Switchandenätdelar „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Switchandenätdelar har praktiskt ersatt de traditionella linjära nätadaptrarna och nu är det den mest populära och största nätadaptergruppen på marknaden. Deras fördel i förhållande till linjära nätadaptrar är små dimensioner, låg vikt, hög verkningsgrad och effektivitet samt bra pris. Nackdelar är komplicerad konstruktion och större störningsnivå som avges av nätadapter samt större störningsnivå på utgång.

Funktionsprincip av switchandenätdel 

I switchandenätdelar använder man pulsbreddsmodulering PWM (Pulse Width Modulation), dvs. nätadapterns utgående spänning justeras med ändring av pulskvot vid konstant, oförändrad frekvens.

Förkortning av pulslängd (t1) orsakar minskning av medelvärde för utgående spänning (U_out) och tvärtom: förlängning av pulslängd (t1) orsakar ökning av medelvärde för utgående spänning (U_out). Detta visas på diagram ovan:

Medelvärdet av spänning på utgången kan enkelt beräknas med denna formel:

Växelspänning, t.ex. 230 V (1) går över ingående filter med LC-element (3). Det är ett viktigt element som skyddar kraftnätet mot störningar som uppstår i nätadaptern och skyddar nätadaptern mot störningar från kraftnätet. Växelspänning likriktas med likriktarbrygga (4) och därefter som likspänning kommer fram till transformator (8) som kodas av transistor (5) som ofta kallas för omkopplare. Transistorn slår på och av ström med rektangulär form vid definierad frekvens (från 20 kHz till några hundra kHz och även MHz) genom att använda PWM pulsbreddsmodulering. Transistorn styrs med återkopplingssystem (6, 7) som består av opto-isolator och PWM kontroller (styrenhet). Systemet undersöker spänning på utgången och beroende om den ökar eller minskar, ändrar pulsbredden (pulskvot) genom att styra transistor och justera så att på utgången alltid är likspänning. Vid undersökning av spänning på utgången fungerar systemet med hög hastighet, vilket låter att behålla utgående likspänning och med ökning eller minskning korrigerar ändringar omedelbart för att behålla den på liknivå. Rektangulär spänning på transformatorns utgång (8) likriktas (9) och passerar utgående filter (10) som ska blockera högre övertoner och störningar som genereras av omvandlaren. På switchandenätdelens utgång (11) får man en stabiliserad likspänning.

Några frågor som ska tas hänsyn till när man väljer en switchandenätdel. 

Ingående spänning (Input Voltage) 

I Polen och EU är spänning i kraftnät på 230 V AC (undantag är Storbritannien - 240 V AC). Standarder tillåter avvikelse 10%, dvs. spänningen får variera från 207 V till 253 V AC. Det är bra att välja en nätadapter med ett brett område för ingående spänning, t.ex. 100-264 V AC.

Startström (Max Inrush Current) 

Efter nätadapterns aktivering dyker det upp en hög strömpuls som kan uppnå höga värden beroende på nätadapterns effekt, på flera dussin ampere som varar upp till en period, dvs. vid frekvens på 50 Hz AC till 20 ms. Detta fenomen orsakas av laddning av ingående kondensatorer. Det kan vara ett problem t.ex. om några nätadaptrar aktiveras samtidigt eller om man använder nätadapter med högre effekt. En hög uppstartström kan utlösa skyddsanordningar i kraftnätet (säkringar, överlastbrytare osv.). Lösningen är byte av överströmssäkringar till C eller D typ.

Intermittens (Efficiency) 

Det är ett förhållande av utgående effekt för likström (som ges tillbaka av nätadaptern) till ingående effekt för växelström (som dras från kraftnätet) uttryckt i procent.

Verkningsgrad anges med den grekiska bokstaven „eta”: η. I varje enhet som omvandlar energi går en del den effekt som förbrukas förlorat och det är verkningsgraden som låter uppskatta förlusteffekt. Till denna parameter ska man lägga märke eftersom ju högre verkningsgrad desto mindre energi förloras vilket gör att inuti nätadaptern är lägre temperatur och det leder till högre säkerhet och förlängning av enhetens livslängd. Switchandenätdelar som tillverkas idag uppnår verkningsgrad även > 90% (nätadaptrar med transformator och linjära nätadaptrar har en låg verkningsgrad som inte överskrider 50%).

Exempel 1.
VI har en nätadapter med utgående effekt på 100 W, som förbrukar 117,6 W. Vi beräknar dess verkningsgrad.

Oftast anges i tekniska data utgående effekt och verkningsgrad. Tillverkare brukar inte ange hur mycket effekt förbrukar en nätadapter. De kan enkelt beräknas genom att ersätta den omformade formeln.

Exempel 2.
Vi har en nätadapter med utgående effekt på 150 W och 86% verkningsgrad. Vi beräknar vilken effekt dras från kraftnätet.

Vi kan enkelt beräkna hur mycket effekt går förlorat till värme i denna nätadapter (P_d – förlusteffekt) genom att använda en enkel formel (vi subtraherar den effekt som ges tillbaka från den som förbrukats).

