Switched-mode strømforsyninger „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Switched mode strømforsyninger næsten fjernede fra markedet de traditionelle lineære strømforsyninger, og i øjeblikket de repræsenterer den mest populære og største gruppe af strømforsyninger. Deres fordel i forhold til lineære strømforsyninger er små dimensioner, lille vægt, høj effektivitet og kapacitet, samt god pris. Ulempen er graden af kompleksitet af udformning, samt en langt større grad af interferenser genereret af strømforsyningen og øget produktion interferens.

Det grundlæggende princip i betjening af switched mode strømforsyning 

I switched mode strømforsyninger benyttes impulsbreddemodulation PWM (Pulse Width Modulation), dvs. udgangsspænding strømforsyningen justeres ved hjælp af udskiftning af puls-duty faktor ved konstant, uændret frekvens.

Forkortelse af impulsvarigheden (t1) resulterer i fald i den gennemsnitlige værdi af udgangsspændingen (U _out ) og omvendt: forlængelse af impulsvarigheden (t1) resulterer i en stigning i den gennemsnitlige værdi af udgangsspændingen (U _ud ). Dette kan ses i ovenstående diagrammer:

Den gennemsnitlige værdi af udgangsspændingen kan let beregnes ved hjælp af formlen:

Skiftende netspænding, f.eks. 230 V (1), passerer gennem indgangsfilteret med LC elementer (3). Dette er et vigtigt element, der beskytter elnettet mod interferens, der opstår i strømforsyningen og beskytter strømforsyningen mod interferens fra elnettet. AC spænding ensrettes ved hjælp af en ensretterbro (4), og efter berigtigelse, som DC spændingen når transformeren (8), som er kilet af en transistor (5), også kaldet en switch. Transistoren tænder og slukker en strøm af rektangulær bølgeform ved definerede frekvens (mulige inden for området fra 20 kHz til flere hundrede kHz og endda MHz) ved anvendelse af en impulsbreddemodulation PWM. Transistoren styres ved hjælp af feedback-kredsløb (6, 7), som består af en optisk isolator og PWM controller (driver). Systemet kontrollerer hvad er udgangsspændingen, og afhængigt af, om det vokser eller aftager, ændrer bredden af ​​pulsen (fylde), ved at styre transistor og tilpasser det på en sådan måde, at udgangen har altid konstant spænding. Dette system kontrollerer udgangsspændingen, kører med høj hastighed, som gør det muligt at opretholde den konstante udgangsspænding og rette ændringerne til at holde på samme niveau, hvis udgangsspændingen øges eller mindskes. Rektangulær spænding på transformerens udgang (8) ensrettes (9) og passerer derefter gennem udgangsfiltret (10), som bør "låse" de højere harmoniske og interferenser genereret af driften af ​​omformeren. På udgangen (11) af switched mode strømforsyning opnå vi konstant spænding.

Nogle forslag til hvilke parametre, vi bør være opmærksomme på, når vi vælger den switched mode strømforsyning. 

(Input Voltage) indgangsspænding 

I Polen og Den Europæiske Union spændingen i elnettet er 230 V AC (undtagelsen er Storbritannien - 240 V AC). Standarderne tillader 10% afvigelse, dvs. spændingen fra netværket varierer fra 207 V til 253 V AC. Så det er værd at vælge en strømforsyning med en bred vifte af indgangsspænding, f.eks. 100-264 V AC.

(Max Inrush Current) startstrøm 

Efter strømforsyningen er tændt er der en stor strømpuls, som kan nå høje værdier afhængigt af kapaciteten i strømforsyningen, for rækkevidde af flere dusin ampere, der varer op til 1 periode, dvs. på en frekvens på 50 Hz AC til 20 ms. Dette fænomen er forårsaget af opladning af indgangskondensatorer. Dette kan skabe et problem, for eksempel når der tændes for flere strømforsyninger på samme tid, eller ved hjælp af stærkere strømforsyning. En stor startstrøm kan forårsage udløsning af beskyttelsessystemer i elnettet (sikringer, overbelastningsafbrydere, osv.). For at finde en vej ud af denne situation er det nødvendigt at ændre overstrømssikringer til type C eller D.

Effektivitet (Efficiency) 

Dette er forholdet mellem udgangseffekt af konstant strøm (opgivet af strømforsyningen) til effektoptag for vekselstrøm (taget fra elnettet), udtrykt i procent.

