Schakelende voedingen „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Schakelende voedingen hebben de traditionele lineaire voedingen vrijwel uit de markt gedrukt en vormen op dit moment de populairste en grootste groep voedingen. Hun voordelen ten opzichte van lineaire voedingen zijn de kleine afmetingen, het lichte gewicht, hoge efficiëntie en capaciteit en de goede prijs. Nadelen zijn de gecompliceerde constructie en het hogere aantal storingen die worden gegenereerd door de voeding en het hogere storingsniveau op de uitgang.

Basisprincipe van de werking van een schakelende voeding 

In schakelende voedingen wordt gebruik gemaakt van pulsbreedtemodulatie PWM (Pulse Width Modulation), ofwel de uitgangsspanning van de voeding wordt geregeld met behulp van verandering van de vulfactor bij een vaste, ongewijzigde schakelfrequentie.

Verkorting van de pulsbreedte (t1) leidt tot verlaging van de gemiddelde waarde van de uitgangsspanning (U_out) en omgekeerd: verlenging van de pulsbreedte (t1) leidt tot verhoging van de gemiddelde waarde van de uitgangsspanning (U_out). Dit is zichtbaar in de grafieken hierboven:

De gemiddelde waarde van de uitkomst van kan eenvoudig worden berekend met behulp van de formule:

De wisselspanning uit het lichtnet, bv. 230 V (1) gaat door het ingangsfilter met LC-elementen (3). Dit is een belangrijk element dat het lichtnet beschermt tegen storingen die ontstaan in de voeding en de voeding beschermt tegen storingen die afkomstig zijn uit het lichtnet. De wisselspanning wordt gelijkgericht met behulp van een gelijkrichterbrug (4) en gaat na het gelijkrichten als gelijkspanning naar de transformator (8) die wordt gemoduleerd door een transistor (5), soms ook schakelaar genoemd. De transistor schakelt de stroom in en uit in de vorm van een blokgolf met een bepaalde frequentie (die kan vallen binnen het bereik van 20 kHz tot enkele honderden kHz tot zelfs MHz), hierbij gebruikmakend van pulsbreedtemodulatie PWM. De transistor wordt bestuurd met behulp van een feedbackcircuit (6, 7) dat bestaat uit een optocoupler en een PWM-controller (driver). Het systeem onderzoekt wat de uitgangsspanning is en wijzigt de impulsbreedte (vulfactor), afhankelijk van de daling of stijging ervan. Hij bestuurt de transistor en zorgt ervoor dat op de uitgang altijd een constante spanning staat. Dit systeem werkt bij de vaststelling van de uitgangsspanning met bijzonder hoge snelheid, waardoor het mogelijk is om een constante uitgangsspanning te handhaven en bij stijging of daling onmiddellijk de wijziging te corrigeren, zodat hij op constant niveau kan worden gehouden. De blokvormige spanning op de uitgang van de transformator (8) wordt gelijkgericht (9) en gaat vervolgens door het uitgangsfilter (10) dat de hogere harmonischen en storingen door de werking van de actuator moet "blokkeren". Op de uitgang (11) van de schakelende voeding verkrijgen we een stabiele gelijkspanning.

Een aantal suggesties voor parameters waarop u moet letten als u een schakelende voeding kiest. 

Ingangsspanning (Input Voltage) 

In Polen en de Europese Unie bedraagt de spanning in het energienetwerk 230 V AC (een uitzondering is Groot-Brittannië – 240 V AC). De normen laten afwijkingen van 10% toe, de lichtnetspanning mag daarom schommelen van 207 V tot 253 V AC. Het is daarom de moeite waard om te kiezen voor een voeding met een breed bereik aan ingangsspanningen, bv. 100–264 V AC.

Opstartstroom (Max Inrush Current) 

Na inschakeling van de voeding ontstaat een grote stroomimpuls die hoge waarden kan bereiken, afhankelijk van het vermogen van de voeding, in de orde van enkele tientallen ampères die tot 1 periode duren, ofwel bij een frequentie van 50 Hz AC tot 20 ms. Dit verschijnsel wordt veroorzaakt door het opladen van de ingangscondensators. Dit kan een probleem worden bij bv. het tegelijkertijd verbinden van een aantal voedingen, of bij het gebruik van een voeding met een hoger vermogen. De hoge opstartstroom kan ervoor zorgen dat de beveiligingen in het energienetwerk (zekeringen, overbelastingsbeveiligingen etc.) in werking treden. Een oplossing voor deze situatie is vervanging van de overstroombeveilingen door type C of D.

Rendement (Efficiency) 

Dit is de verhouding tussen het uitgangsvermogen van de gelijkstroom (afgegeven door de voeding) en het ingangsvermogen van de wisselstroom (geleverd door het lichtnet, uitgedrukt in procenten).

