Rutronik GmbH
Avtorja: Axel Stangl in Bianca Aichinger
2019_276_18
Med vsakim projektom se razvijalec sreča z vprašanjem, kako urediti električno napajanje za svojo napravo. Vedno krajši razvojni cikli, strožje specifikacije in omejeni proračuni mu pri tem otežujejo izbiro. Vendar pa je treba pri izbiranju resnično upoštevati nekatere dejavnike.
Napajalni sistem je srce vsakega električnega sistema, vseeno pa nanj pogosto pomislimo šele zadnji trenutek. Odločitev za pravi napajalnik se zdi preprosta: Vzamemo napravo s pravo izhodno napetostjo in močjo po najnižji možni ceni. Vendar pa na koncu zadovoljiva rešitev zahteva malo bolj podrobno analizo.
Širok razpon vhodnih napetosti za različne nazivne napetosti
Napajalniki se praviloma napajajo iz javnega električnega omrežja ali industrijskega napajalnega omrežja. Včasih se uporabljajo tudi generatorji. Nazivne napetosti javnega omrežja so v veliki meri standardizirane. V Evropi znaša nazivna napetost 230 V~/50 Hz ± 10 %, zunaj Evrope pa obstaja še veliko drugih standardov. V ZDA se uporablja napetost 120 V~/50 Hz, na Kitajskem pa 220 V~/50 Hz. Izbrani napajalnik bi v idealnem primeru pokril vse te nazivne napetosti in njihove tolerance. To pomeni območje delovanja od 85 do 264 V~. Vendar pa se splača pregledati podatkovni list. Tudi če ima izbrani napajalnik pri nazivni napetosti 230 V~ zelo dober izkoristek nad 90 %, lahko ta pri 120 V~ znaša le še 70 %.
Vpliv izkoristka na življenjsko dobo
Če primerjamo različne podatke o izkoristku, razlika enega ali dveh odstotkov ni slišati nič posebnega. Prav tako s tem ne boste prihranili veliko energije. Vseeno pa lahko le nekaj odstotkov pomeni veliko razliko. Če na primer primerjamo napravi z izkoristkoma 90 in 92 %, se razlika na prvi pogled ne zdi velika. Če pa pogledamo tako nastale izgube, jih ima en napajalnik le 8 %, drugi pa 10 %. Naprava z izkoristkom 92 % ima torej petino manj izgub, ki se sproščajo kot toplota. Včasih je ta majhna razlika dovolj, da lahko opustimo dodatno hlajenje. To hkrati prihrani dragocen prostor.
Bistveno pa je tudi, daa manj sproščene toplote pomeni daljšo življenjsko dobo sistema. Ta namreč neposredno vpliva na pričakovano življenjsko dobo sistema. Švedski kemik Svante Arrhenius je leta 1889 odkril povezavo med hitrostjo kemijske reakcije in temperaturo. Arrheniusova enačba je približno pravilo, ki pravi, da se z vsakim povečanjem temperature za deset stopinj Celzija podvoji verjetnost izpada. Ali z drugimi besedami: Pričakovana življenjska doba se razpolovi. Zato lahko že za dva odstotka večji izkoristek pomeni bistveno daljšo pričakovano življenjsko dobo stikalnega napajalnika.
MTBF – izračunana zanesljivost
Zanesljivost stikalnega napajalnika je tesno povezana z vrednostjo časa med okvarami (angl. »Mean Time Between Failures« – MTBF). Pomen MTBF lahko preprosto ponazorimo s t. i. »krivuljo kopalne kadi« (sl. 1). Ima tri območja: »otroške bolezni«, uporabna življenjska doba in konec življenjske dobe (angl. »End of Life« – EoL). Vrednost MTBF zajema samo srednji del, tako da ne upošteva otroških bolezni in učinkov staranja. To zlahka pojasni, zakaj se za napajalnike pogosto navajajo vrednosti MTBF, ki dosegajo več milijonov ur.
Vrednost MTBF se poleg tega ugotavlja na podlagi različnih standardov. Najpogosteje so to MIL HDBK 217F, Bellcore TR-NWT-000332 in t. i. »Siemensov standard« SN29500. Rezultati teh metod izračuna se v nekaterih primerih močno razlikujejo. Zato je pri primerjavi vrednosti MTBF pomembno, da so izračunane po istem standardu in pod enakimi pogoji (npr. temperatura okolja).
Vsem tem metodam pa je skupno, da se vrednost MTBF računa iz vsote vrednosti komponent. Zaradi tega število komponent (angl. »Component Count«) odločilno vpliva na vrednost MTBF. Preprosteje izdelani stikalni napajalniki imajo zato pogosto veliko višjo vrednost MTBF. To pa ne pomeni nujno, da so resnično zanesljivejši.
