Kapcsolóüzemű tápegységek „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

A kapcsolóüzemű tápegységek gyakorlatilag kiszorították a piacról a hagyományos lineáris üzemű tápegységeket, jelenleg ez a tápegységek legnépszerűbb és legnagyobb csoportja. Előnye a lineáris üzemű tápegységekhez képest a kisebb méret, kisebb súly, magasabb hatásfok és kapacitás, valamint a kedvező ár. Hátrány a szerkezet összetettsége, valamint a tápegység által generált zavarok magasabb szintje ás a kimeneten lévő magasabb zavar szint.

A kapcsolóüzemű tápegység működési elve 

Kapcsolóüzemű tápegységben a kapcsolójel szélesség modulációt PWM (Pulse Width Modulation) alkalmazzák, azaz a tápegység kimeneti feszültséget az aktív ciklusidő állandó, változatlan frekvencia melletti változtatása által szabályozzák.

Az impulzus idejének lerövidítése (t1) a kimeneti feszültség átlagértékének csökkenését eredményezi (U_out) és fordítva: az impulzus idejének meghosszabbítása (t1) a kimeneti feszültség átlagértékének növelését eredményezi (U_out). Ez a fenti grafikonokon látható:

A kimeneti feszültség átlagértékét könnyen ki lehet számítani az alábbi képlettel:

A hálózati váltófeszültség, pl. 230 V (1), áthalad az LC elemes bemeneti szűrőn (3). Ez egy fontos elem, mely az elektromos hálózatot védi a tápegységben keletkező zavarokkal szemben, valamint védi a tápegységet az elektromos hálózatban létrejövő zavaroktól. A váltófeszültséget az egyenirányító híd egyenlíti ki (4) a kiegyenlítés után egyenfeszültségként jut el a transzformátorhoz (8), melyet a tranzisztor illeszt (5), amit esetenként kapcsolónak neveznek. A tranzisztor meghatározott frekvenciával kapcsolja be és ki a merőleges hullámirányú áramot (20 kHz és több száz kHz, akár MHz tartományban), a PWM impulzus szélesség moduláció által. A tranzisztort a visszajelző áramkör vezérli (6, 7), mely egy optoizolátorból és PWM vezérlőből áll. A rendszer azt vizsgálja, milyen a feszültség a kimeneten, és attól függően, hogy az emelkedik, vagy csökken, módosítja az impulzus szélességét (kitöltés), úgy vezérelve és szabályozva a tranzisztort, hogy a kimeneten mindig állandó feszültség legyen. Ez a rendszer, amely a kimeneten méri a feszültséget nagy sebességgel működik, ami lehetővé teszi az állandó kimeneti feszültség megtartását és ahogy növekszik vagy csökken, aránylag azonnal korrigálja a változásokat, hogy megtartsa az állandó szintet. A transzformátor kimenetén (8) lévő merőleges feszültség kiegyenlítődik (9), majd a kimeneti szűrőn (10) halad át, melynek feladata az inverter működése által okozott magasabb harmonikus torzítások és zajok „blokkolása”. A kapcsolóüzemű tápegység kimenetén (11) stabilizált egyenfeszültséget kapunk.

Néhány javaslat, hogy milyen paraméterekre figyeljen oda kapcsolóüzemű tápegység vásárlásnál. 

Bemeneti feszültség (Input Voltage) 

Lengyelországban és az Európai Unióban az elektromos hálózat feszültsége 230 V AC (kivéve Nagy-Britanniát – 240 V AC). A normák 10% eltérést engedélyeznek, azaz a hálózati feszültség értéke 207 V - 253 V AC között lehet. Érdemes tehát széles bemeneti feszültség tartománnyal rendelkező tápegységet választani, pl. 100–264 V AC.

Bemeneti áramerősség (Max Inrush Current) 

A tápegység bekapcsolása után nagy áram impulzus keletkezik, mely magas értékeket érhet el a tápegység teljesítményétől függően, néhány tucat amper értékben, mely egy 1 időszakaszig tart, azaz 50 Hz AC frekvencia mellett ez az érték 20 ms lehet. Ezt a jelenséget a bemeneti kondenzátorok töltése okozza. Ez problémát jelenthet pl. több tápegység egyidejű csatlakoztatása vagy nagyobb teljesítményű tápegység használata során. A nagy indítóáram beindíthatja az elektromos hálózat védelmét (biztosítékok, áram-védőkapcsolók, stb). A helyzet megoldása a túlfeszültség biztosítékok C vagy D típusúra történő lecserélése.

Hatékonyság (Efficiency) 

Ez az egyenáram kimeneti teljesítményének (melyet a tápegység ad le) és a váltóáram bemeneti teljesítményének (melyet a hálózatból vesz fel) aránya százalékban kifejezve.

