Комутаційний режим живлення „SMPS” (Комутований режим
Імпульсні джерела живлення замінили традиційні лінійні джерела живлення і в даний час є найпопулярнішими та найбільшою групою джерел живлення. Їх перевагами в порівнянні з лінійними джерелами живлення є невеликі габаритні розміри, низька вага, висока ефективність та вихідна потужність та низька ціна. Основними недоліками є складність конструкції, високий рівень шуму, що генерується джерелом живлення, і підвищений рівень шуму на виході.
Найпоширеніші типи джерел живлення в режимі комутації:
E - для DIN-рейки
E - для DIN-рейки
Основний принцип роботи імпульсного джерела живлення
Блоки живлення в режимі комутації використовують метод ШІМ-модуляції з широтно-імпульсною модуляцією (Pulse Width Modulation), тобто вихідна напруга джерела живлення регулюється зміною робочого циклу на постійній частоті.
На схемі показано основний принцип роботи ШІМ.
U - Напруга
Уін - вхідна напруга
Уут - вихідна напруга
Т - період (періоди в секундах - це частота в Гц, кГц або МГц)
t1 - ширина імпульсу (високий стан)
t2 - відсутність пульсу
U - Напруга
Уін - вхідна напруга
Уут - вихідна напруга
Т - період (періоди в секундах - це частота в Гц, кГц або МГц)
t1 - ширина імпульсу (високий стан)
t2 - відсутність пульсу
Зменшення ширини імпульсу (t1) зменшує середню вихідну напругу (Uout) і навпаки: збільшення ширини імпульсу (t1) збільшує середню вихідну напругу (Uout). Відповідно до графіків:
Середню вихідну напругу можна легко розрахувати з наступного рівняння:
Схема та основний принцип роботи імпульсного джерела живлення:
1 - вхід змінного струму
3 - вхідний фільтр
4 - випрямний блок (діодний міст)
5 - маніпуляційний транзистор
6 - ШІМ-контролер
7 - оптична муфта (гальванічний ізолятор)
8 - піковий трансформатор
10 - вихідний фільтр
11 - вихідна напруга постійного струму
1 - вхід змінного струму
3 - вхідний фільтр
4 - випрямний блок (діодний міст)
5 - маніпуляційний транзистор
6 - ШІМ-контролер
7 - оптична муфта (гальванічний ізолятор)
8 - піковий трансформатор
10 - вихідний фільтр
11 - вихідна напруга постійного струму
Наступні параметри слід враховувати при виборі імпульсного джерела живлення.
У Польщі та інших країнах ЄС напруга мережі становить 230 В змінного струму (крім Великобританії - 240 В змінного струму). Стандарти допускають 10% відхилення, тобто напруга мережі може коливатися від 207 до 253 В змінного струму. Таким чином, джерело живлення з широким діапазоном вхідної напруги, напр. Рекомендується 100–264 В змінного струму.
Макс. Пусковий струм
Великий імпульс струму генерується при потужності, яка залежно від потужності може досягати високих значень до десятки ампер тривалістю до одного періоду, тобто до 20 мс при 50 Гц змінного струму. Це явище спричинене зарядкою вхідного конденсатора і може бути проблематичним під час живлення від декількох джерел живлення або використання потужних пристроїв. Високий пусковий струм може спрацювати захист мережі (запобіжники, переривчастий вимикач тощо). Проблему можна вирішити за допомогою автоматичних вимикачів типу С або типу D.
Це відношення вихідної потужності постійного струму (генерованої джерелом живлення) до вхідної потужності змінного струму (отриманої від мережі), виражене у відсотках.
Ефективність, як правило, позначається грецькою малою літерою eta: η. У всіх пристроях, що перетворюють енергію, частина вхідної потужності втрачається, а ефективність є мірою втрат потужності. Цей параметр заслуговує на увагу, оскільки чим вищий коефіцієнт корисної дії, тим менше втрачається енергії, а це означає, що температура всередині джерела живлення нижча, і як результат, надійність та термін служби збільшуються. Доступні імпульсні блоки живлення пропонують ефективність> 90% (ефективність трансформаторних або лінійних джерел живлення не перевищує 50%).
η - ККД (%)
Надутися - вихідна потужність
PIN-код - вхідна потужність
η - ККД (%)
Надутися - вихідна потужність
PIN-код - вхідна потужність
Приклад 1.
Ефективність джерела живлення з вихідною потужністю 100 Вт при введеній в мережу 117,6 Вт можна розрахувати наступним чином:
У технічних паспортах виробники, як правило, вказують вихідну потужність та ефективність джерела живлення, однак споживана потужність зазвичай не вказується. Це можна легко розрахувати, використовуючи наступне рівняння.
Приклад 2.
Блок живлення з вихідною потужністю 150 Вт та ефективністю 86%. Вхідну потужність мережі можна розрахувати наступним чином:
Втрати потужності як теплової енергії (Pd - втрати потужності) можуть бути розраховані за допомогою простого рівняння (віднімання генерованої потужності від вхідної потужності).
У цьому випадку 24,4 Вт втрачається як теплова енергія при повному навантаженні. Ці 24,4 Вт підвищують температуру всередині корпусу та температуру внутрішніх компонентів.
MTBF - середній час відмови
Це виражається в годинах і вказує на надійність пристрою.
Цей параметр часто трактується неправильно. MTBF джерела живлення може становити 700000 годин, тобто майже 80 років. Однак це не означає, що блок живлення буде працювати безвідмовно протягом такого тривалого часу.
Методи розрахунку MTBF були запроваджені армією США в 1965 році з публікацією моделі MIL-HDBK-217. Модель включала коефіцієнти відмов для різних електронних компонентів, тобто конденсаторів, резисторів і транзисторів, а також методи розрахунку частоти відмов. Передбачалося стандартизувати методи оцінки надійності електронної та військової техніки.
Окрім моделей MIL-HDBK-217, в специфікаціях електронних пристроїв доступні й інші моделі для розрахунку MTBF. Моделі використовують різні алгоритми для розрахунку надійності. Приклади методів: HRD5, Telcordia, RBD, модель Маркова, FMEA/FMECA, дерево відмов, HALT.
За відомого часу MTBF ми можемо розрахувати ймовірність несправності пристрою до того, як MTBF минує. Це дуже корисна інформація, яка дозволяє оцінити загальну надійність системи. Правило просте: чим вищий MTBF, тим надійніший пристрій.
MTBF - це час, після якого надійність пристрою падає до 36,8%.
Як це можливо? Для розрахунку використовується рівняння надійності.
R (T) - надійність, виражена у відсотках щодо часу роботи пристрою
Т - час роботи пристрою
MTBF - середній час між відмовою