De efficiëntie wordt aangeduid met de Griekse letter "eta": η. In elk energieverwerkend apparaat gaat een deel van het vermogen verloren en de efficiëntie maakt het mogelijk om dat verloren vermogen in te schatten. U dient te letten op deze parameter, want hoe hoger de efficiëntie is, hoe minder energie verloren gaat, waardoor de temperatuur in de voeding lager is. Hierdoor nemen de betrouwbaarheid en de gebruiksduur van het apparaat toe. De schakelende voedingen die op dit moment worden geproduceerd hebben maar liefst een efficiëntie > 90% (transformatorvoedingen en lineaire voedingen hebben een lage energie-efficiëntie die niet hoger is dan 50%).

Voorbeeld 1.
We beschikken over een voeding met een uitgangsvermogen van 100 W die een vermogen van 117,6 W uit het lichtnet haalt. Berekening van zijn efficiëntie:

In de gegevens van de voeding staan meestal het uitgangsvermogen en de efficiëntie vermeld. Producenten geven in de specificatie niet aan hoeveel vermogen de voeding nodig heeft. We kunnen dit eenvoudig berekenen door de waarden in de omgezette formule in te vullen.

Voorbeeld 2.
We beschikken over een voeding met een uitgangsvermogen van 150 W en een efficiëntie van 86%. We berekenen welk vermogen uit het lichtnet wordt gehaald.

We kunnen ook eenvoudig berekenen hoeveel vermogen in deze voeding verloren gaat aan warmte (P_d – vermogensverlies) door een eenvoudige formule toe te passen (we trekken het afgegeven vermogen af van het gebruikte vermogen).

In dit geval gaat 24,4 W verloren als warmte, uiteraard bij volledige belasting. Deze 24,4 W verhogen de temperatuur in de behuizing en warmen de interne elementen op.

MTBF - gemiddelde tijd tussen storingen (Mean Time Between Failure) 

Hij wordt uitgedrukt in uren en dit geeft informatie over de betrouwbaarheid van het apparaat.

Deze parameter wordt heel vaak verkeerd geïnterpreteerd. De MTBF van de voeding bedraagt bijvoorbeeld 700.000 uur, ofwel bijna 80 jaar. Dit betekent echter niet dat de voeding inderdaad zolang storingsvrij zal werken.

De berekeningswijze en -methoden van MTBF zijn in 1965 door het Amerikaanse leger ingevoerd bij de publicatie van het model MIL-HDBK-217. Hierin is de storingsfrequentie opgenomen van verschillende elektronische componenten, bv. condensators, weerstanden, transistors. In dit model zijn rekenmethoden gepubliceerd voor het berekenen van de storingsgevoeligheid. Dit moest dienen voor de standaardisering van betrouwbaarheidsbeoordelingen van elektronische apparaten en militaire uitrusting.

Naast het model MIL-HDBK-217 worden ook andere methoden toegepast voor het berekenen van de parameter MTBF. Deze kunt u tegenkomen in de technische gegevens van elektronische apparaten. Alle modellen hebben verschillende algoritmen voor het berekenen van betrouwbaarheid. Voorbeelden van methoden: HRD5, Telcordia, RBD, model van Markov, FMEA/FMECA, schadeboom, HALT.

Als de MTBF-tijd bekend is kunnen we de waarschijnlijkheid berekenen dat een apparaat beschadigd raakt voordat de MTBF-tijd is verstreken. Dit is bijzonder nuttige informatie die beoordeling van de storingsgevoeligheid van een systeem mogelijk maakt. Het algemene principe is simpel: hoe groter de MTBF, hoe betrouwbaarder het apparaat.

Vergeet niet dat de MTBF altijd de tijd aanduidt waarna de betrouwbaarheid van het apparaat daalt tot 36,8%. 

In woorden: 2,718 tot de negatieve macht van de bedrijfstijd gedeeld door de MTBF.

We berekenen de storingsgevoeligheid van een apparaat, waarvan de MTBF 50 000 uur bedraagt na het verstrijken van 50 000 uur.

Dus een apparaat met een MTBF = 50 000 heeft een betrouwbaarheid van 36,8% na het verstrijken van 50 000 uur. Anders gezegd: na het verstrijken van 50 000 uur is het waarschijnlijk dat van de 100 apparaten er ~37 nog goed werken en 63 te kampen hebben met een storing.

Laten we nu de waarschijnlijkheid berekenen dat er zich binnen 3 jaar storingen voordoen voor bv. twee voedingen met een verschillende MTBF.

1. MTBF = 50 000 uur, 3 jaar = 3 jaar x 24 uur x 365 dagen = 26.280 uur en dit vullen we in de formule in:

Dit resultaat betekent dat het waarschijnlijk is dat na 3 jaar 59,1% van de voedingen storingsvrij werken (bv. van de 100 apparaten werken er ~59 nog goed en 41 hebben te kampen met storingen).

