonca MHz), pričom využíva moduláciu šírky impulzu PWM. Tranzistor je ovládaný s pomocou systému spätnej väzby (6, 7), ktorý sa skladá z optoizolátora a kontroléra (ovládača) PWM. Systém skúma, aké je napätie na výstupe a v závislosti na tom, či sa zvyšuje, alebo sa znižuje, mení šírku impulzu (vyplnená), ovláda tranzistor a reguluje ho tak, aby bolo na výstupe vždy stále napätie. Tento systém skúmajúci napätie na výstupe funguje s vysokou rýchlosťou, čo umožňuje udržovať stále výstupné napätie a v rámci toho, ako rastie alebo klesá, okamžite koriguje zmeny, aby bolo udržované na stálej úrovni. Obdĺžnikové napätie na výstupe transformátora (8) je usmerňované (9) a následne prechádza cez výstupný filter (10), ktorý by mal „zablokovať“ vyššie harmonické a rušenie generované prácou meniča. Na výstupe (11) impulzného zdroja je dosiahnuté stabilizovaného stáleho napätia.

Niekoľko odporúčaní, na ktoré parametre sa zamerať pri výbere impulzného zdroja. 

Vstupné napätie (Input Voltage) 

V Poľsku a v Európskej únii činí napätie v energetickej sieti 230 V AC (výnimkou je Veľká Británia - 240 V AC). Normy pripúšťajú odchýlku 10 %, napätie teda môže kolísať od 207 v do 235 V AC. Vyplatí sa teda vybrať zdroj so širokým rozsahom vstupných napätí, napr. 100–264 V AC.

Rozbehový prúd (Max Inrush Current) 

Po zapnutí zdroja sa objaví veľký prúdový impulz, ktorý môže dosahovať vysoké hodnoty v závislosti na výkone zdroja, v ráde niekoľkých desiatok ampérov, trvajúci max. 1 obdobie, teda pri frekvencii 50 Hz AC do 20 ms. Tento jav je vyvolávaný nabíjaním vstupných kondenzátorov. To môže predstavovať problém napr. pri paralelnom spustení niekoľkých zdrojov alebo použití zdroja s vyšším výkonom. Veľký rozbehový prúd môže viesť k spusteniu zabezpečení energetickej siete (poistiek, prepäťových chráničov apod.). Východiskom z tejto situácie je zmena prepäťových poistiek na typ C alebo D.

Účinnosť (Efficiency) 

Jedná sa o pomer výstupného výkonu jednosmerného prúdu (odovzdávaného zdrojom) k vstupnému výkonu striedavého prúdu (odoberaného zo siete) vyjadrený v percentách.

Účinnosť sa označuje písmenom gréckej abecedy „eta“: η. V každom zariadení spracovávajúcom energiu ide časť príkonu na straty a práve účinnosť umožňuje odhadnúť silu strát. Tomuto parametru venujte pozornosť, pretože čím vyššia účinnosť, tým menej energie pripadá na straty a vďaka tomu bude vo vnútri zdroja nižšia teplota, čo vedie ku zvýšeniu spoľahlivosti a predĺženiu životnosti zariadenia. V súčasnosti vyrábané impulzné zdroje dosahujú účinnosť až 90 % (transformátorové/lineárne zdroje majú nízku energetickú účinnosť, nepresahujúcu 50 %).

Príklad 1.
Máme zdroj s výstupným výkonom 100 W, ktorý odoberá z energetickej siete 117,6 W. Vypočítame jeho účinnosť.

Najčastejšie sa v údajoch zdroja uvádza výstupný výkon a účinnosť. Výrobcovia v špecifikácii neuvádzajú príkon zdroja. Môžeme to ľahko vypočítať nahradením hodnoty v upravenom vzorci.

Príklad 2.
Máme zdroj s výstupným výkonom 150 W a účinnosťou 86 %. Vypočítame, aký je príkon z energetickej siete.

Ľahko tiež môžeme vypočítať, aký výkon sa v tomto zdroji stráca na teplo (P_d – výkon strát), využijeme na to jednoduchý vzorec (od prijatého výkonu odpočítame odovzdaný výkon).

