Zarządzanie zasilaniem

Od ponad 100 lat monitorujemy podstawowe parametry elektryczne takie jak prąd oraz napięcie. Początkowo miało to na celu zapewnienie tego, że zasilanie jest stabilne oraz jest odpowiednio dobrane do obciążenia. Wzrost wytwarzanej energii oraz specjalistycznych systemów jej dystrybucji do celów komercyjnych jak i przemysłowych spowodował zwiększenie zainteresowania na systemami pomiarowo - monitorującymi. Zarówno klienci komercyjni jak i przeciętny Kowalski jest coraz bardziej zainteresowany ilością zużywanej energii elektrycznej, a co się z tym idzie wydajnością energetyczną całego gospodarstwa domowe czy też firmy.

Do lat osiemdziesiątych pomiary były wykonywane przy pomocy mierników elektromechanicznych (analogowych), wykorzystujących różne ustroje pomiarowe. Wszystko zmieniło się dzięki technice mikroprocesorowej mającej również ogromny wpływ na inne dziedziny naszego życia. Szerokie zastosowanie mikroprocesorów oraz ich powszechność sprawiły, że stały się one głównym komponentem w cyfrowej ery. W zakresie zarządzania energią, wczesne wykorzystanie mikroprocesorów było widoczne w aparaturze pomiarowej oraz ochronie obwodów i instalacji. Korzyści z tego płynące były ogromne. Jeden miernik cyfrowy mógł bez problemów zastąpić kilka mierników analogowych. Przejście od mierników analogowych na cyfrowe spowodowało wysoki wzrost pomiarów mocy na przestrzeni lat 90’ oraz 00’. Obecny wzrost zaingerowania techniką pomiarową przenosi nas w inny wyższy wymiar inteligencji urządzeń pomiarowych. W chwili obecnej klienci wymagają dokładnych oraz aktualnych danych pomiarowych do lepszego i szybszego podejmowania decyzji mających na celu maksymalizację produkcyjności oraz wydajności energetycznej. W dalszej części tego artykułów przyjrzymy się bliżej dwóm głównym klasom zasilaczy: liniowych oraz impulsowych SMPS (Switch Mode Power Supplies). Wcześniej jednak opiszemy rozwiązania wbudowane (Embedded Solutions), które uprosiły projektowanie układów zasilających.

Rozwiązania wbudowane - Embedded solutions

Istnieje wiele zintegrowanych rozwiązań dostępnych w tej kategorii. Od układów scalonych zarządzania zasilaniem po kompletne układy zawierajcie wbudowane zasilacze liniowe lub SMPS.

Pojęcie scalonego układu zarządzania zasilaniem (Power Management Integrated Circuit - PMIC) odnosi się do całej gamy chipów, które zwykle wykorzystują funkcjonalność konwersji zasilania oraz funkcje regulacji mocy. Wykorzystanie układów PMIC znacznie upraszcza konstrukcje urządzeń zasilających, od prostych jednofunkcyjnych urządzeń takich jak regulatory napięcia do bardziej zawansowanych posiadających wiele zintegrowanych funkcji takich jak przetwarzanie czy monitorowanie zasilania.

W pełni zintegrowane rozwiązania są dostępne w postaci wbudowanych zasilaczy (Embedded Power Supplies). Oferują one gotowe rozwiązanie do bezpośredniej integracji ze sprzętem oraz zapewniają funkcje zasilaczy liniowych lub SMPS.

Przetwornice DC/DC

Przetwornice DC/DC są pewnym rozwiązaniem zasilającym, gdzie wymagane są dodatkowe opcje zasilania. Są samodzielnymi urządzeniami o mocach znamionowych dochodzących do 200 W, przeznaczonymi głównie do montażu na płytkach. Konwertery DC/DC mogą być typu obniżającego lub podwyższającego napięcie ze sprawnością dochodzącą nawet do 90%.

