Sursă de tensiune în comutație „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Pe piața bunurilor de larg consum sursele de tensiune în comutație au înlocuit aproape în totalitate sursele liniare. Printre cele mai importante beneficii se numără dimensiunea mică, randamentul ridicat, greutatea redusă și bineînțeles prețul foarte accesibil. Ca dezavantaje - complexitate ridicată și zgomot mult mai mare a tensiunii de ieșire.

Principiul de funcționare a sursei în comutație 

Sursa în comutație cu tranzistor comandat de impulsuri cu durată variabilă PWM (Pulse Width Modulation) / (undă modulată în durată); tensiunea de ieșire este continuu ajustată prin modificarea factorului de umplere a semnalului de comandă la frecvență constantă.

Micșorând durata impulsului (t1) scade valoare medie a tensiunii de ieșire (U_out) și vice-versa: mărind durata impulsului, crește valoarea medie a tensiunii de ieșire (U_out) . Acest lucru se poate vedea în graficele de mai sus:

Valoarea medie a tensiunii de ieșire poate fi ușor calculată cu formula:

Tensiunea sinusoidală a rețelei electrice, ex: 220 V (1) trece la început prin filtrul LC (3) de deparazitare. Acesta are rolul de a proteja rețeaua electrică de interferențele create în interiorul sursei și vice-versa. Tensiunea alternativă este apoi rectificată cu ajutorul unei punți de diode (4). La transformator (8) ajunge o tensiune continuă, curentul prin acesta fiind controlat de un tranzistor (5) folosit în această aplicație sub forma unui întrerupător. Prin comutarea rapidă (cu frecvență de cel puțin 20 kHz și până la câțiva MHz) între regimurile de blocare și saturație, se crează o formă de undă dreptunghiulară cu durată variabilă (modulație PWM). Tranzistorul este controlat prin retroacțiune (feedback) prin intermediul unui circuit (6, 7) ce constă într-un optoizolator și un controler PWM. Acest circuit verifică continuu tensiunea de ieșire a sursei și ajustează în permanență factorul de umplere al semnalului dreptungiular de comandă pentru ca tensiunea să rămână la o valoare constantă. În secundarul transformatorului (8) tensiunea cu are formă de undă dreptunghiulară este rectificată (9) iar apoi filtrată (10) de interferențe și armonice superioare. La ieșirea sursei (11) ajunge o tensiune continuă de valoare constantă.

Câțiva dintre parametrii cărora trebuie acordată atenție sporită în momentul alegerii unei surse în comutație 

Tensiune de intrare (Input Voltage) 

Atât în Polonia cât și în Uniunea Europeană, tensiunea rețelei de alimentarea cu energie electrică este de 230 V (face excepție Marea Britanie - 240 V). Standardele permit o deviere de 10% de la această valoare, adică între 207 V și 253 V. Trebuie aleasă o sursă având o plajă a tensiunii de intrare cât mai mare, ex: 100-264 V

Curent de pornire (Max Inrush Current) 

În momentul pornirii sursei, timp de 1, 2 cicluri (20, 40 ms la o frecvență de 50 Hz a rețelei) apare un val de curent care în funcție de puterea sursei poate atinge valori de câțiva zeci de amperi. Acest fenomen este cauzat de încârcarea condensatoarelor de pe intrare și poate creea mari probleme în situațiile când sunt pornite simultan mai multe surse sau doar una singură de putere. Un curent de pornire mare, poate declanșa siguranțele tabloului electric. Pentru a media această problemă trebuie schimbate siguranțele la supracurent din interiorul sursei cu unele de tip C sau D.

Eficienţa (Efficiency) 

Este raportul dintre puterea utilă în curent continuu și puterea absorbită în curent alternativ, exprimat sub formă de procent.

Randamentul se notează cu litera grecească "eta": η. Orice echipament de transformare a energiei este supus pierderilor. Cu cât randamentul sursei este mai mare, cu atât mai mici sunt pierderile de energine (sub formă de căldură) în interiorul sursei ceea ce duce la o temperatură internă scăzută și o durată de viață prelungită. Sursele în comutație pot lucra cu un randament chiar mai mare de 90% în timp ce sursele liniare abia depășesc 50%.

Exemplul 1.
O sursă capabilă să furnizeze 100 W consumă de la rețeaua electrică 117,6 W. Să calculăm randamentul sursei.

În majoritatea cazurilor, printre specificațiile tehnice ale sursei se află și valorile puterii furnizate și ale randamentului. Producătorii omit valoarea puterii absorbite. O putem însă alfa ușor înlocuind valorile cunoscute în formula de calcul

Exemplul 2.
O sursă de 150 W cu randament de 86%. Să calculăm puterea absorbită din rețeaua electrică.

Putem calcula și puterea disipată în sursă, sub formă de căldură (P_d – pierderi) scăzând puterea dată din totalul consumat de sursă

În acest caz, 24,4 W sunt pierduți sub formă de căldură, când sursa este încărcată la maximum. Acești 24,4 W cresc temperatura internă a sursei și încălzesc componentele interne.