V tomto prípade je na teplo stratené 24,4 W, samozrejme pri plnej záťaži. Týchto 24,4 W zvyšuje teplotu vo vnútri krytu a zahrieva vnútorné súčasti.

MTBF - Stredná doba medzi poruchami (Mean Time Between Failure) 

Vyjadruje sa v hodinách a ide o informáciu o spoľahlivosti zariadenia.

Tento parameter je veľmi často nesprávne interpretovaný. Na príklad MTBF zdroja činí 700 000 hodín, teda takmer 80 rokov. To neznamená, že zdroj bude tak dlho pracovať bez poruchy.

Spôsoby a metódy výpočtu MTBF boli zavedené americkou armádou v roku 1965, spoločne so zverejnením modelu MIL-HDBK-217. Obsahuje frekvenciu porúch pre rôzne elektronické súčiastky, napr. kondenzátory, rezistory, tranzistory. V tomto modeli boli publikované metódy výpočtu poruchovosti. To malo slúžiť k štandardizácii hodnotenia spoľahlivosti elektronických zariadení a vojenskej techniky.

Okrem modelu MIL-HDBK-217 sa používajú tiež iné spôsoby výpočtu parametru MTBF, s ktorými sa môžeme stretnúť v technických údajoch elektronických zariadení. Všetky modely majú pre výpočet spoľahlivosti rôzne algoritmy. Príklady metód: HRD5, Telcordia, RBD, Markovov model, FMEA/FMECA, stromy porúch, HALT.

Keď poznáme čas MTBF, môžeme vypočítať pravdepodobnosť poškodenia zariadenia pred vypršaním času MTBF. Ide o veľmi užitočnú informáciu, ktorá umožní vyhodnotiť poruchovosť systému. V zásade ide o jednoduché pravidlo: čím väčšie MTBF, tým spoľahlivejšie zariadenie.

Nesmieme ale zabúdať, že MTBF vždy udáva čas, po ktorom spoľahlivosť zariadenia klesá na 36,8 %. 

Slovami: 2,718 zvýšená na zápornú silu času práce deleného MTBF.

Vypočítame poruchovosť zariadenia, ktorého MTBF činí 50 000 hodín po čase 50 000 hodín.

Teda zariadenie s MTBF = 50 000 hodín má spoľahlivosť 36,8 % po čase 50 000 hodín. Inak povedané, po 50 000 hodinách existuje pravdepodobnosť, že na 100 zariadení ~37 bude v poriadku a 63 podľahne poruche.

Overme si pravdepodobnosť výskytu závady počas 3 rokov pre napr. dva zdroje s rôznymi MTBF.

1. MTBF = 50 000 hodín, 3 roky = 3 roky x 24 hodín x 365 dní = 26 280 hodín a vložíme do vzorca:

Tento výsledok ukazuje pravdepodobnosť, že po 3 rokoch bude 59,1 % zdrojov fungovať bez poruchy (napr. na 100 zariadení ~59 bude v poriadku a 41 sa pokazí).

2. MTBF = 700 000 hodín, 3 roky = 3 roky x 24 hodín x 365 dní = 26 280 hodín a vložíme do vzorca.

Tento výsledok ukazuje pravdepodobnosť, že po 3 rokoch bude 97,1 % zdrojov fungovať bez poruchy (napr. na 100 zariadení ~97 bude v poriadku a 3 sa pokazia).

Najčastejšie je parameter MTBF definovaný výrobcom vo vzťahu k práci zariadenia pri okolitej teplote 25°C. V prípade práce vo vyšších teplotách platí zásada, že zvýšenie okolitej teploty o 10°C vyvolá dvojnásobný pokles hodnoty MTBF. Prečo majú niektoré zariadenia vysoký a iné nízky MTBF? Rozdiely vychádzajú z kvality použitých komponentov a stupňa komplikovanosti zariadenia. Nie všetci výrobcovia tento parameter umiestňujú do technických údajov.

