Kytketyn tilan virransyötöt „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Kytketyn tilan syöttää virtaaa markkinalta virtuaalisesti siirtyneenä ja tällä hetkellä ne edustavat kaikkein suosituinta ja suurinta virransyöttöryhmää. Niiden etua verrattaessa lineaariseen virransyöttöön ovat pienet mitat, pieni paino, suuri kyky ja kapasiteetti, sekä hyvä hinta. Haitta on mallin monimutkaisuuden taso, sekä paljon suurempitasoinen häiriö virransyötön luomana ja lähdön lisähäiriöllä.

Kytkimen virransyöttötoiminnan perusperiaate 

Kytketyn tilan virransyötön pulssinleveyden modulaatiota PWM (Pulse Width Modulation) käytetään esim. Virransyötön lähtöjännitettä säädetään pulssin kestosuhteen tekijän muuttamisella jatkuvalla muuttamattomalla taajuudella.

Pulssin keston lyhentäminen (t1) aiheuttaa lähtöjännitteen keskivertoarvon vähenemisen (U_out), ja kääntäen: pulssin keston pidentäminen (t1) aiheuttaa lähtöjännitteen keskivertoarvon lisääntymisen (U_out ). Tämä voidaan nähdä ylläolevassa taulukossa:

Lähtöjännitteen keskivertoarvo voidaan helposti laskea seuraavaa kaavaa käyttämällä:

Vaihtovirran päävirtajännite, esim. 230 V (1), menee tulosuodattimen läpi LC-elementtien kanssa (3). Tämä on tärkeä elementti, joka suojelee suurtehossa nousevaa interferenssiä sähöverkkoa vastaan ja suojelee virransyöttöä sähköverkosta tulevaa interferenssiä vastaan. Vaihtovirtajännite on korjattu tasasuuntaussillan avulla (4) ja, korjauksen jälkeen, kun tasavirtajännite saavuttaa muuntajan (8), joka on kiilattu transistorilla (5), kutsutaan joskus kytkimeksi. Transistori kytkee päälle ja pois suorakaideaaltomuotoa määritetyllä taajuudella (mahdollisesti 20 kHz:n kantamassa useaan sataan kHz:hin ja jopa MHz:hin) pulssin leveysmodulaatiota PWM käyttämällä. Transistoria hallitaan palautevirtapiirin avulla (6, 7), joka koostuu optisesta isolaattorista ja PWM-ohjaimesta (ajuri). Järjestelmä tarkastaa, mikä lähtöjännite on ja riippuen siitä onko se lisääntynyt vai vähentynyt, se muuttaa pulssin leveyttä (täyttää), ohjaamalla transistoria ja säätämällä sitä siten, että lähdöllä on aina jatkuva jännite. Tämä järjestelmä, lähtöjännitettä tarkistaessa, toimii suurella nopeudella, joka sallii jatkuvan lähtöjännitteen ylläpitämisen ja sen lisääntyessä tai vähentyessä korjaa heti muutokset pitääkseen muutokset samalla tasolla. Suorakaide jännite muuntimen lähdössä (8) on korjattu (9) ja sitten menee lähtösuodattimen läpi (10) jonka tulisi "lukita" suuremmat yliaallot ja interferenssit invertterin toiminnan kautta. (11) kytketyn tilan virransyötöllä hankimme jatkuvan jännitteen.

Jotkut suositukset siihen, että mitä parametrejä meidän tulisi huomioida kytkintilan virransyöttöä valittaessa. 

Tulojännite (Input Voltage) 

Puolassa ja Euroopan Uniossa suurtehojen jännite on 230 V vaihtovirta (paitsi Iso-Britanniassa - 240 V vaihtovirta). Vakiot sallivat 10%:in poikkeaman, esim. jännite päävirrasta voi vaihdella 207 V:n ja 253 V vaihtovirran välillä. Joten kannattaa valita virransyöttö, jolla on laaja tulojännitekantama, esim. 100-264 V vaihtovirta.

