Impulzní zdroje „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Impulzní zdroje z trhu prakticky vytlačily tradiční lineární zdroje a jde o v současnosti nejoblíbenější a největší skupinu zdrojů. Jejich předností ve vztahu k lineárním zdrojům jsou malé rozměry, nízká hmotnost, vysoká účinnost a efektivnost a také dobrá cena. Nevýhodu představuje komplikovanost konstrukce a také mnohem vyšší úroveň problémů generovaných zdrojem a zvýšená úroveň rušení na výstupu.

Základní zásada fungování impulzního zdroje 

V impulzních zdrojích se využívá modulace šířky impulzu PWM (Pulse Width Modulation), tedy výstupní napětí zdroje je upravováno s pomocí změny součinitele vyplnění při stálé, neměnné frekvenci.

Zkrácení času trvání impulzu (t1) vede k poklesu průměrné hodnoty výstupního napětí (U_out) a naopak: prodloužení času trvání impulzu (t1) vede ke zvýšení průměrné hodnoty výstupního napětí (U_out). Je to vidět na grafech výše:

Průměrnou hodnotu napětí na výstupu lze snadno vypočítat s pomocí vzorce:

Síťové střídavé napětí, např. 230 V (1), prochází přes vstupní filtr s prvky LC (3). Jde o důležitý prvek, který chrání energetickou síť před rušeními vznikajícími ve zdroji a chrání zdroj před rušeními pocházejícími z energetické sítě. Střídavé napětí je usměrňováno s pomocí usměrňovacího můstku (4) a po usměrnění přichází jako stálé napětí do transformátoru (8), který je klíčovaný tranzistorem (5), kterému se někdy říká přepínač. Tranzistor spouští a vypíná proud s obdélníkovým průběhem s danou frekvencí (ta se může pohybovat od 20 kHz do několika set kHz a dokonce MHz), přičemž využívá modulaci šířky impulzu PWM. Tranzistor je ovládán s pomocí systému zpětné vazby (6, 7), který se skládá z optoizolátoru a kontroléru (ovladače) PWM. Systém zkoumá, jaké je napětí na výstupu a v závislosti na tom, jestli se zvyšuje, nebo se snižuje, mění šířku impulzu (vyplněná), ovládá tranzistor a reguluje ho tak, aby bylo na výstupu vždy stálé napětí. Tento systém zkoumající napětí na výstupu funguje s vysokou rychlostí, což umožňuje udržovat stálé výstupní napětí a v rámci toho, jak roste nebo klesá, okamžitě koriguje změny, aby bylo udržováno na stálé úrovni. Obdélné napětí na výstupu transformátoru (8) je usměrňováno (9) a následně prochází přes výstupní filtr (10), který by měl „zablokovat“ vyšší harmonické a rušení generované prací měniče. Na výstupu (11) impulzního zdroje je dosaženo stabilizovaného stálého napětí.

Několik doporučení, na které parametry se zaměřit při výběru impulzního zdroje. 

Vstupní napětí (Input Voltage) 

V Polsku a v Evropské unii stanoví napětí v energetické síti 230 V AC (výjimkou je Velká Británie - 240 V AC). Normy připouštějí odchylku 10 %, napětí tedy může kolísat od 207 v do 235 V AC. Vyplatí se tedy vybrat zdroj se širokým rozsahem vstupních napětí, např. 100–264 V AC.

Rozběhový proud (Max Inrush Current) 

Po zapnutí zdroje se objeví velký proudový impulz, který může dosahovat vysoké hodnoty v závislosti na výkonu zdroje, v řádu několika desítek ampérů, trvající max. 1 období, tedy při frekvenci 50 Hz AC do 20 ms. Tento jev je vyvoláván nabíjením vstupních kondenzátorů. To může představovat problém např. při paralelním spuštění několika zdrojů nebo použití zdroje s vyšším výkonem. Velký rozběhový proud může vést k spuštění zabezpečení energetické sítě (pojistek, přepěťových chráničů apod.). Východiskem z této situace je změna přepěťových pojistek na typ C nebo D.