Výstupné napätie (Output Voltage) 

Výstupné napätie je napätie, ktoré musí byť stabilizované pri zmenách zaťaženia zdroja od 0 do 100 %. Musíme si uvedomiť, že vo všetkých zdrojoch výstupné napätie ovplyvňujú šumy, vlnenie a rušenie. Môžu mať amplitúdu dosahujúcu niekoľko stoviek mVp-p. Niekedy môže byť príliš vysoká hodnota vlnenia výstupného napätia príčinou problémov, pokiaľ je napájanie zariadenia náchylné na vlnenie, napr. problémy s obrazom z kamery v CCTV aplikácii alebo časté reštartovanie nejakého elektronického zariadenia.

Nižšie je predstavený záber oscilogramu vlnenia napätia impulzného zdroja 12 V.

Dynamická odpoveď na skokové zmeny záťaže (Dynamic Response) 

Každý zdroj by mal dodávať do záťaže výstupné napätie so stálou hodnotou, ktorá sa nemení pri zmene prúdu záťaže. Avšak niekedy sa vyskytujú skokové zmeny záťaže (napr. spustenie/vypnutie infračerveného reflektoru na CCTV kamere alebo spustenie/vypnutie ďalšej záťaže). Pri zmene záťaže od 0 do 100 % (alebo naopak) sa objaví rušenie a kolísanie výstupného napätia, ktoré môže ovplyvniť prácu iných zariadení pripojených ku zdroju.

Väčšina impulzných zdrojov je vybavená systémami chrániacimi výstup pred následkami skratov a preťažení. Pretože sa používajú rôzne spôsoby zabezpečenia, je nutné správne zvoliť zdroj k druhu záťaže. Motory, žiarovky, záťaž s vysokou kapacitou, indukčnosťou apod., teda tzv. záťaž nelineárneho charakteru, môžu potrebovať veľký prúdový impulz pri štarte, výrazne prekračujúci maximálny menovitý prúd zdroja. Môže to vyvolať spustenie zabezpečenia a znemožniť spustenie zdroja. V praxi sa môže ukázať, že zdroj, napr. 12 V 50 W, nebude schopný sa spustiť po pripojení záťaže 12 V 30 W (napr. žiarovka, motor).

Konštruktéri zdrojov používajú rôzne metódy zabezpečenia pred následkami skratov a preťažení. Zabezpečenie by malo chrániť zdroj a záťaž. Nižšie sú popísané tie najčastejšie.

Režim Hiccup (Hiccup mode) 

Ide o zabezpečenie používané veľmi často (z ang. hiccup – čkanie), ktorého prednosťou sú malé straty výkonu v zdrojoch v prípade preťaženia alebo skratu a automatický návrat k normálnej práci po tom, čo pominie príčina skratu alebo preťaženia.

V čase A sa objaví preťaženie alebo skrat. Nasleduje odpojenie napájania. Na výstupe sa objaví prúdový impulz s veľmi krátkym časom trvania (napr. 100 ms) a s hodnotou do 150 % maximálneho prúdu. Zdroj vždy po niekoľkých sekundách vysiela tento impulz až do doby, kedy zmizne príčina preťaženia alebo skratu (B), následne prechádza do režimu bežnej práce. Prah spustenia tohto zabezpečenia (vypnutie zdroja) je nastavený vo väčšine prípadov na 110-150 % menovitého prúdu (I_out). Najčastejšie je tento režim integrovaný s tepelnou poistkou. Pokiaľ záťaž odoberá prúd väčší než menovitý, ale menší než prah spustenia zabezpečenia, zapne sa po krátkej dobe tepelná poistka, odpojí napájanie a zdroj prejde do režimu hiccup až do okamžiku, kedy zmiznú príčiny preťaženia.