A hatásfokot a görög ábécé „éta” betűjével jelölik: η. Minden energia átalakító berendezésben a felvett teljesítmény egy része veszteséggé válik, a hatékonyság segít meghatározni a teljesítmény veszteséget. Érdemes odafigyelni erre a paraméterre, mivel minél magasabb a hatásfok, annál kevesebb energia veszik el, ennek köszönhetően a tápegységen belül alacsonyabb lesz a hőmérséklet, ez pedig nagyobb megbízhatóságot és a berendezés hosszabb élettartamát eredményezi. A jelenleg gyártott kapcsolóüzemű tápegységek hatásfoka eléri akár a > 90% értéket (a transzformátoros/lineáris tápegységek alacsonyabb energia hatásfokkal rendelkeznek, mely nem haladja meg az 50%-ot).

1. példa
Van egy 100 W kimeneti teljesítményű tápegységünk, mely az elektromos hálózatból 117,6 W-ot vesz fel. Számítsuk ki a hatásfokot.

A legtöbb tápegység esetében megadják a kimeneti teljesítményt és a hatásfokot. A gyártók a specifikációban nem adják meg, mekkora teljesítményt vesz fel a tápegység. Ezt könnyen kiszámolhatjuk, ha behelyettesítjük az értékeket az átalakított képletben.

2. példa
Van egy 150 W kimeneti teljesítményű tápegységünk, a hatásfok 86%. Számítsuk ki mekkora az elektromos hálózatból felvett teljesítmény.

Azt is könnyen kiszámíthatjuk, mekkora a teljesítmény veszteség a hő miatt a tápegységben (P_d – teljesítmény veszteség), ha ezt az egyszerű képletet alkalmazzuk (a felvett teljesítményből kivonjuk a leadott teljesítményt).

Ebben az esetben a hő miatti veszteség 24,4 W teljes terhelés mellett. Ez a 24,4 W növeli a burkolaton belüli hőmérsékletet és melegíti a belső alkatrészeket.

MTBF - meghibásodások között eltelt idő (Mean Time Between Failure) 

Órákban van kifejezve és a berendezés megbízhatóságáról tájékoztat.

Ezt a paramétert nagyon sokszor hibásan értelmezik. Például a tápegység MTBF 700 000 óra, azaz közel 80 év. Ez nem azt jelenti, hogy a tápegység ennyi ideig fog hibamentesen működni.

Az MTBF számítás módjait és módszereit az amerikai hadsereg vezette be 1965-ben, a MIL-HDBK-217 modell publikálásával egyidejűleg. Tartalmazta a különböző elektronikus alkatrészek pl. kondenzátorok, rezisztorok, tranzisztorok meghibásodási frekvenciáit. Ebben a modellben publikálták a meghibásodási ráta számítás módszereit. Ez az elektronikus berendezések és katonai eszközök megbízhatósági szabványainak bevezetésére szolgált.

A MIL-HDBK-217 modellen kívül egyéb MTBF paraméterszámítási módszert is alkalmaznak, melyekkel az elektronikus berendezések műszaki adataiban találkozhatunk. Minden modell más megbízhatóság számítás algoritmussal rendelkezik. Módszer példák: HRD5, Telcordia, RBD, Markow modell, FMEA/FMECA, hibafa-elemzés, HALT.

Az MTBF idő ismeretében kiszámíthatjuk a berendezés meghibásodásának valószínűségét, az MTBF idő lejárta előtt. Ez egy nagyon hasznos információ, mely lehetővé teszi a rendszerhiba meghatározását. Az elv alapvetően egyszerű: minél nagyobb az MTBF, annál megbízhatóbb a berendezés.

Ne feledjük, hogy az MTBF mindig azt az időt jelöli, mely után a berendezés megbízhatósága 36,8% értékre csökken. 

Szóban: 2,718 az MTBF által elosztott üzemidő negatív hatványára emelve.

Számítsuk ki a berendezés meghibásodási mutatóját, ahol az MTBF 50 000 óra 50 000 óra után.

Tehát, az MTBF = 50 000 óra értékkel rendelkező berendezés megbízhatósága 36,8% 50 000 óra után. Máshogy megfogalmazva, 50 000 óra után 100 berendezésből valószínűleg ~37 fog helyesen működni, 63 pedig meghibásodik.

Ellenőrizzük a hiba megjelenésének valószínűségét 3 éven belül pl. két különböző MTBF értékű tápegység esetén.

1. MTBF = 50 000 óra, 3 év = 3 év x 24 óra x 365 nap = 26 280 óra és az alábbi mintában helyettesítjük be:

Ez az eredmény azt mutatja, hogy 3 év után 59,1% a valószínűség, hogy a tápegység hibamentesen fog működni (pl. 100 berendezésre ~59 lesz hibamentes, 41 pedig meghibásodik).

