TopSłownik technicznyZasilacze impulsowe „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Zasilacze impulsowe „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Zasilacze impulsowe praktycznie wyparły z rynku tradycyjne zasilacze liniowe i jest to obecnie najpopularniejsza i największa grupa zasilaczy. Ich zaletą w stosunku do zasilaczy liniowych są małe gabaryty, niewielki ciężar, wysoka sprawność i wydajność, a także dobra cena. Wadę stanowią stopień skomplikowania konstrukcji, a także dużo większy poziom zakłóceń generowanych przez zasilacz oraz zwiększony poziom zakłóceń na wyjściu.

 

Najczęściej spotykane typy zasilaczy impulsowych:

 

A - desktop

B - modułowe

C - LED

D - wtyczkowe

E - na szynę DIN

Podstawowa zasada działania zasilacza impulsowego 

W zasilaczach impulsowych wykorzystuje się modulację szerokości impulsu PWM (Pulse Width Modulation), czyli napięcie wyjściowe zasilacza regulowane jest za pomocą zmiany współczynnika wypełnienia przy stałej, niezmienionej częstotliwości.

 

Rysunek poniżej pokazuje zasadę działania PWM.

 

U - napięcie

t - czas

Uin - napięcie wejściowe

Uout - napięcie wyjściowe

T - okres (ilość okresów na sekundę to częstotliwość wyrażona w Hz, kHz albo MHz)

t1 - czas trwania impulsu (stan wysoki)

t2 - brak impulsu

Skrócenie czasu trwania impulsu (t1) skutkuje zmniejszeniem średniej wartości napięcia wyjściowego (Uout) i odwrotnie: wydłużenie czasu trwania impulsu (t1) skutkuje zwiększeniem średniej wartości napięcia wyjściowego (Uout). Widać to na wykresach powyżej:

  • po lewej mały współczynnik wypełnienia – mniejsza wartość napięcia wyjściowego Uout,
  • po prawej duży współczynnik wypełnienia – większa wartość napięcia wyjściowego Uout.

     

  • Wartość średnią napięcia na wyjściu można łatwo obliczyć za pomocą wzoru:

     

    Schemat i opis pokazujące zasadę działania zasilacza impulsowego:

     

    1 - wejście napięcia przemiennego

    2 - bezpiecznik

    3 - filtr wejściowy

    4 - układ prostowniczy w postaci mostka Graetza

    5 - tranzystor kluczujący

    6 - kontroler PWM

    7 - optoizolator (izolacja galwaniczna)

    8 - transformator impulsowy

    9 - prostownik

    10 - filtr wyjściowy

    11 - wyjście napięcia stałego

    Napięcie przemienne sieciowe, np. 230 V (1), przechodzi przez filtr wejściowy z elementami LC (3). Jest to ważny element, który chroni sieć energetyczną przed zakłóceniami powstającymi w zasilaczu oraz ochrania zasilacz przed zakłóceniami pochodzącymi z sieci energetycznej. Napięcie przemienne jest prostowane przy pomocy mostka prostowniczego (4) i po wyprostowaniu, jako napięcie stałe, dochodzi do transformatora (8), który jest kluczowany przez tranzystor (5), czasami zwanym przełącznikiem. Tranzystor włącza i wyłącza prąd o przebiegu prostokątnym z określoną częstotliwością (możliwą w zakresie od 20 kHz do kilkuset kHz, a nawet MHz), wykorzystując modulację szerokości impulsu PWM. Tranzystor sterowany jest za pomocą układu sprzężenia zwrotnego (6, 7), który składa się z optoizolatora i kontrolera (sterownika) PWM. Układ bada, jakie jest napięcie na wyjściu i w zależności od tego, czy wzrasta, czy maleje, zmienia szerokość impulsu (wypełnienie), sterując tranzystorem i regulując je tak, aby na wyjściu zawsze było stałe napięcie. Układ ten, badając napięcie na wyjściu, działa z dużą szybkością, co pozwala utrzymywać stałe napięcie wyjściowe i w miarę jak rośnie lub maleje natychmiast korygować zmiany, aby było utrzymywane na stałym poziomie. Napięcie prostokątne na wyjściu transformatora (8) jest prostowane (9) i następnie przechodzi przez filtr wyjściowy (10), który powinien „zablokować” wyższe harmoniczne i zakłócenia generowane przez pracę przetwornicy. Na wyjściu (11) zasilacza impulsowego uzyskujemy stabilizowane napięcie stałe.