Krivka A - obmedzenie prúdu (Foldback Current Limiting)
Tento druh zabezpečenia sa používa tiež v lineárnych zdrojoch. Po prekročení maximálneho prúdu (zníženie odporu záťaže) nasleduje jeho redukcia (zníženie). Inak povedané, pokiaľ sa odpor záťaže zmenší, nasleduje redukcia prúdu. Prednosťou tohto riešenia sú malé straty výkonu v zdrojoch v prípade preťaženia alebo skratu. Ale pri tomto riešení zdroj nenabehne pri záťaži s vysokým rozbehovým prúdom (napr. veľká kapacita).

Krivka B - stabilizácia prúdu (Constant Current Limiting)
Po prekročení maximálneho prúdu (zníženie odporu záťaže) zdroj udržuje stály výstupný prúd nezávisle na hodnote preťaženia, zatiaľ čo výstupné napätie sa zníži. Často sa tiež používa druhé zabezpečenie, ktoré vypne zdroj, keď napätie klesne na niekoľko voltov. Veľkou nevýhodou tejto metódy sú veľké straty výkonu v samotnom zdroji a veľký prúd plynúci cez záťaž, čo môže spôsobiť poškodenie. Tento druh zabezpečenia umožňuje štart zdroja pri záťaži s nelineárnou charakteristikou.

Krivka C - obmedzenie výkonu (Over Power Limiting)
Po prekročení maximálneho prúdu (zníženie odporu záťaže) zostane výstupný výkon zdroja na stálej úrovni. Spoločne s nárastom záťaže napätie a výstupný prúd klesajú zhodne s charakteristikou C. Tento druh zabezpečenia umožňuje štart zdroja pri záťažiach s nelineárnou charakteristikou.

Pracovná teplota (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

V závislosti na účinnosti zdroja je časť energie dodávaná do zdroja stratená na teplo, teplota vo vnútri zdroja rastie vo vzťahu k vonkajšej teplote. Vysoko kvalitné zdroje pracujúce pri teplote 25°C sa môžu zahriať na 50–70°C. Pri teplote okolia 50°C sa môžu zahriať na 75–95°C.

Veľmi dôležité je uvedomiť si, že pracovná teplota priamo pôsobí na životnosť a spoľahlivosť zariadenia. Impulzné zdroje majú komplikovanú konštrukciu a skladajú sa z veľkého počtu elektronických komponentov, ktoré môžu byť vo vnútri krytu zdroja rozmiestnené blízko seba. Príliš vysoká vnútorná teplota môže viesť k poškodeniu zdroja a výrazne skracuje jeho životnosť. Nezabúdajte, že existuje silná závislosť výstupného výkonu na teplote. Rozhodne sa vyhnite práci zdroja pri teplotách vyšších než 50°C, napriek tomu, že výrobcovia často uvádzajú pracovnú teplotu nad touto hodnotou. V takom prípade si dôkladne prečítajte technickú dokumentáciu.

Ako je vidieť na obrázku, zdroj môže dodávať do záťaže plný výkon, ale len do teploty 50°C. Pri práci pri teplote 70°C možno zariadenie zaťažiť na 50 %, teda polovicu maximálneho prúdu.

Tými najcitlivejšími prvkami na nárast teploty sú elektrolytické kondenzátory. Prakticky každý zdroj ich obsahuje niekoľko kusov. Výrobcovia kondenzátorov majú dôležitý parameter, tzv. životnosť, pre maximálnu pracovnú teplotu. Zníženie teploty o 10°C vyvolá dvojnásobný nárast životnosti elektrolytického kondenzátora. Napr. štandardné elektrolytické kondenzátory majú životnosť 1 000 hodín pri teplote 105°C.

Teda:

Tieto časy neoznačujú koniec života kondenzátora, len čas, po ktorom dôjde k výraznej degradácii jeho parametrov (kapacita, sériový odpor apod.), čo najčastejšie vedie k poruche.

Ako je vidieť na príklade vyššie, nižšia teplota = dlhšia životnosť. Existujú kondenzátory s niekoľkokrát dlhšou životnosťou, avšak to sa prejaví na vyššej cene. Na výrobcovi závisí, aké súčiastky použije. V lacných zdrojoch sa nepoužívajú drahšie diely s dlhšou životnosťou.