2. MTBF = 700 000 óra, 3 év = 3 év x 24 óra x 365 nap = 26 280 óra és a behelyettesítjük a mintában.

Ez az eset az mutatja, hogy 3 év után 97,1% a valószínűség, hogy a tápegység hibamentesen fog működni (pl. 100 berendezésre ~97 lesz hibamentes, 3 pedig meghibásodik).

Az MTBF a gyártó által a leggyakrabban a berendezés 25°C környezeti hőmérséklet melletti üzemeléshez viszonyítva kerül megadásra. Magasabb hőmérsékleten történő működés esetén az a szabály van érvényben, hogy a környezeti hőmérséklet 10°C-os emelkedése kétszeresére csökkenti az MTBF értékét. Miért rendelkeznek egyes berendezések magas, mások pedig alacsony MTBF értékkel? A különbségek az alkalmazott alkatrészektől és a berendezés összetettségétől függnek. Nem minden gyártó adja meg ezt a paramétert a műszaki adatokban.

Kimeneti feszültség (Output Voltage) 

A kimeneti feszültség az a feszültség, melyet stabilizálni kell a tápegység terhelésének 0 és 100% közötti változása esetén. Figyelembe kell venni, hogy minden tápegységnél a kimeneti feszültséghez hozzá jönnek a zajok, lüktetések és zavarok. Akár néhány száz mVp-p is lehet az amplitúdójuk. Esetenként a kimeneti feszültség lüktetésének túl nagy értéke problémákat okozhat, ha a berendezés hajlamos a lüktetésekre, pl. zavart okozhat a kameraképben CCTV applikációkban vagy egy elektronikus berendezés gyakori újraindítását okozhatja.

Alábbiakban látható egy 12 V kapcsolóüzemű tápegység oszcillogram pillanatfelvétele.

Dinamikus válasz a terhelés ugrásszerű változásaira (Dynamic Response) 

Minden tápegységnek állandó értékű kimeneti feszültséget kellene biztosítani a terhelésre, mely a terhelési áram változása esetén sem változik. Azonban előfordulnak ugrásszerű változások a terhelésben (pl. infravörös megvilágító ki-/bekapcsolása CCTV kamerán, vagy kiegészítő terhelés ki-/bekapcsolása). A terhelés 0-ról 100%-ra történő változtatása esetén (vagy fordítva) zavarok és a kimeneti feszültség ingadozása jelenik meg, melyek befolyásolhatják a tápegységhez csatlakoztatott egyéb berendezések működését.

A legtöbb kapcsolóüzemű tápegység kimenete zárlattal és túlárammal szembeni védelemmel ellátott. Mivel különböző védelem módszereket alkalmaznak, a terhelés típusának megfelelő tápegységet kell választani. Motorok, izzók, nagy kapacitású, indukciójú terhelések, azaz nem lineáris jellegű terhelések nagyobb áram impulzust igényelhetnek a bekapcsolásnál, mely jelentősen meghaladja a tápegység maximális névleges teljesítményét. Ez a védelem bekapcsolását eredményezheti, ezzel megakadályozva a tápegység bekapcsolását. A gyakorlatban kiderülhet, hogy pl. egy 12 V 50 W tápegység nem fog bekapcsolni 12 V 30 W terhelés csatlakoztatása után (pl. izzó, motor).

A tápegység tervezők különböző, zárlattal és túlárammal szembeni védelem módszereket alkalmaznak. A védelemnek a tápegységet és a terhelést kell biztosítania. Alábbiakban bemutatjuk a leggyakrabban alkalmazottakat.

Hiccup mód (Hiccup mode) 

Ez egy nagyon gyakran alkalmazott védelem (z ang. hiccup – csuklás), melynek előnye az alacsony teljesítmény veszteség a tápegységekben túláram vagy zárlat esetén, valamint az automatikus visszaállás a normális működéshez a túláram vagy zárlat kiváltó okának megszűnése után.

A idő alatt túláram vagy zárlat keletkezik. A táplálás lecsatlakozik. A kimeneten egy nagyon rövid időtartamú impulzus jelenik meg (pl. 100 ms) és a maximális áramhoz képest legfeljebb 150%-os áram jelenik meg. A tápegység néhány másodpercenként küldi az impulzust, egészen addig, míg megszűnik a túláram vagy zárlat oka (B), majd átáll normális üzemmódba. A védelem működésbe lépésének (tápegység kikapcsolás) küszöbértéke a legtöbb esetben a névleges áram 110–150% értékére van beállítva (I_out). Ez az üzemmód leggyakrabban hővédelemmel integrált. Ha a terhelés a névleges áramnál nagyobb, de a védelem beindítási küszöbértékénél alacsonyabb áramot vesz fel, akkor rövid időn belül bekapcsol a hővédelem, leválasztva a táplálást, a tápegység hiccup üzemmódba kapcsol, a túlterhelés okának megszűnéséig.