     

    Kilka sugestii, na jakie parametry należy zwrócić uwagę, wybierając zasilacz impulsowy. 

    Napięcie wejściowe (Input Voltage) 

    W Polsce i Unii Europejskiej napięcie w sieci energetycznej wynosi 230 V AC (wyjątkiem jest Wielka Brytania – 240 V AC). Normy dopuszczają odchylenie 10%, czyli napięcie sieciowe może wahać się od 207 V do 253 V AC. Warto więc dobrać zasilacz z szerokim zakresem napięć wejściowych, np. 100–264 V AC.

     

    Prąd rozruchu (Max Inrush Current) 

    Po włączeniu zasilacza pojawia się duży impuls prądowy, który może osiągać duże wartości w zależności od mocy zasilacza, rzędu kilkudziesięciu amperów, trwające do 1 okresu, czyli przy częstotliwości 50 Hz AC do 20 ms. Zjawisko to powodowane jest ładowaniem kondensatorów wejściowych. Może to stanowić problem np. przy jednoczesnym załączaniu kilku zasilaczy albo użyciu zasilacza o większej mocy. Duży prąd rozruchowy może spowodować zadziałanie zabezpieczeń w sieci energetycznej (bezpieczników, wyłączników nadmiarowych itp.). Wyjściem z tej sytuacji jest zmiana bezpieczników nadprądowych na typ C lub D.

     

    Sprawność (Efficiency) 

    Jest to stosunek mocy wyjściowej prądu stałego (oddawanej przez zasilacz) do mocy wejściowej prądu przemiennego (pobieranej z sieci) wyrażony w procentach.

     

    Sprawność oznacza się literą alfabetu greckiego „eta”: η. W każdym urządzeniu przetwarzającym energię część mocy pobieranej idzie na straty i właśnie sprawność pozwala oszacować moc strat. Na ten parametr należy zwrócić uwagę, ponieważ im wyższa sprawność, tym mniej energii idzie na straty, co powoduje, że wewnątrz zasilacza będzie niższa temperatura, a to skutkuje zwiększeniem niezawodności i wydłużeniem czasu życia urządzenia. Obecnie produkowane zasilacze impulsowe osiągają nawet sprawność > 90% (zasilacze transformatorowe/liniowe mają małą sprawność energetyczną, nieprzekraczającą 50%).

     

    Wzór na sprawność:

     

    η – sprawność wyrażona w procentach

    Pout – moc wyjściowa

    Pin - moc wejściowa

    Przykład 1.
    Mamy zasilacz o mocy wyjściowej 100 W, który pobiera z sieci energetycznej 117,6 W. Obliczmy jego sprawność.

     

    Najczęściej w danych zasilacza mamy podaną moc wyjściową i sprawność. Producenci w specyfikacji nie podają, ile zasilacz pobiera mocy. Możemy to łatwo obliczyć, podstawiając wartości do przekształconego wzoru.

     

    Przykład 2.
    Mamy zasilacz o mocy wyjściowej 150 W i sprawności 86%. Obliczmy, jaka moc jest pobierana z sieci energetycznej.

     

    Łatwo możemy też obliczyć, ile mocy jest tracone na ciepło w tym zasilaczu (Pd – moc strat), stosując prosty wzór (odejmujemy od mocy pobranej moc oddaną).

     

    W tym przypadku 24,4 W jest tracone na ciepło oczywiście przy pełnym obciążeniu. Te 24,4 W zwiększa temperaturę wewnątrz obudowy i podgrzewa wewnętrzne elementy.

     

    MTBF – średni czas między awariami (Mean Time Between Failure) 

    Wyrażany jest w godzinach i jest to informacja o niezawodności urządzenia.

