Zasilacz przemysłowy – czym jest i jak działa?

main img
Co to jest Powerline?
30 lipca 2019
aka zdj
Monitorowanie układów zasilania w służbie zdrowia za pomocą systemu isolguard
12 sierpnia 2019

Zasilacz przemysłowy – czym jest i jak działa?

aa 1

aa 1

1Co to jest zasilacz?

Zasilacz jest urządzeniem elektronicznym przekształcającym jeden rodzaj energii elektrycznej (najczęściej sieciowe napięcie przemienne AC) w drugi (najczęściej napięcie stałe DC) w obrębie danej mocy. Każdy zasilacz jest określony przez trzy podstawowe parametry charakteryzujące poziomy napięć i moce.

Parametry te są najważniejsze z punktu widzenia doboru elektrycznego zasilaczy:


2Co to jest zasilacz impulsowy?

Zasilacz (z angielskiego power supply) jest urządzeniem transformującym jeden poziom napięcia na inny, wymagany do zasilania danego urządzenia. Katalog ten dotyczy głównie zasilaczy transformujących napięcie sieci zasilającej (1 lub 3 fazowej) na napięcie stałe 12 VDC lub 24 VDC o mocach od kilkunastu do kilkuset watów.

Budowa zasilacza impulsowego: napięcie sieciowe jest prostowane i przetwarzane na napięcie stałe. Układ modulacji szerokości impulsów PWM (ang. Pulse width modulation) generuje napięcie o częstotliwości 50-200 kHz. Umożliwia to znaczną redukcję strat w miedzi, ponieważ liczba zwojów transformatora maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Napięcie wtórne jest prostowane, filtrowane, po czym zostaje przekazane bezpośrednio na obciążenie. W celu stabilizacji napięcia mierzony jest prąd i napięcie wyjściowe i odpowiednio zmienia się współczynnik wypełnienia przebiegu sterującego kluczem po pierwotnej stronie transformatora.

Rys. 2.3) Zasada działania zasilacza impulsowego

3Co to jest napięcie wejściowe zasilacza?

Napięcie wejściowe zasilacza oznacza napięcie przyłączone na zaciski wejściowe urządzenia. Dla zasilaczy stosowanych w automatyce jest to najczęściej 230 VAC dla wejść jednofazowych lub 3 x 400 VAC dla wejść trójfazowych, rzadziej spotykane są wejścia jednofazowe 110 VAC lub 24 VAC.

4Co to jest znamionowe napięcie wejściowe zasilacza?

Poziomy znamionowe napięć sieciowych przyjętych na świecie pokazuje poniższa tabela. Napięcia sieciowe w różnych krajach wg. IEC-EN

Sieć jednofazowaNapięcie znamionowemin-max napięcie
Europa230 VAC ±10%207 - 253 VAC
Wielka Brytania240 VAC ±10%216 - 264 VAC
USA120 VAC ±10%108 - 132 VAC
Japonia100 VAC ±10%90 - 110 VAC
Sieć trójfazowaNapięcie znamionowemin-max napięcie
Europa400 VAC ±10%360 - 440 VAC
USA207 VAC ±10%186 - 228 VAC
Kanada575 VAC ±10%517 - 632 VAC

Normy IEC oraz EN dopuszczają wahania napięcia sieciowego w przedziale około ±10% wartości znamionowej przyjętej przed dany kraj.

5Jak czytać oznaczenia napięcia wejściowego na zasilaczach?

Normy IEC, EN, UL pozwalają producentom na oznaczenie napięcia znamionowego zasilacza na wiele różnych sposobów, ale wymagają by podany był na tabliczce zasilacza również prąd pobierany z sieci przy danym napięciu wejściowym.

Prąd wejściowy jest podstawową informacją techniczną pozwalającą prawidłowo dobrać grubość przewodów połączeniowych oraz zabezpieczenia prądowe na linii AC. Zatem jeśli na tabliczce znamionowej podane jest 100-240 VAC, prąd pobierany z sieci musi być podany dla napięć 100 VAC oraz 240 VAC, jeśli na etykiecie jest 120-230 VAC, prąd pobierany z sieci musi być dla napięć 120 VAC oraz 230 VAC. Najczęściej spotyka się na etykietach zasilaczy napięcia 120-230 VAC i odpowiednie dla tych napięć prądy, ponieważ te poziomy napięć zostały przyjęte przez najwięcej krajów.

Producent musi również podać końcowemu użytkownikowi minimalne i maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe zasilacza oraz musi jasno zaznaczyć, czy należy zastosować jakieś ograniczenia w związku z wahaniami napięcia wejściowego dopuszczalnego przez IEC-EN, np. pewne ograniczenie prądu wyjściowego przy napięciu wejściowym 90 VAC.