Max syöksyvirta (Max Inrush Current) 

Kun virransyöttö on kytketty päälle ilmenee suuri virran pulssi, joka voi saavuttaa korkean arvon, virransyötön kapasiteetista riippuen, kantamassa usea tusina amppeeria, joka kestää jopa 1 jaksoon asti, esim taajuudessa 50 Hz vaihtovirta 20 ms:iin asti. Tämän ilmiön aiheuttaa tulokapasitaattoreiden lataus. Tämä voi luoda ongelman, esim, kun kytketään muutama virransyöttö samaan aikaan, tai käytetään suurtehon virransyöttöä. Suuri alkuvirta voi aiheuttaa virtatehon trippausta (sulakkeet, ylikuormituskatkaisimet, jne.). Löytääksesi tavan poistua tästä tilanteesta on muuttaa ylivirtasulakkeet tyypiksi C tai D.

Tehokkuus (Efficiency) 

Tämä on jatkuvan virran lähtötehon suhde (virransyötön antamana) vaihtovirran tuloteholle (sähköverkosta otettuna), ilmaistuna prosenteissa.

Tehokkuus merkitään Kreikkalaisella aakkoskirjaimella, "eta": η. Energian prosessointilaitteessa tehon osa menetetään ja siksi tehokkuus sallii virran häviön arvioinnin. On otettava huomioon tämä parametri, koska mitä suurempi tehokkuus on, sitä vähemmän energiaa menetetään, jonka tuloksena saamme alemman lämpötilan virransyötön sisällä, ja sen seurauksena lisääntyneen luotettavuuden ja pidennetyn laitteen käyttöiän. Tällä hetkellä valmistetut virransyötöt taavuttavat jopa > 90% (virransyöttö/lineaarisilla muuntajilla on alhaisempi energian tehokkuus, ei ylitä 50%).

Esimerkki 1.
Meillä on virransyöttö 100 W:n lähtöteholla, joka otetaan suurtehohilasta 117.6 W. Lasketaan sen tehokkuus.

Useimmissa tapauksissa virransyötön tiedot sisältävät lähtötehon ja -tehokkuuden. Valmistaja ei määritä teknisissä tiedoissa kuinka paljon virtaa kulutetaan virransyötössä. Voimme helposti laskea sen, korvaamalla arvoja muokattuun kaavaan.

Esimerkki 2.
Meillä on virransyöttö ilman 150 W:n lähtötehoa ja 86%:n tehokkuutta. Laskekaamme kuinka paljon virtaa otetaan sähköverkosta.

Voimme myös helposti laskea kuinka paljon virtaa menetetään lämpönä tässä virransyötössä (P_d – power loss), soveltamalla yksinkertaista kaavaa (me vähennämme virtaa joka vapautuu kulutetusta virrasta).

Tässä tapauksessa 24,4 W on menetetty lämpönä, täydellä lastilla. Nämä 24,4 W lisäävät lämpötilan kotelon ja sisäisen komponentin sisällä.

MTBF - käskimääräinen vikaväli (Mean Time Between Failure) 

Se ilmaisee tunneissa ja tämä tieto viittaa luotettavuuteen.

Hyvin usein tämä parametri ymmärretään väärin. Esimerkiksi virransyötön MTBF on yhteensä 700 000 tuntia, esim. Lähellä 80 vuotta. Tämä ei tarkoita, että virransyöttö toimii virheettömästi aina.

MTBF:n laskemisen tavat ja menetelmät YHdysvallan armeijassa vuonn 1965 yhdessä MIL-HDBK-217 mallin julkaisun kanssa. Se sisältää onnettomuuksien taajuuden eri sähkökomponenteille, esim. kondensaattoreille, resistoreille, transistoreille. Tässä mallissa, vikasuhteen laskemismentelmät tuli julkistuksi. Tämän tarkoitus oli standardisoida sähkölaitteiden ja armeijavarusteiden arviointimenetelmien luotettavuutta.