Účinnost (Efficiency) 

Jedná se o poměr výstupního výkonu stejnosměrného proudu (předávaného zdrojem) k vstupnímu výkonu střídavého proudu (odebíraného ze sítě) vyjádřený v procentech.

Účinnost se označuje písmenem řecké abecedy „eta“: η. V každém zařízení zpracovávajícím energii jde část příkonu na ztráty a právě účinnost umožňuje odhadnout sílu ztrát. Tomuto parametru věnujte pozornost, protože čím vyšší účinnost, tím méně energie připadá na ztráty a díky tomu bude uvnitř zdroje nižší teplota, což vede ke zvýšení spolehlivosti a prodloužení životnosti zařízení. V současnosti vyráběné impulzní zdroje dosahují účinnosti až 90 % (transformátorové/lineární zdroje mají nízkou energetickou účinnost, nepřesahující 50 %).

Příklad 1.
Máme zdroj s výstupním výkonem 100 W, který odebírá z energetické sítě 117,6 W. Vypočtěme jeho účinnost.

Nejčastěji se v údajích zdroje uvádí výstupní výkon a účinnost. Výrobci ve specifikaci neuvádějí příkon zdroje. Můžeme to snadno vypočítat nahrazením hodnoty v upraveném vzorci.

Příklad 2.
Máme zdroj s výstupním výkonem 150 W a účinností 86 %. Vypočteme, jaký je příkon z energetické sítě.

Snadno také můžeme vypočítat, jaký výkon se v tomto zdroji ztrácí na teplo (P_d – výkon ztrát), využijeme k tomu jednoduchý vzorec (od přijatého výkonu odečteme předaný výkon).

V tomto případě je na teplo ztráceno 24,4 W, samozřejmě při plné zátěži. Těchto 24,4 W zvyšuje teplotu uvnitř krytu a zahřívá vnitřní součásti.

MTBF - Střední doba mezi poruchami (Mean Time Between Failure) 

Vyjadřuje se v hodinách a jde o informaci o spolehlivosti zařízení.

Tento parametr je velice často nesprávně interpretován. Na příklad MTBF zdroje stanoví 700 000 hodin, tedy téměř 80 let. To neznamená, že zdroj bude tak dlouho pracovat bez poruchy.

Způsoby a metody výpočtu MTBF byly zavedeny americkou armádou v roce 1965, společně se zveřejněním modelu MIL-HDBK-217. Obsahuje frekvenci poruch pro různí elektronické součástky, např. kondenzátory, rezistory, tranzistory. V tomto modelu byly publikovány metody výpočtu poruchovosti. To mělo sloužit k standardizaci hodnocení spolehlivosti elektronických zařízení a vojenské techniky.

Kromě modelu MIL-HDBK-217 se používají také jiné způsoby výpočtu parametru MTBF, s nimiž se můžeme setkat v technických údajích elektronických zařízení. Všechny modely mají pro výpočet spolehlivosti různé algoritmy. Příklady metod: HRD5, Telcordia, RBD, Markovův model, FMEA/FMECA, stromy poruch, HALT.

Když známe čas MTBF, můžeme vypočítat pravděpodobnost poškození zařízení před vypršením času MTBF. Jde o velice užitečnou informaci, která umožní vyhodnotit poruchovost systému. V zásadě jde o jednoduché pravidlo: čím větší MTBF, tím spolehlivější zařízení.

Nesmíme ale zapomínat, že MTBF vždy udává čas, po němž spolehlivost zařízení klesá na 36,8 %. 

Slovy: 2,718 zvýšená na zápornou sílu času práce děleného MTBF.

Vypočtěme poruchovost zařízení, jehož MTBF stanoví 50 000 hodin po čase 50 000 hodin.

Tedy zařízení s MTBF = 50 000 hodin má spolehlivost 36,8 % po čase 50 000 hodin. Jinak řečeno, po 50 000 hodinách existuje pravděpodobnost, že na 100 zařízení ~37 bude v pořádku a 63 podlehne poruše.

Ověřme si pravděpodobnost výskytu závady během 3 let pro např. dva zdroje s různými MTBF.

