Impulzni napajalniki „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulzni napajalniki so praktično izrinili s trga tradicionalne linearne napajalnike, in so je trenutno najbolj razširjena in največja skupina napajalnikov. Njihova prednost pred linearnimi napajalniki so majhnost dimenzij, majhna teža, visoka zanesljivost in učinkovitost, pa tudi dobra cena. Slabost so stopnja kompleksnosti strukture, kot tudi veliko večja raven motenj, ki jih generira napajalnik, ter povečana raven motenj na izhodu.

Osnovni princip delovanja impulznega napajalnika 

V impulznih napajalnikih se izkorišča modulacijo širine impulza PWM (Pulse Width Modulation), kar pomeni, da se izhodna napetost napajalnika regulira s spreminjanjem impulznega faktorja pri konstantni, nespremenjeni frekvenci.

Skrajšanje trajanja impulza (t1) ima za posledico zmanjšanje povprečne vrednosti izhodne napetosti (U_out) in obratno: podaljšanje časa trajanja impulza (t1) rezultira v povečanju povprečne vrednosti izhodne napetosti (U_out). To je videti na zgornjih diagramih:

Povprečno vrednost izhodne napetosti se lahko enostavno izračuna po naslednji formuli:

Izmenična omrežna napetost, npr. 230 V (1) prehaja skozi vhodni filter z elementi LC (3). To je pomemben element, ki ščiti energetsko omrežje pred motnjami, nastajajočimi v napajalniku, ter varuje napajalnik pred motnjami, izvirajočimi iz električnega omrežja. Izmenična napetosti se odpravlja z uporabo usmerniškega mostiča (4) in po spremembi kot stalna napetost doseže transformator (8), ki ga kodira tranzistor (5), imenovan tudi preklopno stikalo. Tranzistor vklaplja in izklaplja tok pravokotne valovne oblike z določeno frekvenco (można v razponu od 20 kHz do več sto kHz in celo MHz) s pomočjo modulacije širine impulza PWM. Tranzistor upravlja povratni krogotok (6, 7), ki sestoji iz optičnega izolatorja in kontrolorja (krmilnika) PWM. Sistem preverja, kakšna je izhodna napetost, in v odvisnosti od tega, ali se le-ta povečuje ali zmanjšuje, spremeni širino impulza (polnjenje), krmili tranzistor in regulira tako, da je na izhodu ves čas stalna napetost. Ta sistem, ki preverja izhodno napetost, dela z visoko hitrostjo, kar omogoča vzdrževanje stalne izhodne napetosti, in v kolikor se le-ta poveča ali zmanjša takoj odpravi spremembo in ohranja stalno raven. Pravokotna napetosti na izhodu transformatorja (8) se odpravi (9) in nato preide skozi izhodni filter (10), ki mora "zablokirati" višje harmonske komponente in motnje, ki jih povzroča delovanje pretvornika. Na izhodu (11) impulznega napajalnika dobimo stabilizirano stalno napetost.

Nekaj ​​predlogov o tem, katerim parametrom je treba posvečati ustrezno pozornost pri izboru impulznega napajalnika. 

Vhodna napetost (Input Voltage) 

Na Poljskem in v Evropski uniji znaša napetost v električnem omrežju 230 V AC (izjema je Velika Britanija - 240 V AC). Standardi omogočajo odstopanje v višini 10%, torej lahko omrežna napetost niha od 207 V do 253 V AC. Vredno je torej izbrati napajalnik s širokim območjem vhodne napetosti, npr. 100-264 V AC.

Zagonski tok (Max Inrush Current) 

Po vklopu napajalnika se pojavi velik tokovni impulz, ki lahko doseže visoke vrednosti, odvisno od moči napajalnika, od več deset amperov, trajajoče do 1 obdobja, tj. pri frekvenci 50 Hz AC do 20 ms. Ta pojav povzroča polnjenje vhodnih kondenzatorjev. To lahko predstavlja problem, npr. pri hkratnem vklapljanju nekaj napajalnikov ali pri uporabi napajalnika z večjo močjo. Velik vklopni tok lahko povzroči aktivacijo varoval v energetskem omrežju (varovalke, odklopniki, itd). Izhod iz tega položaja je menjava pretokovnih varovalk na varovalke tipa C ali D.

Učinkovitost (Efficiency) 

To je razmerje moči izhodnega toka (ki jo oddaja napajalnik) in vhodne moči izmeničnega toka (črpanega iz omrežja), izraženo v odstotkih.

