RUTRONIK GmbH
Avtorji: Christian Kasper, tehnični strokovnjak za kondenzatorje,
Jürgen Geier, tehnični strokovnjak za keramične kondenzatorje,
Jochen Neller, tehnični strokovnjak za tuljave,
Bert Weiss, tehnični strokovnjak za upore
Napajalniki s stikalnim načinom so pogosto obravnavani kot “nizkoproračunska aplikacija“, vendar so v njih posebne komponente, brez katerih ne morejo učinkovito delovati. Ta tehnični članek prikazuje, katere pasivne komponente so vključene in kako lahko med drugim zagotavljajo varnost delovanja.
Tuljave
Visokofrekvenčni (VF) transformator in druge tuljave tvorijo jedro stikalnega napajalnika (SMPS). Komponente za odpravljanje motenj so nameščene v vhodnem območju in zagotavljajo odpravljanje motenj napetosti in tokov na omrežnih napajalnih vodih.
Tokovno kompenzirane dušilke, znane tudi kot “common mode” dušilke način, dušijo asimetrične motnje, ki so v skupnem načinu prisotne na obeh vodih. Običajno so izdelane z visoko prepustnimi feritnimi jedri ali nanokristalnimi materiali za jedra.
Linearne filtrirne dušilke ali potisne dušilke dušijo simetrične motnje. Večina modelov ima toroidno jedro iz železnega prahu ali feritno EE jedro z zračno režo, možne pa so tudi zasnove z odprtim jedrom, kot so paličaste dušilke ali navojne dušilke.
V nekaterih primerih so v eni komponenti združene “common mode” dušilke in potisne dušilke. To pomeni manj sestavnih delov in s tem manjšo potrebo po prostoru in manjše stroške. V tem primeru puščajoča induktivnost dušilke za skupni način prevzame funkcijo push-pull dušilke, magnetni obvod pa se lahko uporabi kot ojačevalnik. Sumida to kombinacijo ponuja na primer pri serijah RK17S in RK23S.
Po želji se lahko dušilke dopolnijo z dušilkami za korekcijo faktorja moči (PFC), ki zagotavljajo sinusoidno porabo toka in tako služijo za korekcijo faktorja moči. Tako kot dušilke, tudi aktivne PFC stopnje vsebujejo jedra iz železovega prahu ali feritna jedra z zračno režo za izravnavo izhodnega toka.
Za krmiljenje močnostnih preklopnih tranzistorjev (MOSFET-ov in IGBT-ov) se uporabljajo transformatorji za krmiljenje (prožilni transformatorji). Običajno temeljijo na manjši geometriji feritnega jedra kot dušilke, zanje pa je značilna nizka kapacitivnost navitja in sklopke ter nizka induktivnost uhajanja. Običajno so zasnovani za izolacijske napetosti od 1,5 kV do 5 kV in so na voljo v izvedbi THT ali SMD.
Napajalni transformatorji iz feritnih jeder so srce stikalnega napajalnika. Po eni strani zagotavljajo prenos energije s primarne na sekundarno stran napajalne enote, po drugi strani pa so odgovorni za varno električno izolacijo primarne in sekundarne strani. Ker je izhodna stran napajalne enote pogosto odprta in se je zato lahko dotaknemo, je ta izolacija urejena v varnostnih standardih in jo je treba upoštevati pri načrtovanju transformatorja.
Za močnostne transformatorje se uporabljajo preizkušeni mehki magnetni materiali z nizkimi izgubami in visoko gostoto nasičenega pretoka. Njihova velikost se zmanjšuje s povečevanjem stikalne frekvence napajalne enote. To pomeni, da transformatorji pri stikalnih frekvencah med 500 kHz in 1 MHz potrebujejo manj surovin, kar pozitivno vpliva na okoljsko ravnovesje in trajnost napajalne enote – vidik, ki je vedno bolj v ospredju.
Prilagojene tuljave
Poleg standardnih tuljav so na voljo tudi tuljave, specifične za posamezne aplikacije. Pri močnostnih transformatorjih so to na primer modeli z več različnimi izhodnimi napetostmi. Družba SUMIDA je specializirana za to področje. To so lahko različice obstoječih komponent, ki so na podlagi standardnih predmaterialov in obstoječih tehnologij prilagojene specifični aplikaciji stranke. Uporabljajo se tudi standardizirane oblike jedra in magnetni materiali npr. standardni EE, UU, ETD, EVD, EFD, EP, RM, ER, PQ, toroid itd. Uporabljajo se standardne oblike jedra in standardni plastični sestavni deli (navijalke, ohišja in osnovne plošče). V ta namen se lahko podjetje SUMIDA delno opre na lastne ferite MnZn in NiZn ter jedra iz železovega prahu, ki jih proizvajalec proizvaja v Obernzellu v Nemčiji. Nanokristalna in amorfna jedra se kupujejo pri specializiranih proizvajalcih surovin.