     

    Bardzo często ten parametr jest niewłaściwie interpretowany. Przykładowo MTBF zasilacza wynosi 700 000 godzin, czyli prawie 80 lat. Nie oznacza to, że zasilacz bezawaryjnie będzie pracował tyle czasu.

     

    Sposoby i metody obliczania MTBF zostały wprowadzone przez armię amerykańską w 1965 roku wraz z publikacją modelu MIL-HDBK-217. Zawarto w nim częstotliwość awarii dla różnych podzespołów elektronicznych, np. kondensatorów, rezystorów, tranzystorów. W tym modelu opublikowano metody obliczania awaryjności. Miało to służyć standaryzacji ocen niezawodności urządzeń elektronicznych i sprzętu wojskowego.

     

    Oprócz modelu MIL-HDBK-217 stosuje się również inne sposoby obliczeń parametru MTBF, z którymi możemy spotkać się w danych technicznych urządzeń elektronicznych. Wszystkie modele mają różne algorytmy do obliczeń niezawodności. Przykładowe metody: HRD5, Telcordia, RBD, model Markowa, FMEA/FMECA, drzewo uszkodzeń, HALT.

     

    Znając czas MTBF, możemy obliczyć prawdopodobieństwo uszkodzenia urządzenia przed upływem czasu MTBF. Jest to bardzo przydatna informacja, która pozwala ocenić awaryjność systemu. Generalnie zasada jest prosta: im większy MTBF, tym bardziej niezawodne urządzenie.

     

    Pamiętajmy, że zawsze MTBF oznacza czas, po którym niezawodność urządzenia spada do 36,8%. 

    Dlaczego? Do obliczeń musimy wprowadzić wzór na niezawodność.

     

    R(T) – niezawodność wyrażona w procentach w stosunku do czasu pracy urządzenia

    T – czas pracy urządzenia

    MTBF – średni czas między awariami

    2,718 – liczba Eulera (występuje we wzorach jako litera „e”)

    Słownie: 2,718 podniesione do ujemnej potęgi czasu pracy podzielonego przez MTBF.

     

    Obliczmy awaryjność urządzenia, którego MTBF wynosi 50 000 godzin po czasie 50 000 godzin.

     

    Czyli urządzenie o MTBF = 50 000 godzin ma niezawodność 36,8% po czasie 50 000 godzin. Inaczej mówiąc, po czasie 50 000 godzin istnieje prawdopodobieństwo, że na 100 urządzeń ~37 będzie sprawnych, a 63 ulegną awarii.

     

    Sprawdźmy prawdopodobieństwo wystąpienia usterki w ciągu 3 lat dla np. dwóch zasilaczy o różnych MTBF.

     

    1. MTBF = 50 000 godzin, 3 lata = 3 lata x 24 godziny x 365 dni = 26 280 godzin i podstawiamy do wzoru:

     

    Wynik ten pokazuje prawdopodobieństwo, że po 3 latach 59,1% zasilaczy będzie działać bezawaryjnie (np. na 100 urządzeń ~59 będzie sprawnych, a 41 ulegnie awarii).

     

    2. MTBF = 700 000 godzin, 3 lata = 3 lata x 24 godziny x 365 dni = 26 280 godzin i podstawiamy do wzoru.

     

    Ten przypadek pokazuje prawdopodobieństwo, że po 3 latach 97,1% zasilaczy będzie działać bezawaryjnie (np. na 100 urządzeń ~97 będzie sprawnych, a 3 ulegną awarii).

     

    Najczęściej parametr MTBF jest określany przez producenta w odniesieniu do pracy urządzenia w temperaturze otoczenia 25°C. W przypadku pracy w wyższych temperaturach obowiązuje zasada, że zwiększenie temperatury otoczenia o 10°C powoduje dwukrotne zmniejszenie wartości MTBF. Dlaczego jedne urządzenia mają wysoki, a inne niski MTBF? Różnice wynikają z jakości użytych elementów i stopnia skomplikowania urządzenia. Nie wszyscy producenci umieszczają ten parametr w danych technicznych.