Effektivitet er markeret med græske alfabet bogstav, "eta": η . I alle enheder, der behandler energi den del af magt er tabt, og det er grunden til, at effektiviteten tillader estimering af strømsvigtet. Man skal være opmærksom på denne parameter, fordi jo højere effektivitet, jo mindre energi tabt, hvilket resulterer i lavere temperatur inde i strømforsyningen, og dermed også øget pålidelighed og forlænget levetiden af enheden. I øjeblikket fremstilles strømforsyninger på effektiviteten op til> 90% (strømforsyning / lineære transformere har lav energieffektivitet, der ikke overstiger 50%).

Eksempel 1.
Vi har strømforsyning med udgangseffekt på 100 W, der tager fra elnettet 117.6 W. Lad os beregne dens effektivitet.

I de fleste tilfælde omfatter strømforsyningen teknisk specifikation af udgangseffekt og effektivitet. Producenter ikke angiver i specifikationen, hvor meget strøm der forbruges af strømforsyningen. Vi kan nemt beregne det, ved at erstatte værdier til den konverterede formel.

Eksempel 2.
Vi har strømforsyning med udgangseffekt på 150 W og effektivitet på 86%. Lad os beregne, hvor meget strøm der er taget fra elnettet.

Vi kan også nemt beregne, hvor meget strøm der er tabt som varme i denne strømforsyning (P_d - strømsvigt), ved at anvende en simpel formel (vi trækker kraften givet op fra den forbrugte effekt).

I dette tilfælde 24,4 W er tabt som varme, naturligvis ved fuld belastning. Disse 24,4 W øger temperaturen inde i huset, og opvarmer de interne komponenter.

MTBF - middeltid mellem fejl (Mean Time Between Failure) 

Det udtrykkes i timer og denne information refererer til pålidelighed.

Meget ofte denne parameter misfortolkes. For eksempel MTBF af strømforsyningen udgør 700 000 timer, dvs. næsten 80 år. Det betyder ikke, at strømforsyningen fungerer fejlfrit al denne tid.

De måder og metoder til beregning af MTBF er blevet indført af den amerikanske hær i 1965 sammen med offentliggørelsen af MIL-HDBK-217 model. Den indeholdt frekvensen af ulykker til forskellige elektroniske komponenter, f.eks kondensatorer, modstande, transistorer. I denne model blev der metoder til beregning af dumpeprocent offentliggjort. Dette blev rettet mod standardisering af metoderne til evaluering af pålideligheden af elektroniske apparater og militært udstyr.

Bortset fra MIL-HDBK-217 model, er der også andre måder til at beregne MTBF, som vi kan finde i specifikationer af elektroniske enheder. Alle modeller har forskellige algoritmer til beregning af pålidelighed. Eksempler på metoder: HRD5, Telcordia, RBD, Markov model, FMEA / FMECA, træ af skader, HALT.

Hvis vi kender MTBF tiden, kan vi beregne sandsynligheden for at beskadige udstyret inden udløbet af MTBF tiden. Dette er meget nyttig information, der gør det muligt, at vurdere antallet af systemfejl. Generelt er princippet enkel: jo højere MTBF, desto mere pålidelige enhed.

Lad os huske, at MTBF altid betyder tiden, efter hvilken pålideligheden af enheden går ned til 36,8%. 

I ord: 2,718 opløftet til en negativ effekt af arbejdstiden divideret med MTBF.

Lad os beregne fejl ved enheden, hvor MTBF udgør 50 000 timer efter udløbet af 50 000 timer.

Så enheden med MTBF = 50 000 timer har pålideligheden af 36,8% efter udløbet af 50 000 timer. Med andre ord, efter en periode på 50 000 timer er det sandsynligt, at for hver 100 ~ 37 enheder vil være effektivt og 63 vil være underlagt fejl.

Lad os kontrollere sandsynligheden for en fejl inden for 3 år for f.eks. to strømforsyninger med forskellige MTBF.

1. MTBF = 50 000 timer, 3 år = 3 år x 24 timer x 365 dage = 26 280 timer, og vi erstatter i formlen:

Dette resultat viser sandsynligheden for, at efter 3 år, vil 59,1% af strømforsyninger fungerer fejlfrit (fx for hver 100 enheder ~ 59 vil være funktionsdygtig, og 41 vil funktionsfejl).

