PODSTAWOWE PARAMETRY TECHNICZNE I EKSPLOATACYJNE
Należy tu określić liczbę oraz wartości napięć potrzebnych do zasilania poszczególnych układów lub obwodów. Bardzo ważne jest podanie wymagań dotyczących dokładności ustawienia oraz dokładności stabilizacji poszczególnych napięć. Dla optymalizacji układu zasilania istotne jest, aby niepotrzebnie nie podwyższać wymagań dotyczących dokładności napięć stałych. Jest oczywiste, że w przypadku zasilania układów cyfrowych, procesorów itp. napięcia te muszą zmieścić się w określonych katalogowo tolerancjach, w precyzyjnych układach pomiarowych tolerancje te dla niektórych napięć mogą być bardzo małe. Ważne jest jednak, aby konstruktor układu zasilanego nie traktował napięć zasilających jako napięć odniesienia stosowanych do celów pomiarowych. Ten częsty błąd prowadzi najczęściej do nadmiernego skomplikowania zasilacza i wzrostu jego ceny, a w przypadku niezbyt ścisłej współpracy pomiędzy konstruktorem systemu i zasilacza uniemożliwia często skuteczne uruchomienie całości urządzenia.
Bardzo ważne jest określenie wzajemnej izolacji pomiędzy stałymi napięciami wyjściowymi. W niektórych układach jest ona konieczna ze względu na to, że obwody zasilane mogą być dołączone do różnych potencjałów lub mogą być narażone na zakłócenia przenoszące się przez zasilanie do innych newralgicznych części układu.
Projektant zasilacza musi wiedzieć jakie warunki winna spełniać izolacja pomiędzy napieciami wyjściowymi (wytrzymałość elektryczna izolacji). Należy pamietać, że stosowanie izolacji galwanicznej pomiędzy napięciami wyjściowymi jest dodatkowym utrudnieni em i zwiększa koszt oraz wymiary zasilacza, a często uniemożliwia uzyskanie dokładnej stabilizacji i większych prądów obciążeń.
Są to prądy pobierane przez poszczególne zasilane obwody. Oszacowanie wartości tych prądów ma kluczowe znaczenie przy doborze właściwej mocy modułów zasilania. W praktyce jest zdecydowanie trudniej określić prąd obciążenia, niż wymagane napięcie zasilania. Prąd ten zależy od bardzo wielu zmiennych takich, jak:
- warunki pracy układu (szczególnie istotne w układach charakteryzujących się dwu- lub wielostanowym rodzajem pracy)
- tolerancje elementów składowych układu
- warunki zewnętrzne (temperatura, napiecie zasilania, starzenie elementów)
Przy oszacowaniu wielkości prądów obciążeń należy również zwrócić uwagę na średnie oraz chwilowe wartości tych prądów. W przypadku impulsowego pobierania prądu istotne jest określenie czasu trwania impulsu prądu i współczynnika wypełnienia. Z reguły każdy zasilacz jest zdolny do wytrzymania znacznych, ale krótkotrwałych przeciążeń bez dodatkowej komplikacji układowej i niepotrzebnego przewymiarowania elementów.
Mając do czynienia z kilkoma napięciami zasilania trzeba ustalić wzajemną relację pomiędzy prądami obciążeń i stwierdzić, które z nich mają charakter stały, a które zmieniają się w szerokim zakresie.
Im dokładniej przedstawione zostaną warunki poboru prądu zasilania, tym łatwiej będzie zaprojektować najmniejszy, najtańszy i najbardziej niezawodny zasilacz.