2. MTBF = 700 000 uur, 3 jaar = 3 jaar x 24 uur x 365 dagen = 26.280 uur en dit vullen we in de formule in:

In dit geval betekent het resultaat dat het waarschijnlijk is dat na 3 jaar 97,1% van de voedingen storingsvrij werken (bv. van de 100 apparaten werken er ~97 nog goed en 3 hebben te kampen met storingen).

De parameter MTBF wordt door de producent opgegeven in relatie tot werking van het apparaat bij een omgevingstemperatuur van 25°C. Bij werking bij hogere temperaturen geldt de regel dat een verhoging van de temperatuur met 10°C de MTBF-waarde halveert. Waarom hebben sommige apparaten een hoge en andere een lage MTBF? De verschillen zijn het resultaat van de kwaliteit van de gebruikte elementen en de complexiteit van het apparaat. Niet alle producenten vermelden deze parameter in de technische gegevens.

Uitgangsspanning (Output Voltage) 

De uitgangsspanning is de spanning die moet worden gestabiliseerd bij veranderingen in de belasting van de voeding van 0 do 100%. Verder treden in alle voedingen met een gelijkspanning op de uitgang ruis, rimpelingen en storingen op. Deze kunnen een amplitude hebben die enkele honderden mVp-p groot kan zijn. Soms kan een te hoge rimpeling van de uitgangsspanning de oorzaak zijn van problemen als het gevoede apparaat gevoelig is voor rimpelingen, bv. storingen in het camerabeeld in monitoringsystemen of regelmatige herstarts van een elektronisch apparaat.

Hieronder vindt u een oscillogram van rimpelingen in de spanning van een schakelende voeding van 12 V.

Dynamisch antwoord op schoksgewijze veranderingen van de belasting (Dynamic Response) 

Iedere voeding moet een uitgangsspanning leveren van een constante waarde die niet verandert als er veranderingen optreden in de belastingsstroom. Soms treden er echter schoksgewijze veranderingen van de belasting op (bv. bij het in/uitschakelen van de infraroodverlichting in een bewakingscamera of bij het in/uitschakelen van een extra belasting). Bij een wijziging in de belasting van 0 tot 100% (of omgekeerd) ontstaan storingen en schommelingen in de uitgangsspanning die van invloed kunnen zijn op de werking van andere apparaten die zijn aangesloten op de voeding.

De meerderheid van schakelende voedingen is uitgerust met systemen voor beveiliging van de uitgang tegen de gevolgen van kortsluitingen en overbelasting. Omdat er verschillende beveiligingsmethoden worden toegepast, dient u bij de keuze voor een voeding rekening te houden met de aard van de belasting. Motortjes, gloeidraadlampen, belastingen met een hoge capaciteit, inductiviteit etc., ofwel de zogenaamde belastingen met een niet-lineaire karakteristiek kunnen een hoge stroomimpuls nodig hebben bij de start die de maximale nominale stroom van de voeding aanzienlijk overschrijdt. Dit kan de beveiligingen activeren en daarmee inschakeling van de voeding onmogelijk maken. In de praktijk kan blijken dat een voeding van bv. 12 V 50 W niet in staat is om te starten na aansluiting van een belasting van 12 V 30 W (bv. gloeidraadlamp, motor).

De constructeurs van voedingen passen verschillende beveiligingsmethoden toe tegen de gevolgen van kortsluiting en overbelasting. De beveiligingen moeten de voeding en de belasting beschermen. Hieronder worden de meest voorkomende beveiligingen besproken.

Hiccup-modus (Hiccup mode) 

Dit is een beveiliging die bijzonder vaak wordt toegepast (EN: hiccup – hik). De voordelen zijn het lage vermogensverlies in de voeding bij overbelasting of kortsluiting en automatische terugkeer naar normale werking nadat de oorzaak van de kortsluiting of de overbelasting is opgeheven.

In het tijdvak A verschijnt de overbelasting of kortsluiting. De voeding schakelt uit. Op de uitgang verschijnt een stroomimpuls van bijzonder korte duur (bv. 100 ms) met een waarde van 150% van de maximale stroom. De voeding verzendt deze impuls totdat de oorzaak van de overbelasting of kortsluiting is weggenomen (B), vervolgens schakelt hij over op zijn normale werking. De drempelwaarde voor inschakeling van deze beveiliging (uitschakeling van de voeding) is in de meeste gevallen ingesteld op 110-150% van de nominale stroom (I_out). Deze modus is meestal geïntegreerd met een thermische beveiliging. Als de belasting een hogere stroom afneemt dan de nominale stroom, maar lager dan de drempelwaarde voor de beveiliging, dan schakelt na korte tijd de thermische beveiliging in, waarmee de voeding wordt uitgeschakeld en het apparaat overgaat in de hiccup-modus totdat de oorzaak van de overbelasting is weggenomen.