Lukuunottamatta ML-HDBK-217 mallia, käytetään myös muita MTBF-laskemismetelmiä, jotka löydämme sähkölaitteiden teknisissä tiedoissa. Kaikilla malleilla on eri algorythgit luotettavuuden laskemiseksi. Esimerkkimenetelmät: HRD5, Telcordia, RBD, Markov malli, FMEA/FMECA, vahinkopuu, HALT.

Tuntiessamme MTBF ajan, voimme laskea laitteen vahingoittumisen ennen MTBF:n umpeutumista. Tämä on hyvin käytännöllinen tieto jonka avulla voit arvioida järjestelmävioittumisen nopeuden. Yleisesti periaate on selvä: mitä suurempi MTBF on, sitä lutettavampi laite on.

Muista, että MTBF merkitsee aina aikaa sen umpeutumisen jälkeen, jolloin laitteen luotettavuus menee alas 36,8% asti. 

Sanoissa: 2,718 nostettuna työajan negatiiviseen virtaan jaettuna MTBF:lla.

Lasketaan laitteen virhe, MTBF joka on yhteensä 50 000 tuntia 50 000 tunnin kulumisen jälkeen.

Joten laite, jonka MTBF = 50 000 tuntia omaa 36,8% luotettavuuden 50 000 tunnin umpeutumisen jälkeen. Toisin sanoen, 50 000 tunnin jälkeen on todennäköistä, että jokaisen 100 laitteen tapauksessa ~37 on tehokas ja 63 valtistuu virheelle.

Tarkastetaan vian todennäköisyys 3 vuoden sisällä esim. Kahdet virransyötöt eri MTBF:llä.

1. MTBF = 50 000 tuntia, 3 vuotta = 3 vuotta x 24 tuntia x 365 päivää = 26 280 tuntia ja me korvaamme kaavaan:

Tämän tulos näyttää sen todennäköisyyden, että 3 vuoden jälkeen, 59,1% virransyötöstä toimii virheettömästi (esim jokaisen 100 laitteen tapauksessa ~ 59 toimii ja 41 on toimintahäiriö).

2. MTBF = 700 000 tuntia, 3 vuotta = 3 vuotta x 24 tuntia x 365 päivää = 26 280 tuntia ja me korvaamme kaavaaan.

Tämä tapaus näyttää, sen todennäköisyyden, että 3 vuoden jälkeen, 97,1% virransyötöstä toimii virheettömästi (esim jokaisen 100 laitteen tapauksessa ~ 97 on toimiva, ja 3 toimii toimintahäiriöllä).

Useimmissa tapauksissa MTBF parametrissä MTBF on valmistajan määrittelemä suhteessa laitteen toimintaan ympäristön lämpötilassa 25°C. Kun käytetään korkeammissa lämpötiloissa, se sääntö soveltuu, että jos lisätään lämpötilaa 10°C:lla, sen tulos on kahdenlainen vähennys MTBF arvossa. Miksi jotkut laitteet omaavat korkean MTBF kun taas muut matalan MTBF:n? Erot tulevat elementtien laadusta, joita käytetään laitteen monimutkaisuustasoissa. Eivät kaikki valmistajat lisää tätä parametriä teknisissä tiedoissa.

Lähtöjännite (Output Voltage) 

Lähtöjännite on se jännite, joka on stabiloitava muutoksilla virransyötön kuormituksessa 0:sta 100%:aan. On ymmärrettävä, että kaikki virransyötöt, melut ja häiriöt on asetettu lähtöjännitteen päälle. Niillä saattaa olla jopa usean sadan mVp-p:n amplitudia. Joskus liian suuri lähtöjännitteen pulsaatioarvo voi aiheuttaa ongelmia, jos virroitettu laite on altis pulsaatiolle, esim.häirinnät kameranauhurin kuvissa CCTV-sovellutuksissa tai jatkuvissa elektronisen laitteen uudelleenkäynnistyksissä.

Löydät alla pikakuvan 12 V kytketyn tilan virransyötön jännitepulsaation oskillogrammista.