Učinkovitost se označuje z črko grške abecede "eta":η. V vsaki napravi, ki pretvarja energijo, gre del porabljene električne energije v izgubo in ravno učinkovitost omogoča oceniti moč izgub. Na ta parameter je treba biti pozoren, kajti čim večja je učinkovitost, tem manj energije gre v izgubo, zaradi česar bo znotraj napajalnika nižja temperatura, to pa ima za posledico večjo učinkovitost in podaljšanje življenjske dobe naprave. Trenutno proizvajani napajalniki dosegajo zanesljivost celo > 90% (transformatorski / linijski napajalniki imajo energetsko učinkovitost, ki ne presega 50%).

Primer 1.
Imamo napajalnik z izhodno močjo 100 W, ki porablja moč 117,6 W iz električnega omrežja. Izračunajmo njegovo učinkovitost.

Najpogosteje imamo za napajalnik podano izhodno moč in učinkovitost. Proizvajalci v specifikaciji ne navajajo, koliko moči porablja napajalnik. To lahko enostavno izračunamo z vstavitvijo vrednosti v preoblikovano formulo.

Primer 2.
Imamo napajalnik z izhodno močjo 150 W in učinkovitostjo 86%. Izračunajmo, koliko moči črpa iz omrežja.

Enostavno lahko tudi izračunamo, koliko moči se izgubi s pretvorbo v toploto v tem napajalniku (P_d - izguba moči), s pomočjo preproste formule (od porabljene moči odštejemo oddano moč).

V tem primeru se izgubi 24,4 W za toploto, seveda, pri polni obremenitvi. Teh 24.4 W poveča temperaturo znotraj ohišja in segreva notranje elemente.

MTBF - povprečni čas med zaporednima okvarama (Mean Time Between Failure) 

Izraža se v urah in je to informacije o zanesljivosti naprave.

Zelo pogosto je ta parameter neustrezno interpretiran. Na primer, MTBF napajalnika znaša 700 000 ur, tj. skoraj 80 let. To ne pomeni, da bo napajalnik deloval brezhibno ves ta čas.

Načine in metode izračunavanja MTBF je uvedla ameriška armada leta 1965 skupaj z objavo modela MIL-HDBK-217. Le-ta zajema pogostost okvar za različne elektronske podsklope, npr. kondenzatorje, upornike, tranzistorje. V tem modelu so bile objavljene metode za izračunavanje okvarljivosti. To naj bi služilo standardizaciji ocen zanesljivosti elektronskih naprav in vojaške opreme.

Poleg modela MIL-HDBK-217 se uporablja tudi druge načine izračunavanja parametra MTBF, na katerega lahko naletimo v okviru tehničnih podatkov elektronskih naprav. Vsi modeli imajo različne algoritme za izračun zanesljivosti. Primeri metod: HRD5, Telcordia, RBD, model Markova, FMEA/FMECA, drevo poškodb, HALT.

S tem, ko poznamo čas MTFB, lahko izračunamo verjetnost poškodovanja naprave pred potekom časa MTFB. To je zelo koristna informacija, ki omogoča oceniti okvarljivost sistema. Splošno pravilo je preprosto: višji kot je MTBF, bolj zanesljiva je naprava.

Ne pozabite, da MTBF vedno pomeni čas, po katerem zanesljivost naprava pade na 36,8%. 

Z besedami: 2,718 na negativno potenco časa dela, deljenega z MTBF.

Izračunamo okvarljivost naprave, katere MTBF znaša 50 000 ur po času 50 000 ur.

Torej, naprava z MTBF = 50 000 ur ima zanesljivost 36,8% po času 50 000 ur. Z drugimi besedami, po času 50 000 ur je verjetno, da bo na 100 naprav ~ 37 brezhibnih, 63 pa okvarjenih.

Poglejmo verjetnost nastopa napake v 3 letih za npr. dva napajalnika z različnima MTBF.

1. MTBF = 50 000 ur, 3 leta = 3 leta x 24 ur x 365 dni = 26 280 ur in vstavimo v formulo:

Ta rezultat kaže na verjetnost, da bo po 3 letih, 59,1% napajalnikov delovalo brezhibno (npr. od 100 naprav bo ~ 59 naprav brezhibnih, 41 pa ne).