Wiele układów zasilanych (najczęściej elementy wykonawcze takie, jak silniki, przekażniki itp.) pobiera prąd impulsowo w czasie załączania, a przerywa jego przepływ przy wyłączaniu. Powstają w takich sytuacjach wahania napięcia zasilającego (przedstawione na rys. 1), za które odpowiada wielkość impedancji wyjściowej źródła zasilania oraz charakterystyka dynamiczna zamkniętego obwodu stabilizacji napięcia tego źródła. Te chwilowe zmiany napięcia mogą w wielu wypadkach zakłócić pracę innych odbiorników dołączonych do tego samego żródła. Właściwe rozpoznanie i zdefiniowanie impulsowego poboru prądu ułatwia podjęcie decyzji o rozdzieleniu napięć zasilających, stosowaniu zasilacza o lepszch własnościach dynamicznych lub zastosowaniu dodatkowych elementów fitrujących (kondesatory, dławiki szeregowe) bezpośrednio w układzie zasilanym. W takich przypadkach opracowanie specjalizowanego zasilacza przy ścisłej współpracy z konstruktorem układu zasilanego daje z reguły najlepsze efekty.
Rys. 1. - (23kB)
We wszystkich układach zasilających pojawia się pewna składowa zmienna napięcia nałożona na właściwe wyjściowe napięcie stałe. Przyczyny powstawania tych szumów i tętnień są następujące:
- niepełna filtracja tętnień powstających na prostowniku wejściowym (w przypadku układów zasilanych z sieci prądu zmiennego) najczęściej o częstotliwości 100 Hz
- tętnienia związane z przełączaniem elementów kluczujących (tranzystory, tyrystory, IGBT) o częstotliwości równej lub będącej wielokrotnością częstotliwości porzełączania
- impulsy szpilkowe związane z dużymi stromościami przełączanych prądów i napięć w elementach kluczujących i współpracujacych z nimi elementach indukcyjnych (transformatory, dławiki)
- szumy elementów elektronicznych
Ważne jest, aby zdawać sobie sprawę z istnienia i charakteru tych tętnień, które z reguły w prawidłowo
zaprojektowanych i wykonanych układach zasilających nie przekraczają kilkudziesięciu do kilkuset mVp-p.
W niektórych układach (szczególnie pomiarowych) konieczna jest dodatkowa filtracja tych tętnień.
Należy jednak pamiętać, że zbyt surowe wymagania dotyczące tłumienia tętnień w zasilaczu prowadzą do
znacznego wzrostu jego kosztów. W większości przypadków skuteczne tłumienie o wiele łatwiej jest
przeprowadzić bezpośrednio w okolicy elementów szczególnie wrażliwych na tętnienia i szumy napięcia zasilającego.
Przy definiowaniu wymagań dotyczących parametrów wyjściowych zasilacza należy zawsze pamietać, że
tradycyjne uklady liniowe mają znacznie mniejszy poziom tętnień napięcia wyjściowego i dlatego często
optymalnym rozwiązaniem dla użytkownika staje się połączenie układu impulsowego (małe wymiary,
duża sprawność) ze stabilizatorami liniowymi stosowanymi na jednym lub kilku wyjściach w celu poprawy
współczynnika stabilizacji oraz zmniejszenia poziomu tętnień. Należy jednak pamiętać, że takie rozwiązanie
związane jest najczęściej z istotnym ograniczeniem poboru prądu z tych wyjść oraz z pojawieniem się problemów
związanych z dodatkowymi stratami mocy powodującymi podwyższenie temperatury urządzenia.
Z reguły pojawia się konieczność zastosowania dodatkowych radiatorów i konstrukcyjnego zapewnienia
skutecznego odprowadzania ciepła (perforacja, wentylator itp.).
Przy dokonywaniu pomiarów i ocenie tętnień napięcia wyjściowego należy przestrzegać zasad prawidłowego
pomiaru (sposoby pomiarowe opisane są szeroko w literaturze [1],[2].
W szczególności w układach impulsowych
często zdarza się, że pomiar obarczony jest bardzo dużym błędem wynikającym z indukowania się
szybkozmiennych napięć w przewodach pomiarowych. Ze wzgledu na możliwość indukowania się zakłóceń
w przewodach łączących wyjście zasilacza z obciążeniem, zaleca się stosowanie układów tłumiących
(najczęściej będzie to bezindukcyjny kondensator) bezpośrednio w sąsiedztwie obciażenia.
W tym miejscu warto również wspomnieć o tym, że przy ustalaniu dokładności stabilizacji napięć wyjściowych
należy brać pod uwagę wielkość tętnień napięcia wyjściowego. Często zdarzają się przypadki wymagań
dokładności stabilizacji średniej wartości napięcia wyjściowego znacznie poniżej poziomu realnej wartości tętnień,
co jest całkowicie bezzasadne.