     

    Napięcie wyjściowe (Output Voltage) 

    Napięcie wyjściowe jest to napięcie, które powinno być stabilizowane przy zmianach obciążenia zasilacza od 0 do 100%. Trzeba sobie uświadomić, że we wszystkich zasilaczach na wyjściowe napięcie stałe nakładają się szumy, tętnienia i zakłócenia. Mogą one mieć amplitudę sięgającą kilkuset mVp-p. Czasami zbyt duża wartość tętnień napięcia wyjściowego może być przyczyną problemów, jeżeli zasilane urządzenie jest podatne na tętnienia, np. zakłócenia w obrazie z kamery w aplikacjach CCTV albo częste restarty jakiegoś urządzenia elektronicznego.

     

    Poniżej zaprezentowano zrzut oscylogramu tętnień napięcia zasilacza impulsowego 12 V.

     

    Odpowiedź dynamiczna na skokowe zmiany obciążenia (Dynamic Response) 

    Każdy zasilacz powinien dostarczać do obciążenia napięcie wyjściowe o stałej wartości, które nie zmienia się przy zmianie prądu obciążenia. Jednak czasami występują skokowe zmiany obciążenia (np. załączenie/wyłączenie się oświetlacza podczerwieni w kamerze CCTV albo załączenie/wyłączenie dodatkowego obciążenia). Przy zmianie obciążenia od 0 do 100% (lub odwrotnie) pojawiają się zakłócenia i wahania napięcia wyjściowego, które mogą wpłynąć na pracę innych urządzeń podłączonych do zasilacza.

     

    Na rysunku poniżej widać zmiany napięcia wyjściowego w stosunku do zmian obciążenia od 0 do 100% wysokiej jakości zasilacza, zaczerpnięte z jego dokumentacji technicznej.

     

    V - napięcie wyjściowe

    L - obciążenie

    Większość zasilaczy impulsowych wyposażono w układy zabezpieczające wyjście przed skutkami zwarć i przeciążeń. Ponieważ stosuje się różne sposoby zabezpieczeń, należy właściwie dobrać zasilacz do rodzaju obciążenia. Silniki, żarówki, obciążenia o dużej pojemności, indukcyjności itp., czyli tzw. obciążenia o charakterystyce nieliniowej, mogą potrzebować dużego impulsu prądowego przy starcie, przekraczającego znacznie maksymalny prąd znamionowy zasilacza. Może to spowodować zadziałanie zabezpieczeń i uniemożliwić załączenie zasilacza. Może się okazać w praktyce, że zasilacz np. 12 V 50 W nie będzie w stanie się uruchomić po podłączeniu obciążenia 12 V 30 W (np. żarówka, silnik).

     

    Konstruktorzy zasilaczy stosują różne metody zabezpieczeń przed skutkami zwarć i przeciążeń. Zabezpieczenia powinny chronić zasilacz i obciążenie. Poniżej omówiono najczęściej spotykane.

     

    Tryb Hiccup (Hiccup mode) 

    Jest to zabezpieczenie stosowane bardzo często (z ang. hiccup – czkawka), którego zaletą są małe straty mocy w zasilaczach w przypadku przeciążenia lub zwarcia oraz automatyczny powrót do normalnej pracy po ustąpieniu przyczyny zwarcia lub przeciążenia.

     

    Wykres poniżej pokazuje zasadę działania trybu hiccup.

     

    Uout - napięcie wyjściowe

    Iout - prąd wyjściowy

    t - czas

    A – zwarcie (przeciążenie)

    B – ustanie przyczyny zwarcia

    W czasie A pojawia się przeciążenie lub zwarcie. Następuje odłączenie zasilania. Na wyjściu pojawia się impuls prądowy o bardzo krótkim czasie trwania (np. 100 ms) i wartości do 150% prądu maksymalnego. Zasilacz co kilka sekund wysyła ten impuls, aż do czasu ustąpienia przyczyny przeciążenia lub zwarcia (B), następnie przechodzi do trybu normalnej pracy. Próg zadziałania tego zabezpieczenia (wyłączenie zasilacza) ustawiony jest w większości przypadków na 110–150% prądu znamionowego (Iout). Najczęściej ten tryb jest zintegrowany z zabezpieczeniem termicznym. Jeżeli obciążenie pobiera prąd większy od znamionowego, ale mniejszy od progu zadziałania zabezpieczenia, to po krótkim czasie włączy się zabezpieczenie termiczne, odłączając zasilanie i zasilacz przechodzi do trybu hiccup aż do momentu ustąpienia przyczyny przeciążenia.