A görbe – áram korlátozás (Foldback Current Limiting)
Ezt a típusú védelmet lineáris tápegységekben is alkalmazzák. A maximális áram túllépése (terhelés ellenállás csökkentés) után annak redukciója következik (csökkenés). Másként fogalmazva, ha a terhelés ellenállása csökken, akkor az áram redukciója következik be. Ennek a megoldásnak az előnye az alacsony teljesítmény veszteség a tápegységekben túláram vagy zárlat esetén. Azonban ennél a megoldásnál a tápegység nem kapcsol be nagy indítóárammal történő terhelés esetén (pl. nagy kapacitás).

B görbe – áram stabilizálás (Constant Current Limiting)
A maximális áram túllépése (terhelés ellenállás csökkentés) után a tápegység állandó kimeneti áram szintet tart meg, függetlenül a túláram mértékétől, közben a kimeneti feszültség csökken. Gyakran második védelmet is alkalmaznak, mely kikapcsolja a tápegységet, amikor a feszültség néhány Volt értékre esik vissza. Ennek a módszernek nagy hátránya a nagy teljesítmény veszteség a tápegységben, valamint a terhelésen áthaladó nagy áram, ami meghibásodásokat okozhat. Ez a védelem módszer lehetővé teszi a tápegység bekapcsolását nem lineáris jellegű terhelésnél.

C görbe – teljesítmény korlátozás (Over Power Limiting)
A maximális áram túllépése (terhelés ellenállás csökkentés) után a tápegység kimeneti teljesítménye állandó szinten marad. A terhelés növekedésével együtt a feszültség és a kimeneti áram a C. jellemzőnek megfelelően csökken. Ez a védelem módszer lehetővé teszi a tápegység bekapcsolását nem lineáris jellegű terhelésnél.

Működési hőmérséklet (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

A tápegység hatásfokától függően a tápegységhez szállított energia egy része elveszik hőként, a tápegységen belüli hőmérséklet emelkedik a külső hőmérséklethez képest. A jó minőségű tápegységek, 25°C hőmérsékleten történő működés mellett, 50–70°C-ra melegedhetnek fel. 50°C környezet hőmérsékletben 75–95°C-ra melegedhetnek fel.

Nagyon fontos tudatosítani azt, hogy a működési hőmérséklet közvetlenül befolyásolja a berendezés élettartamát és megbízhatóságát. A kapcsolóüzemű tápegységek bonyolult szerkezettel rendelkeznek és sok elektronikus alkatrészből állnak, melyek egymáshoz közel lehetnek elhelyezve a tápegység burkolatán belül. A túl magas belső hőmérséklet a tápegység meghibásodását okozhatja, és jelentősen csökkenti az élettartamát. Ne feledje, hogy komoly összefüggés van a kimeneti teljesítmény és a hőmérséklet között. Feltétlenül kerülni kell a tápegység működtetését 50°C-nál nagyobb hőmérsékleten, annak ellenére, hogy a gyártók gyakran ezt az értéket meghaladó működési hőmérsékletet adnak meg. Ilyen esetben alaposan olvassa el a műszaki dokumentációt.

Ahogy az ábrán is látható, a tápegység a terheléshez a teljes teljesítményt tudja biztosítani, de csak 50°C hőmérsékletig. 70°C működési hőmérséklet esetén a berendezést 50%-ig, azaz a maximális áram feléig lehet terhelni.

Az alkatrészek közül az elektrolit kondenzátorok a legérzékenyebbek hőmérséklet emelkedésre. Gyakorlatilag minden tápegység tartalmaz belőlük néhányat. A kondenzátor gyártók a maximális működési hőmérséklet mellett egy másik fontos paramétert szoktak megadni, az ún. élettartamot. A hőmérséklet 10°C-kal történő csökkentése az elektrolit kondenzátorok élettartamának idejét kétszeresére növeli. Pl. a szabványos elektrolit kondenzátorok élettartama 1 000 óra 105°C hőmérséklet mellett.

Tehát:

Ezek az időértékek nem a kondenzátor élettartamának végét jelölik, hanem azt az időt, melynek elteltével bekövetkezik a paraméterek jelentős gyengülése (kapacitás, soros ellenállás, stb.), ami leggyakrabban meghibásodáshoz vezet.

Ahogy a fenti példán látható, alacsonyabb hőmérséklet = hosszabb élettartam. Léteznek néhányszor olyan kondenzátorok is, melyek élettartama néhányszor nagyobb, azonban ezek ára is magasabb. A gyártótól függ, hogy milyen alegységeket használ. Olcsó tápegységekben nem alkalmaznak drágább, hosszabb élettartamú alkatrészeket.