2. MTBF = 700 000 ur, 3 leta = 3 leta x 24 ur x 365 dni = 26 280 ur in vstavimo v formulo:

Ta rezultat kaže na verjetnost, da bo po 3 letih, 97,1% napajalnikov delovalo brezhibno (npr. od 100 naprav bo ~ 97 naprav brezhibnih, 3 pa ne).

Proizvajalec najpogosteje navaja parameter MTBF za napravo delujočo pri temperaturi okolice 25 °C. V primeru dela pri višjih temperaturah velja pravilo, da povzroči povečanje temperature okolice za 10 °C dva-kratno zmanjšanje vrednosti MTBF. Zakaj imajo nekatere naprave visok, druge pa nizek MTBF? Razlike izhajajo iz kakovosti uporabljenih elementov in stopnje kompleksnosti naprave. Vsi proizvajalci ne navajajo tega parametra v tehničnih podatkih.

Izhodna napetost (Output Voltage) 

Izhodna napetost je napetost, ki naj bi bila stabilizirana pri spremembah obremenitve napajalnika od 0 do 100%. Treba se je zavedati, da se v vseh napajalnikih na izhodno napetost stalno nalagajo šumi, valovanje in motnje. Imajo lahko amplitudo tudi do nekaj sto mVp-p. Včasih je lahko prevelika vrednost valovanja izhodne napetosti razlog težav, če je napajalna naprava nagnjena k valovanju, npr. motnje v sliki s kamere v aplikacijah CCTV ali pogosti vnovični zagoni kakšne od elektronskih naprav.

Spodaj je prikazana slika oscilograma valovanj napetosti impulznega napajalnika 12 V.

Dinamični odgovor na skokovite spremembe obremenitve (Dynamic Response) 

Vsak napajalnik mora zagotavljati za obremenitev izhodno napetost konstantne vrednosti, ki se ne spreminja s spremembo toka obremenitve. Vendar pa se včasih pojavijo skočne spremembe v obremenitvi (npr. vklop/izklop IR osvetljevalnika v industrijski kameri ali vklop/izklop dodatne obremenitve). Pri spremembi obremenitve od 0 do 100% (ali obratno) se pojavljajo motnje in nihanja izhodne napetosti, ki lahko vplivajo na delovanje drugih naprav, priključenih na napajalnik.

Večina impulznih napajalnikov je opremljenih s sistemi, varujočimi izhod pred posledicami kratkih stikov in preobremenitev. Ker se uporabljajo različni načini zaščite, je treba ustrezno izbrati napajalnik vrsti obremenitve primerno. Za motorje, žarnice, obremenitve visokega obsega, induktivnosti itd., tj. za obremenitve nelinearne narave, utegne biti potreben močan začetni tokovni impulz, ki bo znatno presegel maksimalni nazivni tok napajalnika. To lahko povzroči aktivacijo varoval in onemogočiti aktiviranje napajalnika. V praksi se lahko izkaže, da napajalnik npr. 12 V 50 W, ne bo v stanju aktivirati se po priklopu obremenitve 12 V 30 W (npr. žarnica, motor).

Konstruktorji napajalnikov uporabljajo različne metode zaščite pred posledicami kratkih stikov in preobremenitev. Zaščita mora ščititi napajalnik in obremenitev. Spodaj obravnavamo najpogosteje pojavljajoče se.

Način Hiccup (Hiccup mode) 

To je zaščita, ki se uporablja zelo pogosto (iz angleščine hiccup – kolcanje), njena prednost so male izgube moči v napajalnikih v primeru preobremenitve ali kratkega stika ter samodejna vrnitev v normalno delovanje po prenehanju razloga za kratki stik ali preobremenitev.

V času A se pojavi preobremenitev ali kratki stik. Nato odklop napajanja. Na izhodu se pojavi tokovni impulz z zelo kratkim časom trajanja (npr. 100 milisekund) in vrednostjo do 150% maksimalnega toka. Napajalnik vsakih nekaj sekund pošlje ta impulz, vse do trenutka prenehanja vzroka preobremenitve ali kratkega stika (B), nato pa nadaljuje z normalnim delovanjem. Prag aktivacije te zaščite (izklop napajalnika) je v večini primerov nastavljen na 110-150% nazivnega toka (I_out). Najpogosteje je ta način integriran z toplotno zaščito. Če obremenitev porablja tok, ki je večji od nazivnega, vendar pa manjši od praga aktivacije zaščite, se po kratkem času vklopi toplotna zaščita, ki odklopi napajanje, napajalnik pa preide v način hiccup in je v njem vse do prenehanja razloga preobremenitve.