I detta fall går 24,4 W förlorat till värme, förstås vi full belastning. Dessa 24,4 W ökar temperatur inne i höljet och värmer upp de inre komponenterna.

MTBF - genomsnittlig tid mellan fel (Mean Time Between Failure) 

Den uttrycks i timmar och meddelar om enhetens driftsäkerhet.

Mycket ofta tolkas denna parameter inkorrekt. Till exempel nätadapterns MTBF är 700 000 timmar dvs. nästan 80 år. Detta innebär inte att nätadaptern kommer att fungera felfritt under så lång tid.

Sätt och metoder för att beräkna MTBF infördes av den amerikanska armén 1965 med publicering av modellen MIL-HDBK-217. Den innehåller felfrekvens för olika elektroniska komponenter, t.ex. kondensatorer, motstånd, transistorer. I denna modell har publicerats metoder för att beräkna felfrekvens. Syftet var att standardisera metoder för bedömning av driftsäkerhet av elektroniska enheter och militär utrustning.

Förutom modellen MIL-HDBK-217 använder man också andra metoder för att beräkna MTBF som kan förekomma i datablad för elektroniska enheter. Alla modeller har olika algoritmer för att beräkna driftsäkerhet. Exempel på metoder: HRD5, Telcordia, RBD, Markovmodell, FMEA/FMECA, felträd, HALT.

Om vi vet MTBF tid kan vi beräkna sannolikhet för enhetens fel innan MTBF tiden utgår. Det är en mycket användbar information som låter att uppskatta systemets felintensitet. Principen är enkel: ju högre MTBF, desto driftsäkrare enhet.

Man ska komma ihåg att MTBF alltid innebär den tid efter vilken enhetens driftsäkerhet minskas till 36,8%. 

Med bokstäver: 2,718 höjas till en negativ effekt av arbetstid delat med MTBF.

Vi ska beräkna enhetens felintensitet vars MTBF är 50 000 timmar efter 50 000 timmar.

Alltså en enhet med MTBF på 50 000 timmar har driftsäkerhet 36,8% efter 50 000 timmar. Med andra ord, efter 50 000 timmar är det sannolikt att per 100 enheter ska ~37 fungera korrekt och 63 ska drabbas av fel.

Låt oss beräkna sannolikheten för fel inom 3 år för t.ex. två nätadaptrar med olika MTBF.

1. MTBF = 50 000 timmar, 3 år = 3 år x 24 timmar x 365 dagar = 26 280 timmar och vi ersätter formeln.

Resultatet visar sannolikhet att efter 3 år ska 59,1% nätadaptrar fungera felfritt (t.ex. per 100 enheter ska ~59 vara felfria och 41 ska drabbas av fel).

2. MTBF = 700 000 timmar, 3 år = 3 år x 24 timmar x 365 dagar = 26 280 timmar och vi ersätter formeln.

Detta fall visar sannolikhet att efter 3 år ska 97,1% nätadaptrar fungera felfritt (t.ex. per 100 enheter ska ~97 vara felfria och 3 ska drabbas av fel).

Oftast anger tillverkare MTBF i förhållande till enhetens drift vid omgivningstemperatur på 25°C. Vid drift vid högre temperaturer gäller principen att ökning av omgivningstemperaturen med 10°C orsakar dubbelökning av MTBF. Varför har några enheter hög och andra låg MTBF? Skillnader beror på komponenternas kvalitet och enhetens komplexitetsnivå. Inte alla tillverkare placerar denna parameter i tekniska data.

Utgående spänning (Output Voltage) 

Utgående spänning är en spänning som ska stabiliseras vid nätadapterns laständringar från 0 till 100 %. Man ska komma ihåg att i alla nätadaptrar på utgående likspänning överlagras brus, pulseringar och störningar. De kan ha en amplitud upp till flera hundra mVp-p. Ibland för stort värde av pulserande utgående spänning kan orsaka problem om den enhet som strömförsörjs är känslig för pulseringar, t.ex. störningar i bilden från kameran i CCTV-applikationer eller frekventa omstarter av någon elektronisk enhet.

Nedan visas en skärmdump av oscillogram av spänningspulseringar från switchandenätdel 12 V.

Dynamisk respons (Dynamic Response) 

Varje nätadapter ska leverera till lasten utgående spänning på ett konstant värde som inte förändras med förändring av lastström. Men ibland förekommer det stegvisa ändringar av last (t.ex. påslagning/avstängning av IR-belysare i övervakningskamera eller påslagning/avstängning av extra last). Vid laständring från 0 till 100% (eller tvärtom) förekommer störningar och svängningar av utgående spänning som kan påverka drift av andra enheter anslutna till nätadaptern.

De flesta switchandenätdelarna är utrustade med system som skyddar utgången mot kortslutning och överbelastning. Eftersom använder man olika typer av säkerhetsanordningar, ska man korrekt anpassa nätadapter till belastningstyp. Motorer, glödlampor, last med stor kapacitet, induktans osv., sk. icke-linjära laster, kan behöva en stor strömpuls vid uppstart som betydligt överskrider nätadapterns maximala markström. Detta kan utlösa skyddsanordningarna och omöjliggöra aktivering av nätadaptern. Det kan visa sig att en nätadapter, t.ex. 12 V 50 W, inte kan startas efter anslutning av lasten 12 V 30 W (t.ex. glödljus, motor).