Rys. 2. - (18kB)
Z reguły wszystkie współczesne, bardziej rozbudowane układy zasilające są zabezpieczone przed przeciążeniem lub zwarciem występujacym w obwodach wyjściowych. Wyjątek stanowią proste i tanie układy zasilające zintegrowane na stałe z obwodami zasilanymi łatwymi w serwisie i nie pełniącymi zbyt odpowiedzialnych funkcji. Ze względu na różnorodne metody zabezpieczeń stosowane w układach zasilających trzeba sobie zdawać sprawę, że niektóre z nich mogą być nie do pogodzenia z wymaganiami stawianymi przez układ obciążenia. Poniżej przedstawione zostaną podstawowe rodzaje najczęściej stosowanych zabezpieczeń i ich charakterystyki.
- Stabilizacja prądu.
W tym przypadku w razie przeciążenia na wyjściu, układ zabezpieczajacy powoduje, że zasilacz przechodzi z reżimu stabilizacji napięcia do reżimu stabilizacji prądu wyjściowego na określonym poziomie (Imax). Prąd ten utrzymuje się na stałej lub nieznacznie zwiększającej się wartości niezależnie od wielkości przeciążenia aż do zwarcia zasilacza. Charakterystyka wyjściowa zasilacza z takim zabezpieczeniem przedstawiona jest na rysunku 3. Do wad takiego sposobu zabezpieczenia należy przede wszystkim występowanie zncznych strat mocy w układzie zasilacza (w szczególności w stanach bliskich zwarcia) oraz przepływ dużego prądu (Imax) przez obwody obciążenia, co może powodować powstawanie kolejnych uszkodzeń. Należy jednak pamiętać, że tego typu zabezpieczenie umożliwia niezawodne załączenie się zasilacza dla większości rodzajów liniowych i nieliniowych obciążeń, co jest szczególnie ważne przy zasilaniu urządzeń pobierających w momencie załączenia prąd znacznie większy od nominalnego (żarówki, silniki krokowe, grzałki itp.).
Rys. 3. - (9kB) - Ograniczenie prądu.
Ten rodzaj zabezpieczenia powoduje zmniejszenie prądu wyjściowego po przekroczeniu dopuszczalnej wartości prądu obciążenia (zmniejszaniu rezystancji obciążenia). Jest on bardzo dogodny dla samego zasilacza, gdyż zabezpiecza go przed nadmiernymi stratami mocy w stanie dużego przeciążenia lub zwarcia lecz bardzo często uniemożliwia współpracę zasilacza z obciążeniem o charakterze nieliniowym. Na rysunku 4 przedstawiono charakterystykę wyjściową zasilacza z takim zabezpieczeniem i hipotetyczny punkt pracy, który może się ustabilizować przy próbie załączenia lub przy krótkotrwałym przeciążeniu.
Rys. 4. - (16kB) - Wyłączenie zasilacza.
Zabezpieczenie tego typu jest coraz częściej stosowane, szczególnie w zasilaczach impulsowych, gdzie stosunkowo łatwo realizować można wyłączenie sterowania układem kluczującym. Podstawową zaletą tego rozwiązania jest uproszczenie konstrukcji (przede wszystkim pod kątem możliwości odprowadzania ciepła), gdyż nie trzeba przewidywać długotrwałej pracy zasilacza w stanie przeciążenia lub zwarcia. Jednocześnie wraz z zabezpieczeniem przeciążeniowym zintegrować można zabezpieczenie termiczne, które również powinno zasilacz wyłączać. Istotną wadą zabezpieczenia wyłączającego jest natomiast brak możliwości współpracy z odbiornikami, które pobierają chwilowo prąd znacznie większy od nominalnego i w ten sposób powodują każdorazowo wyłączenie zasilacza. Problem ten jednak w praktyce nie stanowi zbyt dużej przeszkody. Zwykle bowiem próg zadziałania zabezpieczenia i wyłączenia zasilacza jest dużo wyższy (130% do nawet 200% Inom) od prądu nominalnego ze względu na bardzo krótki czas, przez który zasilacz pracuje z dużym przeciążeniem. Po drugie, z reguły wyłączenie zasilacza następuje po czasie kilkudziesięciu lub kilkuset milisekud, w którym zasilacz zazwyczaj pracuje w trybie zbliżonym do stabilizacji prądu. Jeżeli przeciążenie ustapi w tym okresie czasu, to oczywiście wyłączenie nie nastąpi. Często zasilacze mające zabezpieczenie wyłączające załączają się automatycznie po krótkim czasie i jeżeli stan przeciążenia lub zwarcia ustąpił, rozpoczynają normalną pracę. W wielu przypadkach takie zachowanie się układu zasilającego jest wystarczające i nie stwarza kłopotów użytkownikowi.