2. MTBF = 700 000 timer, 3 år = 3 år x 24 timer x 365 dage = 26 280 timer, og vi erstatter i formlen.

Dette eksempel viser sandsynligheden for, at efter 3 år, vil 97,1% af strømforsyninger fungerer fejlfrit (fx for hver 100 enheder ~ 97 vil kunne betjenes, og 3 vil have funktionsfejl).

I de fleste tilfælde MTBF parameteren er angivet af fabrikanten i forhold til drift ved enheden ved en omgivende temperatur på 25 ° C. Når der arbejdes ved højere temperaturer, gælder reglen at forøgelse af temperaturen med 10 ° C vil resultere i to-gange reduktion i MTBF værdi. Hvorfor nogle enheder har høje MTBF og andre lave MTBF? Forskellene skyldes kvaliteten af anvendte elementer og graden af kompleksitet af enheden. Ikke alle producenter inkluderer denne parameter i de tekniske specifikationer.

(Output Voltage) udgangsspænding 

Udgangsspændingen er den spænding, der skal stabiliseres med ændringer i belastningen af strømforsyningen fra 0 til 100%. Man må indse, at i al magt forsyninger, lyde, pulsering og interferens er overlejret på udgangsspændingen. De kan have en amplitude på op til flere hundrede MVP-s. Undertiden for stor værdi af pulsation af udgangsspændingen kan give problemer, hvis den motordrevne anordning er modtagelig for pulsation, f.eks. distraktioner i billedet fra videokameraet i CCTV applikationer eller hyppige genstarter af enhver elektronisk enhed.

Nedenfor vil du finde et øjebliksbillede af oscillogram af spænding pulsation på 12 V switched mode strømforsyning.

(Dynamic Response) dynamisk respons til trin ændringer i belastningen 

Hver strømforsyning skal give en belastning med udgangsspænding på konstant værdi, som ikke ændrer sig med ændringen af belastningsstrømmen. Men nogle gange forekommer de trinvise ændringer i belastningen (f.eks. tænding / slukning af infrarød illuminator i CCTV videokamera eller tænding / slukning for ekstra belastning). Med ændringen i belastningen fra 0 til 100% (eller omvendt) interferens og udgangsspændingsudsving vises, hvilket kan påvirke funktionen af andre enheder tilsluttet til strømforsyningen.

De fleste af switched mode strømforsyninger er udstyret med beskyttelse af udgangssystemer mod kortslutning og overbelastning. Fordi der anvendes forskellige måder af beskyttelse, er det nødvendigt at vælge korrekt strømforsyningen til belastningstypen. Motorer, pærer, masser af høj kapacitet, induktans, osv, dvs. de såkaldte belastninger med ikke-lineære egenskaber, kan have brug for en stor strømpuls i starten, som i høj grad overskrider den maksimale mærkestrøm af strømforsyningen. Dette kan medføre udløsning af beskyttelse og forhindre at tænde for strømmen. Det kan ske i praksis, at strømforsyningen, f.eks 12 V, 50 W vil ikke være i stand til at starte efter tilslutning af belastning på 12 V 30 W (f.eks. pære, motor).

Designere af strømforsyninger anvender forskellige metoder til beskyttelse mod kortslutning og overbelastning. Beskyttelsen bør beskytte strømforsyningen og belastningen. De mest almindelige er beskrevet nedenfor.

Hiccup tilstand (Hiccup mode) 

Dette er en beskyttelse, der anvendes meget ofte (på engelsk hiccup - hikke), dens fordel er lave tab magt i strømforsyningen i tilfælde af overbelastning eller kortslutning og automatisk tilbagevending til normal drift efter at årsagen til kortslutning eller overbelastning ophører med at eksistere.

I tiden af A en overbelastning eller kortslutning opstår. Strømforsyning er afbrudt. En strømimpuls vises på udgangen af meget kort varighed (f.eks. 100 ms), og værdien af op til 150% af den maksimale strøm. Strømforsyningen sender denne puls hvert par sekunder, indtil årsagen til overbelastning eller kortslutning (B) ophører med at eksistere, derefter fortsætter til normal drift. Tærskelbeskyttelsesniveau til denne beskyttelse (strømforsyning nedlukning) er indstillet i de fleste tilfælde på 110-150% af den nominelle strøm (I_out). Oftest denne tilstand er integreret med termisk beskyttelse. Hvis belastningen kræver mere strøm end mærkestrøm, men mindre end tærskelbeskyttelsesniveauet så efter kort tid, den termiske beskyttelse tænder ved at afbryde strømforsyningen og strømforsyningen går til hiccup tilstand, indtil årsagen til overbelastning ophører med at eksistere.