Konstruktörer av nätadaptrar använder olika metoder för att skydda dem mot kortslutningar och överbelastningar. Skyddsanordningarna ska skydda nätadaptern och lasten. Nedan beskrivs de som förekommer oftast.

Hiccup läge (Hiccup mode) 

Det är ett skydd som används mycket ofta (från eng. hiccup – hickning) och dess fördel är små effektförluster i nätadaptrar vid överbelastning eller kortslutning samt automatisk återställning till normal drift efter hantering av problemet.

Under tiden A förekommer överbelastning eller kortslutning. Strömförsörjningen bryts. På utgången förekommer en strömpuls med mycket kort livstid (t.ex. 10 ms) och värde upp till 150% av maximalströmmen. Nätadaptern skickar varje några sekunder denna puls tills orsaken av överbelastning eller kortslutning åtgärdats (B), därefter återkommer till normal drift. Tröskelvärde för skyddsutlösning (avstängning av nätadaptern) är i de flesta fall inställd på 110-150% av märkström (I_out). Oftast är detta läge integrerat med överhettningsskydd. Om lasten drar en större ström än märkströmmen, men mindre än tröskelvärdet för skyddsutlösning, ska efter en kort tid aktiveras ett termiskt skydd som bryter strömförsörjning och nätadaptern går över till hiccup läge tills överbelastningens orsak åtgärdats.

A-kurvan – strömbegränsning (Foldback Current Limiting)
Denna typ av skydd används också i linjära nätadaptrar. Efter överskridande av den maximala strömmen (minskning i belastningsmotstånd) reduceras den (minskas). Med andra ord, om lastens resistans minskas, förekommer reducering av strömvärde. Fördelen är små effektförluster i nätadaptrar vid överbelastning eller kortslutning. Men vid denna lösning ska nätadaptern inte startas vid last med hög startström (t.ex. stor kapacitet).

B-kurvan – strömstabilisering (Constant Current Limiting)
Efter överskridande av den maximala strömmen (minskning i belastningsmotstånd) upprätthåller nätadaptern en konstant utgående ström oavsett överbelastningsvärdet, medan den utgående spänningen minskar. Ofta använder man också ett andra skydd som stänger av nätadaptern om spänningen faller till några Volt. En stor nackdel med denna metod är stora effektförluster i nätadapterns och hög ström som flödar genom lasten vilket kan leda till skador. Denna typ av skydd möjliggör uppstart av nätadaptern vid icke-linjära laster.

C-kurvan – effektbegränsning (Over Power Limiting)
Efter överskridande av den maximala strömmen (minskning i belastningsmotstånd) förblir nätadapterns utgående effekt konstant. Med lastökning minskas spänning och utgående ström enligt C karakteristik. Denna typ av skydd möjliggör uppstart av nätadaptern vid icke-linjära laster.

Drifttemperatur (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Beroende på nätadapterns verkningsgrad går en del av energi som levererats till nätadaptern förlorat till värme, temperatur inne i nätadaptern ökar i förhållande till yttertemperatur. Högkvalitativa nätadaptrar som fungerar i temperatur på 25°C, kan värmas upp till 50–70°C. Vid omgivningstemperatur på 50°C kan de värmas upp till 75–95°C.

Man ska vara medveten om att drifttemperaturen direkt påverkar enhetens livslängd och driftsäkerhet. Switchandenätdelar har en komplicerad konstruktion och består av många elektroniska komponenter som ska sitta nära varandra inom nätadapterns hölje. För hög innertemperatur kan skada nätadaptern och förkorta betydligt dess livslängd. Kom ihåg att den utgående effekten beror mycket på temperaturen. Man ska nödvändigt undvika nätadapterns drift vid temperatur över 50°C trots att tillverkare ofta anger ett högre värde. I så fall måste man läsa tekniska data.

Enligt bilden kan nätadaptern leverera till belastningen full effekt, men endast upp till 50°C. Vid drift i 70°C kan enheten belastas med 50% alltså med hälften av den maximala strömmen.

Mest känsliga för temperaturökning är elektrolytiska kondensatorer. Varje nätadapter innehåller några stycken. Tillverkare av kondensatorer anger en viktig parameter, sk. livslängd, för maximal driftstemperatur. Temperaturminskning med 10°C förlänger den elektrolytiska kondensatorns livslängd två gånger. T.ex. elektrolytiska standardkondensatorer har livslängd på 1 000 timmar vid temperatur 105°C.

Alltså:

Dessa tider innebär inte slut på kondensatorns liv utan den tid efter vilken sker en betydlig degradering av dess parametrar (kapacitet, serieresistans osv.) vilket oftare leder till fel.

Som man ser på det ovanstående exemplet: lägre temperatur = längre livslängd. Det finns kondensatorer med några gånger längre livslängd, men de kostar mer. Det är tillverkaren som bestämmer vilka undersystem den ska välja. I billiga nätadaptrar använder man inte dyrare delar, med längre livslängd.