Niektóre układy zasilane są wrażliwe na zwiększenie się napięcia zasilania i jeżeli koszty ich naprawy są znaczne, to nawet przy założeniu, że uszkodzenie zasilacza powodujące wzrost napięcia na jego wyjściu jest bardzo mało prawdopodobne, warto jest zastosować w zasilaczu zabezpieczenie nadnapięciowe. Warunkiem skuteczności tego typu zabezpieczenia jest szybkość jego reakcji i rzeczywiste niedopuszczenie do wzrosu napięcia na zaciskach wyjściowych zasilacza. Najskuteczniejszym sposobem zabezpieczenia jest dołączenie do zacisków wyjściowych szybkiego układu zwierającego te zaciski w przypadku wzrostu napięcia. Najczęściej stosuje się szybkie tyrystory załączane przez specjalne obwody sterujące, które nie wnoszą dużych opóźnień. Należy pamiętać, że często stosowana w układach zasilaczy impulsowych metoda wyłączania przetwornicy lub samych elementów kluczujących nie zapewnia bezpieczeństwa układom zasilanym, gdyż energia zgromadzona w elementach indukcyjnych filtru wyjściowego może spowodować chwilowy wzrost napięcia wyjściowego już po wyłączeniu samej przetwornicy. Warto również wziąć pod uwagę fakt, że szybkie zabezpieczenie nadnapięciowe umożliwia ochronę układów zasilanych przed dużymi impulsami napięciowymi powstającymi (szczególnie w trudnych warunkach przemysłowych) poza zasilaczem i przenoszonymi przez obwody zasilania, których filtry nie zawsze są w stanie ograniczyć ich wartość do akceptowalnego poziomu.
W wielu zastosowaniach w celu podwyższenia niezawodnosci systemu zasilania stosuje się dodatkowe zabezpieczenie termiczne. Umożliwia ono najczęściej wyłączenie zasilacza w przypadku niebezpiecznego dla jego newralgicznych podzespołów wzrostu temperatury pracy. Sytuacja taka ma miejsce najczęściej w awaryjnych stanach pracy takich, jak: zbyt wysoka temperatura otoczenia, praca przy nadmiernym obciążeniu lub zwarciu itp. Zabezpieczenie to ma na celu przede wszystkim ochronę samego zasilacza i jego podzespołów obniżając koszty ewentualnego serwisu. Współczesne specjalizowane obwody scalone zawierające w sobie główne elementy sterujące i wykonawcze przetwornic napięcia lub stabilizatorów szeregowych mają wbudowane systemy automatycznego zabezpieczenia termicznego. Stosowanie tego typu zbezpieczeń bardzo często umożliwia znaczne zmniejszenie powierzchni chłodzących lub uproszczenie stosowanych systemów chłodzenia, które nie muszą już być projektowane pod kątem uwzględnienia wszystkich (nawet zdarzających się sporadycznie) stanów awaryjnych. Ma to niebagatelne znaczenie również przy analizie bezpieczeństwa pracy zasilaczy, bowiem odpowiednie normy narzucają ograniczenia na nagrzewanie się poszczególnych elementów i podzespołów w układach elektronicznych.