Dynaaminen vastaus (Dynamic Response) 

Jokaisella virransyötöllä on annettava jatkuvan arvon lähtöjännitteen kuormitus, joka ei muuta kuorman virran kanssa. On kuitenkin olemassa vaihemuutoksia kuormassa (esim. infrapunavalaisimen päälle/poiskytkeminen CCTV kameranauhurissa tai lisäkuorman päälle/poiskytkeminen). Muutoksen kanssa kuormassa 0:sta 100%:an (tai toisin päin) tapahtuu häiriöitä ja lähtöjännitteen fluktuaatioita, joka voi vaikuttaa muiden laitteiden toimintaan, jotka on liitetty virransyöttöön.

Useimmat kytkentätilan syöttövirroista on sovitettu lähdön suojajärjestelmiin oikosulkuja ja ylikuormituksia vastaan. Koska käytetään eri suojatapoja, on tarpeen valita oikein virransyöttö kuorman tyyppiin. Moottorit, hehkulamput, suuren kapasiteetin kuormat, induktanssit, kne, esim. niin kutsutut kuormat, joilla ei ole ei-lineaarisia luonteenomaisuuksia, saattavat tarvita suuren virran käynnistysimpulssiksi, joka ylittää suuresti virransyötön maksiminopeutta. Tämä voi aiheuttaa suojien irrotuksen ja ehkäistä virransyötön päällekytkemisen. Se voi tapahtua käytännössä, että virransyöttö, esim. 12 V, 50 W ei pysty käynnistymään sen jälkeen, kun on yhdistynyt 12 V 30 W kuormaan (esim hehkulamppuun, moottoriin).

Virransyötön suunnittelijat soveltavat eri suojamenetelmiä oikosulkuja ja ylikuormituksia vastaan. Suojan on suojeltava virransyöttöä ja kuormitusta. Kaikkein yleisimmistä keskusteltiin alhaalla.

Hikkatila (Hiccup mode) 

Tätä suojaa sovelletaan hyvin usein (Englanniksi hiccup - hikka), jonka edut ovat alemmat virtahäviöt ylikuormituksen tai oikosulkujen aikana ja automaattiset palautukset normaaliin toimintaan oikosulun tai ylikuormituksen syyn päättymisen jälkeen.

A aikana ilmenee ylikuormitus tai oikosulku. Virransyöttö on irrotettu. Virran pulssi ilmenee lähdössä hyvin lyhyen ajan (esim. 100 msek), ja jopa 150% maksimivirran arvo. Virransyöttö lähettää tämän pulssin aina muutaman sekunnin välein, kunnes kuormituksen tai oikosulkun syy (B) päättyy, ja jatkaa sitten normaaliin toimintatilaan. Tämän suojan laukaisun kynnys (virransyötön sulku) on asetettu useimmissa tapauksissa arvioidun virran 110-150%:een (I_out). Useimmiten tämä tila on integroitu lämpösuojan kanssa. Jos lasti ottaa enemmän virtaa kuin arvioitu virta, mutta vähemmän, kuin suojalaukaisukynnys, lyhyen ajan jälkeen lämpösuojakytkeytyy päälle, irrottamalla virransyötön ja virransyöttökytkimet hiccup tilaan, kunnes ylikuormituksen syy päättyy.

Kurvi A - virran rajoitus (Foldback Current Limiting)
Tätä suojaustyyppiä sovelletaan myös lineaarisessa virransyötössä. Maksimivirran ylittämistä (kuorman vastuksen vähentäminen) seuraa sen vähentäminen (pienennös). Toisin sanoen, jos lastin resistanssi vähenee, sitä seuraa virran vähennys. Tämän ratkaisun etu on matala virran häviö virransyötössä ylikuormituksen tai oikosulkun tapauksessa. Tällä ratkaisulla kuitenkin virransyöttö ei käynnisty kuormalla, jolla on korkea käynnistysvirta (esim. suuri kapasiteetti).