     

    Inne rodzaje zabezpieczeń stosowane przed zbyt wysokim poborem prądu pokazano na poniższym wykresie (trzy krzywe: A, B i C).

     

    Uout - napięcie wyjściowe

    Iout - prąd wyjściowy

    Krzywa A – ograniczenie prądu (Foldback Current Limiting)
    Ten rodzaj zabezpieczenia stosuje się również w zasilaczach liniowych. Po przekroczeniu maksymalnego prądu (zmniejszeniu oporności obciążenia) następuje jego redukcja (zmniejszenie). Inaczej mówiąc, jeżeli rezystancja obciążenia zmniejsza się, to następuje redukcja prądu. Zaletą tego rozwiązania są małe straty mocy w zasilaczach w przypadku przeciążenia lub zwarcia. Jednak przy tym rozwiązaniu zasilacz nie wystartuje przy obciążeniu o dużym prądzie rozruchowym (np. duża pojemność).

     

    Krzywa B – stabilizacja prądu (Constant Current Limiting)
    Po przekroczeniu maksymalnego prądu (zmniejszeniu oporności obciążenia) zasilacz utrzymuje stały prąd wyjściowy niezależnie od wartości przeciążenia, podczas gdy napięcie wyjściowe zmniejsza się. Często też stosuje się drugie zabezpieczenie, które wyłącza zasilacz, kiedy napięcie spadnie do kilku voltów. Dużą wadą tej metody są duże straty mocy w samym zasilaczu oraz duży prąd płynący przez obciążenie, co może skutkować uszkodzeniami. Ten rodzaj zabezpieczenia pozwala na start zasilacza przy obciążeniach o charakterystyce nieliniowej.

     

    Krzywa C – ograniczenie mocy (Over Power Limiting)
    Po przekroczeniu maksymalnego prądu (zmniejszeniu oporności obciążenia) moc wyjściowa zasilacza pozostaje na stałym poziomie. Wraz ze wzrostem obciążenia napięcie i prąd wyjściowy spadają zgodnie z charakterystyką C. Ten rodzaj zabezpieczenia pozwala na start zasilacza przy obciążeniach o charakterystyce nieliniowej.

     

    Temperatura pracy (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

    W zależności od sprawności zasilacza część energii dostarczonej do zasilacza tracona jest na ciepło, temperatura wewnątrz zasilacza rośnie w stosunku do temperatury zewnętrznej. Wysokiej jakości zasilacze, pracując w temperaturze 25°C, mogą rozgrzać się do 50–70°C. W temperaturze otoczenia 50°C mogą rozgrzać się do 75–95°C.

     

    Bardzo ważne jest uświadomienie sobie, iż temperatura pracy wpływa bezpośrednio na czas życia i niezawodność urządzenia. Zasilacze impulsowe mają skomplikowaną konstrukcję i składają się z dużej liczby elementów elektronicznych, które mogą być rozmieszczone blisko siebie wewnątrz obudowy zasilacza. Zbyt wysoka temperatura wewnętrzna może doprowadzić do uszkodzenia zasilacza oraz znacząco skraca jego żywotność. Należy pamiętać, że istnieje silna zależność mocy wyjściowej od temperatury. Należy bezwzględnie unikać pracy zasilacza w temperaturach wyższych niż 50°C, mimo że producenci często podają temperaturę pracy powyżej tej wartości. W takim przypadku należy dokładnie przeczytać dokumentację techniczną.