WYMAGANIA DOTYCZĄCE BEZPIECZEŃSTWA I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ
Najczęściej spotykane wymagania, które zostały ujete w odpowiednich normach i dyrektywach obowiązujacych na terenie Unii Europejskiej to:
- bezpieczeństwo użytkowania - obowiązującą normą w Unii Europejskiej jest EN60950, w Polsce w odniesieniu do urządzeń techniki komputerowej stosuje się PN-93/T-42107
- emisja zakłóceń elektromagnetycznych - rozpatrywane są tu dwa rodzaje propagacji zkłóceń:
- zakłócenia przewodzone do sieci zasilającej,
- zakłócenia emitowane na drodze elektromagnetycznej bezpośrednio do otoczenia.
- kształt prądu pobieranego z sieci zasilającej - wymagania na tzw. cos fi, który w większości urządzeń o mocy powyżej 50W będzie musiał być zbliżony do 1. Nie zostały jeszcze ustanowione dokładne zalecenia dotyczące dokładnosci korekcji cos fi, lecz jest spodziewane wprowadzenie ich od stycznia 1998 r. Kształt pobieranego z sieci zasilającej prądu powinien również charakteryzować się niewielką zawartością harmonicznych (udział przede wszystkim 3-ej i 5-ej harmonicznej jest w normach ściśle określony). Odpowiadająca norma, to EN61000-3-2.
- prąd udarowy - szczytowa wartość prądu przy włączaniu urządzenia lub wkładaniu do gniazdka sieciowego wtyczki powinna być ograniczona.
- odporność na wyładowania elektrostatyczne - urządzenia winny wykazywać się odpornością na wyładowania elektrostatyczne charakteryzyjące się wysokim napięciem i niewielką energią. Wyładowania te zwiazane są głównie z gromadzeniem się ładunków elektrycznych i przenoszeniem ich przez personel i obsługę. Odpowiadające normy to: EN50082-1 (1992r.), EN61000-4-2 (obowiązuje od 1996r.)
- odporność na przepięcia i zakłócenia wystepujące w sieci zasilającej - urządzenie powinno być odporne na typowe zakłócenia występujące w sieci energetycznej w warunkach przemysłowych. Odpowiadajace normy to: EN61000-4-4 serie krótkich impulsów o małej energii (ang. fast transients, bursts) (zakłócenia wystepujące najczęściej w warunkach przemysłowych przy zadziałaniu styczników, przełączników lub pochodzące od komutatorów maszyn elektrycznych), EN61000-4-5 przepięcia w sieci (ang. Voltage Surge) (zakłócenia pochodzące od przełączeń energetycznych lub wyładowań atmosferycznych)
- odporność na wpływ zewnętrznego pola elektromagnetycznego - urządzenie winno pracować poprawnie w obecności zewnętrzego pola elektro magnetycznego o określonym w normie natężeniu (EN61000-4-8, EN61000-4-9, EN61000-4-10)
- dopuszczalny poziom hałasu - normy stanowią jakie są dopuszczalne poziomy hałasu dla urządzeń
pracujących w różnych środowiskach.
Należy zwrócić uwagę na fakt, że wymaganie stawiane układom elektronicznym, a w szczególności ich wpływowi na otaczające środowisko (głównie sieć zasilającą) są bardzo różnorodne i bardzo szybko ulegają zmianom i rozszerzeniom. Spełnienie ich jest w związku z tym coraz trudniejsze i wymaga specjalistycznej wiedzy. Stosowanie rozbudowanych filtrów (biernych i czynnych) przy często dużych poziomach mocy, skomplikowanych systemów ekranowania, zabezpieczenia przed dostępem, izolacji, zapewnienia dróg upływu i szczelin powietrznych wymaga poza dużym doświadczeniem zaangażowania większej ilości materiałów. Wszystko to w sposób istotny wpływa na koszty opracowania i koszty materiałowe, co powoduje wzrost ostatecznej ceny urządzenia.
W większości przypadków najistotniejsze wymogi dotyczące bezpieczeństwa oraz emisji zakłóceń dotyczą przede wszystkim zasilaczy, których podstawowym zadaniem jest oprócz zapewnienia odpowiednich napięć właśnie bezpieczne oddzielenie układów od sieci energetycznej.