MTBF - timpul mediu dintre avarii (Mean Time Between Failure) 

Este exprimată în ore și se referă la fiabilitate

Acest parametru este adesea înțeles gresit. Spre exemplu, o valoare MTBF de 700 000 de ore echivalează cu aproape 80 de ani. Bineînțeles că sursa de tenisune nu va funcționa optim în tot acest timp.

Metodele de calcul ale valorii MTBF au fost introduse în anul 1965 de către Armata Americană în publicația proprie MIL-HDBK-217. Aici au fost prezentate frecvența defecțiunilor diferitelor componente electronice: rezistențe, condensatori, tranzistori, etc. Manualul conținea și metodele de calcul pentru frecvența defecțiunilor. S-a dorit standardizarea metodelor de evaluare a fiabilității dispozitivelor electronice și echipamentului militar.

Pe lângă modelul de calcul prezentat în MIL-HDBK-217 au fost treptat introduse și alte modalități de calcul al MTBF. Printre acestea amintim: HRD5, Telcordia, RDB, lanțuri Markov, FMEA/FMECA, HALT, etc.

Cunoscând valoarea MTBF putem calcula probabilitatea defectării echipamentului înainte de expirarea timpului MTFB. În general, principiul este unul simplu: un MTBF mare implică o fiabilitate crescută.

Întotdeauna, valoarea MTBF va reprezenta timpul scurs până când fiabilitatea echipamentului ajunge la 36,6% 

Mai clar: 2,718 la puterea raportului dintre timpul de funcționare și MTBF luat cu semn schimbat

Să calculăm fiabilitatea (în procente) a unui echipament cu MTBF de 50 000 de ore.

Deci un echipament cu MTBF = 50 000 de ore are un procent de fiabilitate de 36,8% după ce au trecut cele 50 000 de ore de funcționare. Altfel spus, dupa 50 000 de ore de funcționare, dintre 100 de echipamente, aproximativ 37 vor mai funcționa corespunzător.

Să verficăm probabilitatea de avarie pe o perioadă de 3 ani pentru două surse de tensiune cu valori MTBF diferite.

1. MTBF = 50 000 ore, 3 ani = 3 ani x 24 ore x 365 zile = 26 280 ore, pe care le introducem în formulă:

Rezultatul arată că după trei ani, doar 59,1% dintre surse vor mai funcționa la parametrii optimi.

2. MTBF = 700 000 ore, 3 ani = 3 ani x 24 ore x 365 zile = 26 280 ore, pe care le introducem în formulă:

Acest rezultat are următoarea semnificație: un procent de 97,1% dintre surse vor mai funcționa corespunzător după trei ani.

În majoritatea cazurilor, MTBF-ul este specificat de producător doar pentru funcționare într-un mediu cu temperatură ambiantă de 25 °C. Ca regulă generală, cu fiecare 10 °C peste temperatura specificată, MTFB se împarte la patru. Variația mare între valorile MTBF ale diferitelor ecipamente este dată de nivelul de complexitate al acestora precum și de calitatea componentelor folosite.

Tensiune de ieșire (Output Voltage) 

Tensiunea de ieșire este acea tensiune ce trebuie menținută la bornele sursei când sarcina conectată absoarbe între 0 și 100% din puterea utilă. Zgomotul electric (riplul + vârfurile de tensiune + interferențe electromagnetice + zgomot termic) este o componentă interentă a tensiunii de ieșire în toate sursele de alimentare, în special ceele în comutație. Acesta este suprapus peste tensiunea de ieșire și poate avea o amplitudine de câteva sute de mVp-p. Echipamentele sensibile la aceste perturbații ale tensiunii de alimentare pot manifesta un comportament ciudat în timpul funcționării (ex:dungi orizontale pe imagine, purici de imagine, artefacte, etc.). În cazuri extreme, zgomotul electric poate cauza restartarea frecventă a echipamentului.

Imaginea de pe osciloscop a unui impuls tranzitoru într-o sursă în comutație de 12 V.

Răspuns dinamic la schimbările de solicitare (Dynamic Response) 

Fiecare sursă de alimentare trebuie să furnizeze sarcinii conectate o tensiune continuă fixă, indiferent de variația curentului absorbit. Atunci când apar schimări bruște de sarcină (pornirea/oprirea unui iluminator IR) între valori limită de consum (0-100%) acestea sunt însoțite de fluctuații ale teniunii de ieșire la bornele sursei ce pot afecta ceilalți consumatori conectați.

Majoritatea surselor în comutație au protecție la scurtcircuit și suprasarcină. Alegerea sursei trebuie să țină cont de tipul consumatorului ce va fi alimentat prin intermediul acesteia. Motoarele, becuri de putere, sarcini mari capacitive și inductive, etc. - cele cu caracteristici non-liniare pronunțate necesită la pornire un curent foarte mare care poate duce la declanșarea protecțiilor de pe intrare; sursa nu va mai porni. Pot exista situații în care o sursă de 12V, 50 W putere utilă, să nu pornească dacă este conectată la o sarcină care necesită 12 V, 30W.