Vse pogosteje pa se pojavljajo zahteve, ki jih je mogoče izpolniti le s popolnoma prilagojenimi komponentami, ki temeljijo na novih geometrijah magnetnega jedra in včasih celo na novih sestavah magnetnih materialov, patentiranih plastičnih delih in novih proizvodnih tehnologijah. Te popolnoma prilagojene geometrije so primerne le za zelo specifično uporabo – vendar so zanjo popolne tako glede geometrije in velikosti kot tudi glede električne funkcije. To velja na primer za visokozmogljive transformatorje za polmostične, polnomostične ali LLC topologije v območju moči do 30 kW. Uporabljajo se na primer v fotovoltaičnih pretvornikih ali DC/DC pretvornikih v aplikacijah za e-vozila ali visokozmogljivo enosmerno polnjenje (HPC).
Kondenzatorji
Kondenzatorji imajo v stikalnih napajalnikih veliko različnih funkcij. Kondenzatorji za izmenični tok na omrežni strani (primarni strani) se večinoma uporabljajo za dušenje ali filtriranje interferenčnih impulzov. V ta namen se lahko uporabljajo keramični ali filmski kondenzatorji. Če se uporabljajo med faznim in nevtralnim vodnikom, je pomembno, da imajo certifikat X2 ali X1. Za uporabo med faznim in zaščitnim vodnikom je obvezna klasifikacija Y. Ker ima ta v primerjavi s kondenzatorji X višjo električno in mehansko varnost, ne more priti do kratkega stika, na primer zaradi okvare kondenzatorja.
Ker so kondenzatorji X priključeni med fazo ali nevtralnimi vodniki, zanje ne veljajo enako visoke varnostne zahteve kot za kondenzatorje Y.
Kondenzatorja X in Y sta nadalje razdeljena na različne preskusne/impulzne napetosti v skladu z zahtevami IEC 60384-14 in označena kot tipa X2 in X1 ali Y2 in Y1. Najpogostejši kombinaciji sta X1Y2 in X1Y1. Pogoste so naslednje delitve, tabela.
Poleg tega je večina kondenzatorjev X in Y označena s preskusnimi oznakami, kot so ENEC, VDE, UL ali CQC, saj morajo biti komponente preskušene v skladu s temi standardi.
Temperaturno-vlažnostno pogojeni razredi dokazujejo robustnost film kondenzatorjev
Če izberete film kondenzatorje, preverite, ali aplikacija zahteva višji razred THB (temperature-humidity-biased). To zagotavlja, da so kondenzatorji dovolj odporni proti vlagi – in s tem koroziji -, da se zagotovi želena življenjska doba aplikacije.
Preskus temperaturne in vlažnostne pristranskosti je priznan standard za pospešene preskuse življenjske dobe. Cilj je pospešiti proces staranja kondenzatorjev in z dvema različnima testoma izmeriti, ali v določenem časovnem obdobju pri dani temperaturi, relativni vlažnosti in nazivni napetosti ohranijo svojo kapacitivnost, razpršilni faktor in izolacijsko upornost. Razlikujemo tri stopnje (razrede) (preglednica 1).
Keramični kondenzatorji se večinoma uporabljajo kot kondenzatorji Y v območju vrednosti med 10 pF in 4,7 nF zaradi razmeroma majhnih vrednosti kapacitivnosti, ki so običajno potrebne. Vendar so na voljo tudi z največ 22 nF.
Poleg že omenjenih klasifikacij se kondenzatorji razlikujejo tudi glede na ciljno uporabo v komercialnih, industrijskih ali avtomobilskih aplikacijah in glede na njihovo zasnovo.
Po zasnovi so najpogostejše in najbolj znane radialne enoslojne vrste. To so keramični enoslojni diski z razmiki 5 in 7,5 mm za različice X#Y2 ter 10 in 12,5 mm za različice X#Y1.
Poleg tega so številne vrste SMD zdaj na voljo tudi v različicah X2, Y2 ali X1Y2 kot večplastni keramični kondenzatorji (MLCC) in v različicah Y1 ali X1Y1 kot enoplastni plastični vložki z vodilnimi okvirji za montažo SMD. V primerjavi z žičnimi, radialnimi različicami imajo te glavne prednosti v manjši prostornini in manjši višini ter višji stopnji dušenja motenj pri enakih vrednostih kapacitivnosti.
Po izmeničnih filtrih na vhodni strani in prvi usmeritvi se v stikalnih napajalnikih kot blažilnik običajno uporablja visokonapetostni elektrolitski kondenzator. V ta namen so priporočljivi modeli z nizkim ESR in dolgo življenjsko dobo.