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

Tento výsledek ukazuje pravděpodobnost, že po 3 letech bude 59,1 % zdrojů fungovat bez poruchy (např. na 100 zařízení ~59 bude v pořádku a 41 se porouchá).

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

Tento výsledek ukazuje pravděpodobnost, že po 3 letech bude 97,1 % zdrojů fungovat bez poruchy (např. na 100 zařízení ~97 bude v pořádku a 3 se porouchají).

Nejčastěji je parametr MTBF definován výrobcem ve vztahu k práci zařízení při okolní teplotě 25°C. V případě práce ve vyšších teplotách platí zásada, že zvýšení okolní teploty o 10°C vyvolá dvojnásobný pokles hodnoty MTBF. Proč mají některá zařízená vysoký a jiná nízký MTBF? Rozdíly vycházejí z kvality použitých komponentů a stupně komplikovanosti zařízení. Ne všichni výrobci tento parametr umisťují do technických údajů.

Výstupní napětí (Output Voltage) 

Výstupní napětí je napětí, které musí být stabilizované při změnách zatížení zdroje od 0 do 100 %. Musíme si uvědomit, že ve všech zdrojích výstupní napětí ovlivňují šumy, vlnění a rušení. Mohou mít amplitudu dosahující několika set mVp-p. Někdy může být příliš vysoká hodnota vlnění výstupního napětí příčinou problémů, pokud je napájení zařízení náchylné na vlnění, např. problémy s obrazem z kamery v CCTV aplikací nebo časté restartování nějakého elektronického zařízení.

Níže je představen záběr oscilogramu vlnění napětí impulzního zdroje 12 V.

Dynamická odpověď na skokové změny zátěže (Dynamic Response) 

Každý zdroj by měl dodávat do zátěže výstupní napětí se stálou hodnotou, která se nemění při změně proudu zátěže. Ovšem někdy se vyskytují skokové změny zátěže (např. spuštění/vypnutí infračerveného reflektoru na CCTV kameře nebo spuštění/vypnutí další zátěže). Při změně zátěže od 0 do 100 % (nebo naopak) se objeví rušení a kolísání výstupního napětí, které může ovlivnit práci jiných zařízení připojených ke zdroji.

Většina impulzních zdrojů je vybavena systémy chránícími výstup před následky zkratů a přetížení. Protože se používají různé způsoby zabezpečení, je nutné správně zvolit zdroj k druhu zátěže. Motory, žárovky, zátěž s vysokou kapacitou, indukčností apod., tedy tzv. zátěž nelineárního charakteru, mohou potřebovat velký proudový impulz při startu, výrazně překračující maximální jmenovitý proud zdroje. Může to vyvolat spuštění zabezpečení a znemožnit spuštění zdroje. V praxi se může ukázat, že zdroj, např. 12 V 50 W, nebude schopen se spustit po připojení zátěže 12 V 30 W (např. žárovka, motor).

Konstruktéři zdrojů používají různé metody zabezpečení před následky zkratů a přetížení. Zabezpečení by mělo chránit zdroj a zátěž. Níže jsou popsány ty nejčastější.

Režim Hiccup (Hiccup mode) 

Jde o zabezpečení používané velmi často (z ang. hiccup – škytavka), jehož předností jsou malé ztráty výkonu v zdrojích v případě přetížení nebo zkratu a automatický návrat k normální práci po té, co pomine příčina zkratu nebo přetížení.

V čase A se objeví přetížení nebo zkrat. Následuje odpojení napájení. Na výstupu se objeví proudový impulz s velmi krátkým časem trvání (např. 100 ms) a s hodnotou do 150 % maximálního proudu. Zdroj vždy po několika sekundách vysílá tento impulz až do doby, kdy zmizí příčina přetížení nebo zkratu (B), následně přechází do režimu běžné práce. Práh spuštění tohoto zabezpečení (vypnutí zdroje) je nastaven ve většině případů na 110-150 % jmenovitého proudu (I_out). Nejčastěji je tento režim integrován s tepelnou pojistkou. Pokud zátěž odebírá proud větší než jmenovitý, ale menší než práh spuštění zabezpečení, zapne se po krátké době tepelná pojistka, odpojí napájení a zdroj přejde do režimu hiccup až do okamžiku, kdy zmizí příčiny přetížení.