Krivulja A – omejitev toka (Foldback Current Limiting)
Ta vrsta zaščite se uporablja tudi pri lineranih napajalnikih. Po prekoračitvi maksimalnega toka (zmanjšanju odpornosti obremenitve) pride do njegove redukcije (zmanjšanje). Z drugimi besedami, če se upor obremenitve zmanjšuje, se zmanjša tok. Prednost te rešitve so nizke izgube moči v napajalnikih v primeru preobremenitve ali kratkega stika. Vendar pa se pri tej rešitvi napajalnik ne zažene pri obremenitvi z visokim zagonskim tokom (npr. visoka zmogljivost).

Krivulja B – stabilizacija toka (Constant Current Limiting)
Po prekoračitvi maksimalnega toka (zmanjšanju odpornosti obremenitve), vzdržuje napajalnik konstantni izhodni tok, neodvisno od vrednosti preobremenitve, medtem ko izhodna napetost pada. Pogosto se uporablja tudi drugo zaščito, ki izklopi napajalnik, ko napetost pade na nekaj voltov. Velika pomanjkljivost te metode so velike izgube moči v samem napajalniku ter visok tok, ki teče skozi obremenitev, kar lahko povzroči poškodbe. Ta vrsta zaščite omogoča zagon napajalnika pri obremenitvah nelinearne narave.

Krivulja C – omejitev moči (Over Power Limiting)
Po prekoračitvi maksimalnega toka (zmanjšanju odpornosti obremenitve) ostane izhodna moč napajalnika na stalni ravni. Skupaj s porastom obremenitve, napetost in izhodni tok padata skladno s karakteristiko C. Ta vrsta zaščite omogoča zagon napajalnika pri obremenitvah nelinearne narave.

Delovna temperatura (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

V odvisnosti od učinkovitosti napajalnika se del energije, dobavljene do napajalnika, izgubi z nastajanjem toplote, temperatura znotraj napajalnika raste glede na zunanjo temperaturo. Visoko kakovostni napajalniki, ki delajo pri 25 °C, se lahko segrejejo na 50-70 °C. Pri temperaturi okolice 50 °C se lahko segreje do 75-95 °C.

Zelo pomembno je zavedati se, da vpliva delovna temperatura neposredno na življenjsko dobo in zanesljivost delovanja naprave. Impulzni napajalniki imajo zapleteno konstrukcijo in se sestoje iz številnih elektronskih komponent, ki so lahko razporejene ena blizu druge znotraj ohišja napajalnika. Previsoka notranja temperatura lahko poškoduje napajalnik in občutno skrajša njegovo življenjsko dobo. Upoštevajte, da obstaja močna odvisnost izhodne moči od temperature. Bistveno je, da se prepreči delovanje napajalnika pri temperaturah, višjih od 50 °C, čeprav proizvajalci pogosto podajajo delovno temperaturo nad to vrednostjo. V takem primeru je treba temeljito prebrati tehnično dokumentacijo.

Kot lahko vidite na sliki, lahko napajalnik dovaja do obremenitve polno moč, vendar le do 50 °C. Ko dela pri temperaturi 70 °C, je napravo možno obremeniti 50-odstotno, torej s polovico maksimalnega toka.

Elementi, ki so najbolj občutljivi na dvig temperature, so elektrolitski kondenzatorji. Skoraj vsak napajalnik vsebuje več teh kondenzatorjev. Proizvajalci kondenzatorjev podajajo bistveni parameter, tj. t.i. življenjsko dobo za maksimalno delovno temperaturo. Zmanjšanje temperature za 10°C ima za posledico dva kratni dvig življenjske dobe elektrolitskega kondenzatorja. Npr. standardni elektrolitski kondensatorji imajo življenjsko dobo 1 000 ur v temperaturi 105°C.

T.j.:

Ti časi ne pomenijo konca življenjske dobe kondenzatorja, pač pa čas, po katerem sledi znatno poslabšanje njegovih parametrov (kapacitivnosti, serijske odpornosti, itd.), kar najpogosteje vodi v okvaro.

Kot je videti iz zgornjega primera, nižja temperatura = daljša življenjska doba. So kondenzatorji z nekajkrat daljšo življenjsko dobo, vendar je njihova cena višja. Od proizvajalca je odvisno, kakšne podsklope bo uporabil. Pri poceni napajalnikih se ne uporablja dražjih delov z daljšo življenjsko dobo.