Kurvi B - virran stabilointi (Constant Current Limiting)
Maksimivirran ylittämisen jälkeen (kuorman resistanssin vähentäminen) virransyöttö ylläpitää jatkuvan lähtövirran, riippen ylikuormitusarvosta, kun taas lähtöjännite pienenee. Myös toista suojaa sovelletaan usein, joka kytkee virransyötön pois, kun jännite putoaa muutaman voltin. Näiden menetelmien suuri haitta on suuri virran hukka virransyötössä ja suuri virran virtaus kuorman läpi, joka aiheuttaa vahinkoja. Tämäntyyppinen suoja sallii virransyötön käynnistämisen ei-lineaarisen luonteen kuormissa.

Kurvi C - virran rajoitus (Over Power Limiting)
Maksimivirran ylittämisen jälkeen (kuorman resistanssin vähentäminen) virransyötön lähtövirta pysyy jatkuvana. Yhdessä kuorman lisäämisen kanssa, jännite ja lähtövirta putoaa C-luonteenomaisuuksien mukaan. Tämä suojatyyppi sallii virransyötön käynnistämisen ei-lineaarisen luonteen kuormissa.

Työlämpötila, Ympäristöilman lämpötila (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Riippuen virransyötön tehokkuudesta, osa energiasta, joka toimitetaan virransyöttöön häviää lämpönä, virransyötön sisällä oleva lämpötila nousee suhteessa ulkoiseen lämpötilaan. Korkealaatuiset virransyötöt, jotka toimivat 25°C lämpötilassa, voivat lämmetä jopa 50–70°C asti. 50°C ympäristölämpötilassa ne saattava lämmetä jopa 75–95°C asti.

On erittäin tärkeää todeta, että työlämpötila vaikuttaa suoraan laitteen käyttöikään ja sen luotettavuuteen. Kytketyn tilan virransyötöllä on monimutkaisesti suunniteltu malli ja se koostuu suuresta sähkökomponenttimäärästä, jotka voidaan sijoittaa toisiaan vasten virransyötön kotelon sisälle. Liian korkea sisälämpötila voi johtaa virransyötön vahingoittumiseen ja lyhentää merkittävästi sen käyttöikää. Huomaa, että on olemassa vahva lähtövirran ja lämpötilan riippuvuus. Virransyötön toiminta yli 50 °C lämpötilassa on varmasti vältettävä, vaikka valmistajat usein viittaavat työlämpötilan olevan tässä arvossa. Sellaisissa tapahtumissa suositellaan, että tutkitaan perusteellisesti teknistä dokumentaatiota.

Kuten kuvassa näkyy, virransyöttö voi tarjota kuorman jossa on täysi teho, mutta vain 50°C asti. Kun työskennellään 70°C lämpötilassa, laitetta voidaan kuormittaa 50% asti, esim maksimivirran ensimmäisen puolen.

Komponenttien kaikkein herkimmät lämpötilan nousuun ovat elektrolyyttikapasitaattorit. Käytännöllisesti jokainen virransyöttö sisältää muutaman yksikön. Kapasitaattoreiden valmistajat viittaavat oleelliseen parametriin, esim, niin kutsuttuun käyttöikään, maksimin toimintalämpötilan saamiseksi. Jos pienennetään lämpötilaa 10°C asteella, saamme tulokseksi kaksinkertaisen käytöiän lisääntymisen elektrolyyttikapasitaattorille. Esimerkiksi, vakiot elektrolyyttisten kapasitaattorien käyttöikä on 1 000 tuntia 105°C lämpötilassa.

Eli:

Nämä käyttöiät eivät tarkoita kapasitaattorin käytön loppua, ainoastaan aikaa voimassaolon umpeutumisen jälkeen, jonka merkittävä parametrin turmeltuminen tapahtuu (kapasitanssi, sarjaresistanssi, jne.), joka useimmiten johtaa vioittumiseen.

Kuten esimerkki ylhäällä näyttää, alempi lämpötila = pidempi käyttöikä. Näiden kapasitaattoreiden käyttöikä on useamman kerran pidempi, kuitenkin se tuo korkeamman hinnan. Se riippuu valmistajasta, jonka alakokoonpanoa tullaan käyttämään. Käytetään matalahintaisia virransyöttöjä, ei kalliita osia pidemmällä käyttöiällä.