În proiectarea unei surse sunt folosite diferite metode de protecție împotriva scurtcircuitului și suprasarcinii. Acestea trebuie să asigure protecție atât sursei cât și a consumatorului. Metodele cele mai comune vor fi discutate în cele ce urmează.

Mod Hiccup (Hiccup mode) 

O modalitate des folosită pentru a proteja sursa de tensiune împotriva situațiilor de supracurent este cea prin modul hiccup. Are ca avantaj pierderi minime de putere disipată sub formă de căldură în interiorul sursei precum și revenirea automată la regimul normal de funcționare după încetarea scurtcircuitului.

În timpul A se produce un scurtcircuit/suprasarcină. Sursa de alimentare este deconectată. Un impuls de curent de scurtă durată (~ 100milisecunde) dar de valoare foarte mare (cca. 150% din valoarea maximă admisă) apare la bornele sursei. Până la încetarea scurtcircuitului (B), acest puls de curent va apărea la bornele consumatorului de câteva ori pe secundă. Limita de declanșare a protecției (oprirea sursei) este în majoritatea cazurilor 110-150% din valoarea maximă a curentului debitat (I_out). De cele mai multe ori, protecția prin oprirea sursei este combinată cu cea termică. Dacă consumatorul absoarbe mai mult curent dar sub limita de declanșare, se activează protecția termică deconectând momentan sursa și comutând în regim de protecție hiccup.

Curba A - limiare de curent (Foldback Current Limiting)
Acestă protecție are aplicații și în cazul surselor liniare. Dacă curentul absorbit de sarcină crește (adică rezistența consumatorului scade), sursa va diminua rapid valoarea curentului funrnizat. Avantajul acestei metode sunt pierderile mici de putere în cazul scurtcircuitului sau suprasarcinii. Ca dazavantaj, sursa nu va funcționa dacă sarcina necesită un curent mare la pornire.

Curba B - curent constant (Constant Current Limiting)
Dacă curentul absorbit de sarcină crește, sursa va menține un curent constant dar va diminua în același timp tensiunea furnizată la bornele consumatorului. În paralel cu această protecție sursa poate fi programată să se oprească dacă tensiunea de ieșire scade sub o anumită valoare. Pierderile de putere disipate în sursă și curentul mare prin consumator sunt printre dezavantajele metodei. Sursele cu acest tip de protecție pot fi în schimb folosite pentru pornirea sarcinilor non-liniare.

Curba C - protecție la depășirea puterii (Over Power Limiting)
După depășirea curentului maxim, puterea furnizată de sursă rămâne constantă. Dacă sarcină crește, tensiunea și curentul furnizat de sursă se modifică conform curbei C. Această protecție permite alimentarea sarcinilor cu consum non-liniar.

Temperatura de lucru (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

În funcție de randamentul sursei, o parte din energia absorbită din rețeaua electrică este pierdută sub formă de căldură. În funcție de temperatura mediului ambiant, 25°C - 50°C, sursele de calitate, pot funcționa corespunzător chiar dacă în interiorul lor, temperatura atinge valori de 50, 75 sau chiar 95 de °C.

Este foarte important să înțelegem că temperatura de lucru afectează în mod direct durata de viață și implicit fiabilitatea echipamentului. Proiectarea unei surse în comutație este un proces complex, ce folosește un număr mare de componente electronice, amplasate foarte aproape unul de altul în interiorul carcasei. O temperatură interioară prea mare poate duce la deteriorarea sursei și scurtarea semnificativă a duratei de viață a acesteia. Există o dependență pronunțată între puterea utilă obținută și temperatură. Funcționarea la peste 50 °C trebuie evitată chiar dacă producătorii indică în specificațiile tehnice o temperatură de lucru cu mult peste această valoare.

După cum se vede, sursa poate furniza întreaga putere utilă doar dacă temperatura nu depășește 50 de °C. La 70 de °C sursa mai poate debita doar 50% din puterea utilă. (jumătate din curentul maxim)

Cel mai sensibile componente chair și la variați mici de temperaturii sunt condensatorii electrolitici. Fiecare sursă de alimentare, în special cele în comutație, are cel puțin trei sau patru condensatori de acest timp. Durata de viață (la o valoare a temperaturii de funcționare, maxim admisă) este poate cel mai important parametru specificat în fișa tehnică a unui condesator electrolitic. Durata de viață se dublează pentru fiecare scădere cu 10 °C a temperaturii. Ex: Un condensator electrolitic obișnuit are o durată de viață de 1 000 de ore la 105 °C.

Adică:

Condensatorul electrolitic nu se defectează în mod subit, imediat ce a fost depășită durata de viață ci treptat, mulți dintre parametrii caracteristici nu mai corespund cu valorile din fișa tehnică (capacitatea de stocare a energiei, rezistența echivalentă serie - parametrul ESR, etc.)

Așadar o temperatură scăzută implică o durată de funcționare îndelungată iar la rândul ei această caracteristică se traduce printr-un cost mai mare al condensatorului. Sursele ieftine folosesc întotdeauna componente cu durată mică de funcționare datorită prețului mic la care pot fi achiziționate.