Zasilacze VI klasy energetycznej

Na początku lat 2000 większość systemów i urządzeń wykorzystywała zasilacze, które nie posiadały funkcji automatycznego wyłączania w momencie, gdy urządzanie było nie aktywne i w dalszym ciągu pobierały energię. Zasilacze, które są podłączone do nieużywanych urządzeń mogą zużywać nawet 1 W energii. Biorąc pod uwagę ich liczbę, można stwierdzić, że ilość marnowanej energii jest ogromna

W związku z tym konstruktorzy urządzeń zasilających do komputerów oraz elektroniki konsumenckiej stanęli przed kolejnym wyzwaniem, jakie stawiają im coraz surowsze wymagania, co do wydajności energetycznej zasilaczy. Wymagania te muszą być spełnione, aby mogły być one dopuszczone do międzynarodowej sprzedaży.

Dowiedz się więcej o klasie VI urządzeń zasilających z artykułu zamieszonego na DesignSpark: „Climb aboard the low-energy escalator"

Zasilacze liniowe oraz SMPS

Na poniższych diagramach zostały przedstawione dwa główne typy zasilaczy, linowe oraz impulsowe SMPS.

Niezależnie od jego typu przy ich wyborze należy rozważyć następujące czynniki:

• Specyficzne wymagania aplikacji, co do mocy znamionowej, szumów, oraz odpowiedzi impulsowej
• Bezpieczeństwo oraz wymagania kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)
• Sprawność
• Odpowiednie standardy i przepisy prawne dotyczące wszystkich powyższych punktów, jak również do certyfikacji CE, TÜV, FCC oraz UL, itp.

Zasilacze liniowe i regulatory napięcia

Zasilacze liniowe mają prostą konstrukcję oraz są łatwe w utrzymaniu, a co za tym idzie są nieco przestarzałe i nie spełniają wszystkich nowoczesnych wymogów, co do ich wydajności energetycznej. Podstawową funkcją liniowych regulatorów napięcia jest przekształcenie niestabilizowanego napięcia DC na często niższe napicie DC o stałej wartości.

Stałe napięcie wyjściowe jest niezbędne do działania wielu aplikacji, jednakże napięcie zasilające często pochodzi z wielu źródeł i może się od siebie różnić. Liniowy regulator napięcia stosuje się zatem, aby utrzymać napięcie wyjściowe na stały poziomie.

Zasilacze SMPS

W porównaniu z zasilaczami liniowymi układy SMPS cechują się tym, że są mniejsze, lżejsze oraz są dużo bardziej wydajne. Wiąże się to jednak z ich bardziej złożoną budową oraz koniecznością użycia dodatkowych komponentów, co zarazem zwiększa listę wymagań konstrukcyjnych, które należy wziąć pod uwagę. Lepszy poziom regulacji napięcia zasilaczy SMPS ma wpływ na minimalizacje strat energii oraz większą sprawność całego układu. Zasilacze SMPS wykorzystują wysokoczęstotliwościowe przełączanie (stad w nazwie słowo „switch”) tranzystorowe (zwyczajowo 10 kHz do 1 MHz) napięcia stałego do wytworzenia napięcia przemiennego, które następnie jest przekazywane do obciążenia poprzez cewkę lub transformator. Ze względu na pracę w wysokich częstotliwościach w układzie mogą być użyte mniejsze, lżejsze a zarazem tańsze kondensatory oraz transformatory.

Złącza zasilające

Wszystkie zasilane systemy wymagają bezpiecznego i pewnego sytemu dostarczania energii. Tak, więc wybór odpowiednich złączy zasilających jest jednym z kluczowych czynników, które należy wziąć po uwagę podczas projektowania. RS Components posiada w swojej ofercie wile rodzajów złączy zasilających, od zwykłych konektorów i terminali po wytrzymałe złącza przemysłowe zapewniające bezpieczne zasilanie niezależnie od rodzaju aplikacji.