Tudi na sekundarni strani se vse vrti okoli nizkega ESR kondenzatorjev. To omogoča realizacijo visokih izhodnih tokov in čim manjše preostalo valovanje izhodne napetosti. V ta namen se običajno uporabljajo elektrolitski kondenzatorji z nizkim ESR. Dodatni vzporedni keramični kondenzatorji filtrirajo morebitne visokofrekvenčne motnje na izhodni strani.
Upori
Upori opravljajo različne naloge v stikalnih napajalnikih: Med drugim se uporabljajo kot upori za vodenje ali premoščanje in kot upori za prednapetost, za zaščito pred prenapetostmi in prenapetostmi ter za merjenje toka.
Premostitveni upor se uporablja za praznjenje kondenzatorja, saj bi sicer lahko prišlo do električnega udara tudi ob izklopljenem napajanju. Pri reguliranih nizkonapetostnih napajalnikih ni nujno potreben, prav tako ni potreben pri linearnih napetostnih regulatorjih ali stikalnih napajalnikih s hitrim krmiljenjem delovnega cikla, da se ohrani konstantna enosmerna napetost. Za to uporabo se uporabljajo visoko-ohmske/visokonapetostne serije.
Osni žični varnostni upori se običajno uporabljajo kot upori za prednapetje varovalnih kondenzatorjev. To je zato, ker imajo nizko vrednost upora in visoko impulzno moč.
Poleg tega se upori uporabljajo za zaznavanje faznega položaja izmenične napetosti, da se doseže natančnejše razmerje delilnika. Za ta namen so primerni tankoplastni upori MELF z izjemno sposobnostjo impulzne obremenitve in precizni upori s ploskim čipom v tankoplastni tehnologiji.
Varistorji “omejijo” prenapetosti in tako zaščitijo neinvertirajoči vhod komparatorja. To nalogo opravljajo prenapetostni kovinsko oksidni varistorji. Zaradi brezhalogenske silicijeve prevleke, odporne na visoke temperature, delujejo pri delovni temperaturi do 125 °C in imajo največjo tokovno zmogljivost do 13 kA.
Upori za pretokovno zaščito in merjenje toka
Ob vklopu močnih bremen se za kratek čas pojavijo zelo visoki tokovi, ki lahko povzročijo škodo na sistemu. Termistorji PTC in NTC se uporabljajo kot omejevalniki vklopnega toka ali zaščita pred previsokim tokom. Uporabljajo se lahko tudi za merjenje temperature, saj se njihova električna prevodnost spreminja v odvisnosti od temperature.
Najlažji način za omejitev visokih zagonskih tokov je uporaba močnostnih uporov z nizko impedanco. Pri normalnem delovanju pa se na teh uporih pojavljajo razmeroma velike izgube moči. Zato se priporoča uporaba NTC ali PTC termistorjev. Če jih kombiniramo, ponujajo največje prednosti.
Najpomembnejši merili za izbiro NTC termistorja sta največji tok in nazivna upornost (R25). Ta mora biti vsaj tako velika, da omeji tok na vrednost, ki ne sproži varovalke in ne povzroči poškodb drugih komponent, če je priključena zaporedno z bremenom. Največji tok je odvisen od moči bremena. Upoštevati je treba tudi znižanje vrednosti termistorja NTC.
PTC termistorji so primerni za varno omejevanje toka v kondenzatorjih z visoko kapacitivnostjo v vezjih za enosmerni tok. Zaradi velikega pretoka toka se segrejejo in njihova upornost se poveča, zato so samoumevno varni. Zato v primeru kratkega stika v povezavi z enosmernim tokom omejijo tok na varne vrednosti. Zasnovani so za napetosti od 260 do 560 VDC, imajo upornost od 22 do 1100 Ω pri 25 °C in imajo, odvisno od tipa, UL, IECQ in VDEcertifikate ter kvalifikacijo AEC-Q200.
Drugo področje uporabe uporov v stikalnih napajalnikih je merjenje toka. V ta namen se uporabljajo nizko-ohmski “shunt” upori. Tok je mogoče zaznati in analizirati prek padca napetosti na uporu. Za to so idealni pol-kovinski uporovni elementi iz zlitin mangana in bakra ter niklja, kroma in aluminija, ki imajo zaradi lastnosti materiala zelo nizke temperaturne koeficiente in so tudi nizko induktivni. Če je uporovni element kovinski trak, je mogoče doseči vrednosti upornosti do 15 µΩ.
Zaključek
Pasivne komponente imajo v stikalnih napajalnikih vlogo, ki je ne smemo podcenjevati, saj opravljajo različne naloge. Njihov pomen se še povečuje, zato si proizvajalci prizadevajo za vse večje izboljšanje njihove zmogljivosti. Zato je še vedno zanimivo spremljati, kam gre tehnični razvoj. Vse omenjene komponente so pri podjetju Rutronik na voljo v najrazličnejših izvedbah in zmogljivostnih razredih. Seveda so možne tudi prilagojene rešitve, zlasti pri induktorjih in glede na zahtevane količine.