Vse to pomeni, da je vrednost MTBF sicer dobra za primerjave zanesljivosti podobnih naprav, vendar pa ne dopušča napovedovanja o pričakovani življenjski dobi. To omogoča le celovito preizkušanje.
Preverjena zanesljivost
Prvo informacijo nam lahko zagotovi že 96-urni preizkus. Ti preizkusi z močno pospešenim staranjem zaradi obremenitve (angl. »Highly Accelerated Stress Test« – HAST) se izvajajo v komori za nadzorovane podnebne pogoje (npr. pri 85 °C/95 % relativne vlažnosti) v obliki preizkusa med shranjevanjem (angl. »Storage Test«), kar pomeni, da preizkušanci ne delujejo. Pred in po preizkusu se preizkušanci premerijo skladno s parametri v podatkovnem listu. Razlike omogočajo sklepanje o življenjski dobi. 96 ur pri zgoraj navedenih pogojih na primer ustreza 7,25 leta 24-urnega delovanja. Poleg tega se zaradi potrjevanja rezultatov pogosto izvede še 1000-urni preizkus med shranjevanjem (na primer pri 85 °C/50 % relativne vlažnosti) ali delovanjem (angl. »Life Test«), kjer so preizkušanci izpostavljeni najvišji dovoljeni temperaturi okolja med delovanjem.
Stabilen izkoristek tudi pri nizki obremenitvi
Pomemben vidik je obnašanje pri različnih obremenitvah. V podatkovnih listih je pogosto navedena samo vrednost pod polno obremenitvijo, pa še ta ne vedno. Vendar pa to ni zelo uporaben podatek, saj so stikalni napajalniki zasnovani tako, da imajo najboljši izkoristek ravno v bližini svoje nazivne moči. Z zmanjševanjem obremenitve se zmanjšuje tudi izkoristek, ki nato v prostem teku pade na ničlo. Dobro zasnovani napajalniki zagotavljajo stalno visok izkoristek, še posebej v pomembnih območjih srednjih in nizkih obremenitev.
Zanesljivi napajalniki za vgradnjo na letev DIN za 1-fazna ali 2- in 3-fazna električna omrežja
Podjetje Recom ima veliko izkušenj, saj so izdelali že veliko milijonov pretvornikov DC/DC in AC/DC. Zdaj so razvili serijo napajalnikov za vgradnjo na letev DIN, ki je zasnovana za najdaljšo možno življenjsko dobo. Za zagotavljanje potrebnih varnostnih rezerv uporabljajo le najkakovostnejše komponente, katerih delovna temperatura je bistveno višja od vrednosti, navedenih za napajalnike.
Napajalnike za letve DIN serije REDIN odlikuje posebej tanka izvedba in so dodatno opremljeni s sistemom za stransko vgradnjo. To je odločilna prednost pri stikalnih omarah z majhno globino. Zaradi širokega razpona vhodne napetosti od 85 do 264 V~ so primerni za uporabo po vsem svetu. Zaradi velikega izkoristka, ki znaša kar 93 %, nastaja le majhna količina odpadne toplote, kar pomeni, da je mogoče te napajalnike uporabljati brez dodatnega hlajenja pri temperaturah od –25 do 70 °C. Enote imajo aktivni sistem PFC in zato zagotavljajo faktor moči nad 0,95. Primerne so za vzporedno delovanje n+1 zaradi zagotavljanja redundance ali trajnega povečanja izhodnega toka. Enote so opremljene s pametno zaščito pred preobremenitvami in kratkim stikom, ki napravo izklopi, takoj ko je dosežena najvišja dovoljena temperatura, da so preprečene trajne poškodbe. Napajalniki so certificirani po standardu IEC/EN/UL60950 in UL508.
Poleg tega je za delovanje v 2- ali 3-faznih električnih omrežjih na trgu tudi nova družina REDIN/3AC. Zasnovana je za odlično stabilnost tudi v težkih pogojih avtomatizacije procesov in zanesljivo deluje pri omrežnih napetostih od 320 do 575 V~ tudi pri odpovedi tretje faze. Serija pokriva moči 120, 240, 480 in 960 W pri nazivni napetosti 24 V= ter valovitostjo le 40 mV, precizni potenciometer pa omogoča nastavljanje izhodne napetosti v območju od 22,5 do 29,5 V=. Za povečanje moči je mogoče naprave brez dodatnih ukrepov povezati vzporedno, izravnavo obremenitve pa omogoča regulacija s padcem napetosti ob naraščanju toka.