Křivka A - omezení proudu (Foldback Current Limiting)
Tento druh zabezpečení se používá také v lineárních zdrojích. Po překročení maximálního proudu (snížení odporu zátěže) následuje jeho redukce (snížení). Jinak řečeno, pokud se odpor zátěže zmenší, následuje redukce proudu. Předností tohoto řešení jsou malé ztráty výkonu v zdrojích v případě přetížení nebo zkratu. Ale při tomto řešení zdroj nenaběhne při zátěži s vysokým rozběhovým proudem (např. velká kapacita).

Křivka B - stabilizace proudu (Constant Current Limiting)
Po překročení maximálního proudu (snížení odporu zátěže) zdroj udržuje stálý výstupní proud nezávisle na hodnotě přetížení, zatímco výstupní napětí se sníží. Často se také používá druhé zabezpečení, které vypne zdroj, když napětí klesne na několik voltů. Velkou nevýhodou této metody jsou velké ztráty výkonu v samotném zdroji a velký proud plynoucí přes zátěž, což může způsobit poškození. Tento druh zabezpečení umožňuje start zdroje při zátěži s nelineární charakteristikou.

Křivka C - omezení výkonu (Over Power Limiting)
Po překročení maximálního proudu (snížení odporu zátěže) zůstane výstupní výkon zdroje na stálé úrovni. Společně s nárůstem zátěže napětí a výstupní proud klesají shodně s charakteristikou C. Tento druh zabezpečení umožňuje start zdroje při zátěžích s nelineární charakteristikou.

Pracovní teplota (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

V závislosti na účinnosti zdroje je část energie dodávaná do zdroje ztracena na teplo, teplota uvnitř zdroje roste ve vztahu k vnější teplotě. Vysoce kvalitní zdroje pracující při teplotě 25°C se mohou zahřát na 50–70°C. Při teplotě okolí 50°C se mohou zahřát na 75–95°C.

Velmi důležité je uvědomit si, že pracovní teplota přímo působí na životnost a spolehlivost zařízení. Impulzní zdroje mají komplikovanou konstrukci a skládají se z velkého počtu elektronických komponentů, které mohou být uvnitř krytu zdroje rozmístěny blízko sebe. Příliš vysoká vnitřní teplota může vést k poškození zdroje a výrazně zkracuje jeho životnost. Nezapomínejte, že existuje silná závislost výstupního výkonu na teplotě. Rozhodně se vyhněte práci zdroje při teplotách vyšších než 50°C, přestože výrobci často uvádějí pracovní teplotu nad touto hodnotou. V takovém případě si důkladně přečtěte technickou dokumentaci.

Jak je vidět na obrázku, zdroj může dodávat do zátěže plný výkon, ale jen do teploty 50°C. Při práci při teplotě 70°C lze zařízení zatížit na 50 %, tedy polovinu maximálního proudu.

Těmi nejcitlivějšími prvky na nárůst teploty jsou elektrolytické kondenzátory. Prakticky každý zdroj jich obsahuje několik kusů. Výrobci kondenzátorů mají důležitý parametr, tzv. životnost, pro maximální pracovní teplotu. Snížení teploty o 10°C vyvolá dvojnásobný nárůst životnosti elektrolytického kondenzátoru. Např. standardní elektrolytické kondenzátory mají životnosti 1 000 hodin při teplotě 105°C.

Tedy:

Tyto časy neoznačují konec života kondenzátoru, jen čas, po němž dojde k výrazné degradaci jeho parametrů (kapacita, sériový odpor apod.), což nejčastěji vede k poruše.

Jak je vidět na příkladu výše, nižší teplota = delší životnosti. Existují kondenzátory s několikrát delší životností, ovšem to se projeví na vyšší ceně. Na výrobci závisí, jaké součástky použije. V levných zdrojích se nepoužívají dražší díly s delší životností.