Kurv A - nuværende begrænsning (Foldback Current Limiting)
Denne type beskyttelse også anvendes i lineære strømforsyninger. Overskridelse af maksimale strøm (reduktion af belastningsmodstand) efterfølges af sin reduktion (fald). Med andre ord, hvis belastningsmodstanden er faldende, så sker strømreduktion. Fordelen ved denne løsning er lave strømsvigt i strømforsyningen i tilfælde af overbelastning eller kortslutning. Men med denne løsning strømforsyningen starter ikke ved en belastning med en høj startstrøm (f.eks. store kapacitet).

Kurv B - nuværende stabilisering (Constant Current Limiting)
Efter overskridelse af den maksimale strøm (faldende belastningsmodstand), strømforsyningen opretholder konstant udgangsstrøm uanset overbelastningsværdien, mens udgangsspændingen falder. Også den anden beskyttelse bruges ofte, da den slukker for strømmen, når spændingen falder til et par volt. Den store ulempe ved denne metode er stor effekttab i strømforsyningen og store strøm gennem belastningen, der kan medføre skader. Denne type beskyttelse tillader opstart af strømforsyningen på belastninger af ikke-lineære egenskaber.

Kurv C - strømbegrænser (Over Power Limiting)
Efter overskridelse af den maksimale strøm (faldende belastningsmodstand) udgangseffekten af strømforsyningen forbliver konstant. Sammen med en ændring af belastningen spændingen og udgangsstrømmen falder i overensstemmelse med C-egenskaber. Denne type beskyttelse tillader opstart af strømforsyningen på belastninger af ikke-lineære egenskaber.

Arbejdstemperatur (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

Afhængigt af effektiviteten af strømforsyningen, en del af energi leveret til strømforsyningen bliver tabt som varme, temperaturen inde i strømforsyningen vokser i forhold til udetemperaturen. De højkvalitetsstrømforsyninger, der arbejder ved en temperatur på 25°C, kan opvarmes til 50-70°C. Ved omgivende temperatur på 50°C, kan de varme op til 75-95°C.

Det er meget vigtigt at indse, at arbejdstemperaturen påvirker direkte enhedens levetid og dens pålidelighed. Switched mode strømforsyninger har kompleksbundet design og består af et stort antal elektroniske komponenter, som kan placeres tæt på hinanden inden i huset af strømforsyningen. For høj indre temperatur kan føre til beskadigelse af strømforsyningen og markant forkorte batteriets levetid. Bemærk, at der er stærk afhængighed af udgangseffekt og temperatur. Driften af strømforsyningen ved temperaturer over 50°C bør absolut undgås, selv om producenterne ofte indikerer arbejdstemperatur i denne værdi. I så fald anbefales det, at grundigt undersøge den tekniske dokumentation.

Som vist i figuren, kan strømforsyningen give belastningen med fuld kraft, men kun til en temperatur på 50°C. Ved arbejde ved en temperatur på 70°C, kan anordningen belastes i 50%, dvs. halvdelen af maksimal strøm.

De mest følsomme komponenter overfor temperaturstigning er elektrolytkondensatorer. Faktisk enhver strømforsyning indeholder få stykker af sådanne elementer. Producenterne af kondensatorer indikerer væsentlig parameter, dvs. såkaldte levetid, for den maksimale driftstemperatur. Reducering af temperaturen med 10°C resulterer i fordobling af en levetid på elektrolytisk kondensator. For eksempel levetiden på en standard elektrolytisk kondensatorer er 1 000 timer ved en temperatur på 105°C.

Det er:

Disse levetider er ikke ensbetydende med enden på livet af en kondensator, kun tiden, efter hvilken sker en væsentlig forringelse af dens parametre såsom (kapacitet, seriel modstand, osv.), som oftest fører til forskellige driftsfejl.

Som ovenstående eksempel viser, den lavere temperatur = længere levetid. Levetiden for disse kondensatorer er flere gange længere, men dette giver sig udslag i en højere pris. Det er op til fabrikanten, hvilke komponenter der anvendes. I billige strømforsyninger anvendes ingen dyre dele med længere levetid.