Współczesne systemy zasilajace są w wielu układach same głównym źródłem zakłóceń (zasilacze impulsowe), a dodatkowo z reguły wymaga się, aby stosowane w nich filtry i zabezpieczenia nie dopuszczały do przedostawania się zakłóceń powstajacych w układzie zasilanym do sieci. Jednocześnie to właśnie od konstruktora zasilacza najczęściej wymaga się, aby układy zasilane nie były wrażliwe na zakłócenia przedostajace się od strony sieci.
Ważnym problemem jest również atestowanie i certyfikacja urządzeń na zgodność z określonymi normami. Dla urządzeń finalnych przeznaczonych do dystrybucji rynkowej będzie to uzyskanie tzw. znaku bezpieczeństwa „B" (dotyczy to spełnienia wymogów bezpieczeństwa) lub w niedalekiej przyszłości oznaczenia wyrobu znakiem CE (dopuszczenie do obrotu w ramach Unii Europejskiej). W urządzeniach specjalistycznych realizowanych w małych seriach na zamówienie kontrahenta, często obowiązują inne wymagania (np. dopuszczenie do stosowania w energetyce, dopuszczenie przez Urząd Górniczy, homologacja w Instytucie Łaczności, zatwierdzenie typu w Głównym Urzędzie Miar itp). Zawsze jednak w ramach tych badań i dopuszczeń rozpatrywany jest problem bezpieczeństwa i emisji zakłóceń.
NIEZAWODNOŚĆ
- prosta, sprawdzona konstrukcja, minimalizacja liczby elementów
- stosowanie układów o możliwie wysokim stopniu scalenia (układy scalone, hybrydowe, grubowarstwowe itp)
- ograniczenie asortymentu stosowanych materiałów i podzespołów
- elementy pochodzące od renomowanych, sprawdzonych dostawców, stałość dostaw od ustalonych producentów
- zmniejszenie ilości rozpraszanego ciepła, w miarę możliwości równomierne rozłożenie elementów i podzespołów wydzielających ciepło (duża sprawność energetyczna układu)
- maksymalne obniżenie temperatury elementów i podzespołów, umożliwienie skutecznego odprowadzania ciepła
- ograniczenie ilości procesów obróbki chemicznej i mechanicznej
- przestrzeganie czystości w procesie produkcji
- możliwie maksymalne zautomatyzowanie procesu produkcji
- stosowania skutecznej kontroli produkcji (kontrola międzyoperacyjna, końcowa kontrola jakości)
- wygrzewanie (sezonowanie) wszystkich wyrobów
KOSZT.
- dokonanie wyboru pomiędzy zastosowaniem urządzeń (zasilaczy) gotowych, dostępnych na rynku, a opracowaniem własnego systemu zasilania
- w przypadku wyboru własnego opracowania należy zdecydować, czy można skorzystać z gotowych aplikacji przedstawionych w literaturze (katalogach firmowych), czy też zlecić opracowanie wyspecjalizowanej jednostce
- uwzględnić dodatkowe koszty związane z doprowadzeniem odpowiednich napięć zasilających do poszczególnych węzłów sieci pomiarowej, zapewnieniem odpowiednich izolacji, osłon, obudów, przewodów ochronnych itp. (wymogi bezpieczeństwa) oraz ekranowaniem, dodatkowymi filtrami, sposobem prowadzenia przewodów zasilających itp (wymogi kompatybilności elektromagnetycznej)
- uwzględnić ewentualne koszty i czas potrzebny na uzyskanie odpowiednich certyfikatów na zgodność z normami (najczęściej bezpieczeństwo użytkowania i emisja zakłóceń)
- spodziewaną częstotliwość napraw i łatwość przeprowadzenia serwisu
- możliwości rozbudowy (rekonfiguracji systemu zasilania)
Należy zawsze pamiętać, że obowiązuje ogólna zasada zależności pomiędzy ilością stopni swobody w rozwiązywaniu problemu konstukcyjnego i poniesionymi w związku z tym kosztami w funcji czasu przedstawiona na rys. 5.
Rys. 5. - (16kB)