     

    Przykładowo, zasilacz 150 W 12 V – podana temperatura pracy wynosi -10°C do 70°C. Jednak w dokumentacji producent zamieścił wykres obciążenia procentowego w funkcji temperatury pracy.

     

    L - Obciążenie procentowe

    T - Temperatura pracy

    Jak widać na rysunku, zasilacz może dostarczać do obciążenia pełną moc, ale tylko do temperatury 50°C. Przy pracy w temperaturze 70°C urządzenie można obciążyć w 50%, czyli połową prądu maksymalnego.

     

    Elementami najbardziej wrażliwymi na wzrost temperatury są kondensatory elektrolityczne. Praktycznie każdy zasilacz zawiera ich kilka sztuk. Producenci kondensatorów podają istotny parametr, czyli tzw. czas życia, dla maksymalnej temperatury pracy. Zmniejszenie temperatury o 10°C powoduje dwukrotny wzrost czasu życia kondensatora elektrolitycznego. Np. standardowe kondensatory elektrolityczne mają czas życia 1 000 godzin w temperaturze 105°C.

    Czyli:

  • 105°C – 1 000 godzin (41 dni)
  • 95°C – 2 000 godzin (83 dni)
  • 85°C – 4 000 godzin (166 dni)
  • 75°C – 8 000 godzin (333 dni)
  • 65°C – 16 000 godzin (1,8 lat)
  • 55°C – 32 000 godzin (3,6 lat)
  • 45°C – 64 000 godzin (7,3 lat)

     

  • Te czasy nie oznaczają końca życia kondensatora, tylko czas, po którym nastąpi znaczna degradacja jego parametrów (pojemności, rezystancji szeregowej itp.), co najczęściej prowadzi do awarii.

     

    Jak widać na powyższym przykładzie niższa temperatura = dłuższe życie. Są kondensatory o czasie życia kilkakrotnie dłuższym, jednak przekłada się to na wyższą cenę. To od producenta zależy, jakie podzespoły zastosuje. W tanich zasilaczach nie stosuje się części droższych, o dłuższym czasie życia.

     


    Netto:0.00 USD
    Brutto:0.00 USD
    Waga:0.00 kg
    Szczególnie polecamy
    PATCHCORD RJ45/0.2-GREY 0.2 m
    RJ45/0.2-GREY

    Netto: 0.57 USD

    SWITCH PoE SPS-8P/1 9-PORTOWY
    SPS-8P/1

    Netto: 67.82 USD

    KAMERA IP BCS-TIP3401IR-E-IV - 4.0 Mpx 2.8 mm
    BCS-TIP3401IR-E-IV

    Netto: 159.42 USD

    MONITOR VGA, 2XVIDEO, HDMI, AUDIO, PILOT VMT-155M 15 " VILUX
    VMT-155M

    Netto: 335.06 USD

    KAMERA WANDALOODPORNA AHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL APTI-H24V3-2812W - 1080p 2.8 ... 12 mm
    APTI-H24V3-2812W

    Netto: 52.96 USD

    ZASILACZ IMPULSOWY 12V/1A/5.5*P100
    12V/1A/5.5*P100

    Netto: 314.53 USD

    WIELOFUNKCYJNY TESTER CCTV CS-H8-70H
    CS-H8-70H

    Netto: 837.66 USD

    OBEJMA KOMINOWA OK-43T13
    OK-43T13

    Netto: 14.89 USD

    DYSK DO REJESTRATORA HDD-ST4000VX000 4TB 24/7 SKYHAWK SEAGATE
    HDD-ST4000VX000

    Netto: 162.84 USD

     
    60-713 Poznań, Graniczna 10
    tel.: +(48) 61 864 69 60
    e-mail: info@delta.poznan.pl
    Godziny pracy
    Pon.-Piąt.: 8.00 - 19.00
    Sob.: 8.00 - 14.00
    Dział Handlowy, Wysyłki
    tel.: +(48) 61 864 69 69
    e-mail: sklep@delta.poznan.pl
    Wsparcie techniczne
    tel.: +(48) 61 864 69 70
    e-mail: technika@delta.poznan.pl
    (c) 2001-2018 DELTA