Kromme A – beperking stroom (Foldback Current Limiting)
Dit type beveiliging wordt ook toegepast in lineaire voedingen. Na overschrijding van de maximale stroom (vermindering van de belastingsweerstand) vindt zijn reductie (vermindering) plaats. Anders gezegd, als de belastingsweerstand kleiner wordt, vindt stroomreductie plaats. Het voordeel van deze oplossing is het lage vermogensverlies in de voeding bij overbelasting of kortsluiting. Bij deze oplossing echter start de voeding niet bij een belasting met een hoge opstartstroom (bv. hoge capaciteit).

Kromme B – stroomstabilisatie (Constant Current Limiting)
Na overschrijding van de maximale stroom (vermindering van de belastingsweerstand) houdt de voeding een continue uitgangsstroom in stand, onafhankelijk van de waarde van de overbelasting, zodat de uitgangsspanning lager wordt. Vaak wordt hierbij een tweede beveiliging toegepast die de voeding uitschakelt als de spanning daalt tot enkele volts. Een groot nadeel van deze methode zijn de hoge vermogensverliezen in de voeding zelf en de hoge stroom die door de belasting loopt, hetgeen kan leiden tot beschadigingen. Dit type beveiliging maakt het starten van de voeding mogelijk bij belastingen met een niet-lineaire karakteristiek.

Kromme C – beperking van het vermogen (Over Power Limiting)
Na overschrijding van de maximale stroom (vermindering van de belastingsweerstand) blijft het uitgangsvermogen van de voeding gehandhaafd op een vast niveau. Met de toename van de belasting dalen de uitgangsspanning en uitgangsstroom in overeenstemming met de karakteristiek C. Dit type beveiliging maakt het starten van de voeding mogelijk bij belastingen met een niet-lineaire karakteristiek.

Werktemperatuur (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Afhankelijk van de werking van de voeding gaat een deel van de energie die wordt geleverd aan de voeding verloren als warmte. De temperatuur in de voeding stijgt in relatie tot de omgevingstemperatuur. Hoge kwaliteit voedingen die werken bij een temperatuur van 25°C, kunnen opwarmen tot 50–70°C. Bij een omgevingstemperatuur van 50°C, kunnen ze opwarmen tot 75–95°C.

Het is bijzonder belangrijk dat u zich ervan bewust bent dat de bedrijfstemperatuur direct van invloed is op de levensduur en de betrouwbaarheid van het apparaat. Schakelende voedingen hebben een gecompliceerde constructie en bestaan uit een groot aantal elektronische elementen die dicht bij elkaar zijn geplaatst in de behuizing van de voeding. Een te hoge binnentemperatuur kan leiden tot beschadiging van de voeding en zijn levensduur aanzienlijk bekorten. Er bestaat een sterke relatie tussen het uitgangsvermogen en de temperatuur. Vermijd ten alle tijde werking van de voeding bij temperaturen die hoger zijn dan 50°C, ondanks dat producenten vaak een werkingstemperatuur opgeven die hoger is dan deze waarde. Lees in dat geval de technische documentatie aandachtig door.

Zo als u op de tekening kunt zien kan de voeding het volledige vermogen voor belasting leveren, maar slechts tot een temperatuur van 50°C. Bij werking bij een temperatuur van 70°C kan het apparaat tot 50% worden belast, namelijk de helft van de maximale stroom.

De elementen die het meest gevoelig zijn voor stijgende temperaturen zijn de elektrolytische condensators. Vrijwel iedere voeding bevat er een aantal van. Producenten van condensators vermelden een belangrijke parameter, nl. de levensduur bij de maximale bedrijfstemperatuur. Verlaging van de temperatuur met 10°C heeft een dubbele stijging van de levensduur van een elektrolytische condensator tot gevolg. Bv. standaard elektrolytische condensators hebben een levensduur van 1 000 uur bij een temperatuur van 105°C.

Namelijk:

Deze tijden betekende niet het einde van de levensduur van de condensator, maar geven alleen de tijd aan waarna de parameters (capaciteit, seriële weerstand etc.) aanzienlijk verslechteren, hetgeen meestal leidt tot storingen.

Zoals u kunt zien aan het bovenstaande voorbeeld: lagere temperatuur = langere levensduur. Er zijn condensators met een levensduur die enkele malen langer is, maar dit vertaalt zich dan wel in een hogere prijs. Het hangt van de producent af welke componenten hij toepast. In goedkope voedingen worden meestal geen duurdere onderdelen met een langere levensduur gebruikt.