W każdym razie według międzynarodowych standardów IEC-EN-UL każdy zasilacz, jak również każde inne urządzenie, musi pracować prawidłowo przy wahaniach napięcia sieciowego ±10% wartości znamionowej.

Istnieje jednak kilka trudności technicznych w projektowaniu zasilaczy impulsowych, które potrafią utrzymać niezmienne parametry wyjściowe w szerokim zakresie wahań napięcia zasilającego np. w zakresie od 90 do 264 VAC. Normy IEC-EN-UL pozwalają jednak producentowi na obniżenie parametrów wyjściowych przy pracy w warunkach granicznych, np. gdy napięcie wejściowe będzie wynosiło tylko 90 VAC. Producent musi wówczas przedstawić użytkownikowi informację o każdej redukcji parametrów, warunkach środowiskowych, ograniczeniach parametrów znamionowych w formie jasnej dokumentacji technicznej na produkcie, w karcie katalogowej lub instrukcji użytkownika.

6Jakie są zakresy napięć wejściowych w zasilaczu?

Zasilacze stosowane w automatyce mają najczęściej następujące zakresy napięć:

  • Zasilanie o szerokim zakresie: przykładowo zakres napięć zasilających od 90 do 264 VAC umożliwia zasilanie z sieci jednofazowych zarówno 110 VAC, jak i 230 VAC. Taki zakres napięć pokrywa również dopuszczalne wahania napięcia ±10%.
  • Zasilanie dwuzakresowe: jedno z dwóch napięć należy wybrać za pomocą odpowiedniej zworki lub przełącznika np. 110 VAC (±10%)lub 230VAC (±10%). Wybór złego zasilania grozi uszkodzeniem zasilacza.
7Czy za wysokie napięcie wejściowe może uszkodzić zasilacz?

Przy zasilaniu napięciem powyżej maksymalnej dopuszczalnej wartości może zostać uszkodzone wejście zasilacza. To, czy uszkodzenie nastąpi, czy nie zależy od wartości napięcia oraz czasu. Jeśli zasilacz o wejściu 100-240 VAC będzie zasilany napięciem 400 VAC przez czas dłuższy niż kilka ms uszkodzenie stopnia wejściowego zasilacza jest nieuniknione.

Jeśli zasilacz jest zasilany napięciem wyższym niż maksymalna dopuszczalna wartość przez czas dłuższy niż klika ms, natychmiastową konsekwencją jest zwarcie warystora zabezpieczającego przed przepięciami dołączonego pomiędzy linie L i N w zasilaczach 1-fazowych lub L1-L2-L3 w zasilaczach 3-fazowych. Powoduje to wybuch i spalenie warystora. Gdy warystor jest zwarty, zadziała zabezpieczenie nadprądowe/zwarciowe na linii AC i odłączy obwód. Ponowne załączenie obwodu będzie niemożliwe, ponieważ cały obwód jest zwarty przez uszkodzony warystor.

8Jak ograniczyć ryzyko uszkodzenia zasilacza zbyt wysokim napięciem wejściowym?

Istnieje specjalna grupa zasilaczy o szerokim napięciu wejściowym. Akceptują one napięcie zarówno fazowe L+N 230VAC, jak i międzyfazowe L-L 400VAC. Typowy zakres akceptowalnego napięcia to 185-550VAC.

9Co się dzieje, gdy napięcie podane na zasilacz jest niestabilne?

Napięcie wejściowe zasilacza nigdy nie jest idealne, zwłaszcza w środowisku przemysłowym. Istnieje wiele zjawisk wpływających niekorzystnie na pracę zasilaczy. Są to przede wszystkim:

  • Zapady napięcia: gdy wartość napięcia jest niższa niż dopuszczona przez IEC, EN i UL przez długi okres.
  • Przerwy w napięciu: gdy napięcie spada do zera na kilka okresów AC
  • Flickery (migotanie): niskoczęstotliwościowe wahania napięcia sieci w odniesieniu do wartości znamionowej.

Powyższe zdarzenia obniżają jakość i parametry sieci zasilającej. Często występują w energetycznych systemach przemysłowych i mogą być niebezpieczne dla wszystkich urządzeń, nie tylko zasilaczy. Słaba jakość napięcia AC jest bardzo często przyczyną uszkodzeń urządzeń elektronicznych zasilanych z linii AC.


10Co to jest prąd wejściowy w zasilaczu?

Znamionowy prąd wejściowy

Znamionowy prąd wejściowy jest to prąd, który płynie przez obwód wejściowy (prąd pobierany z sieci) przy znamionowym napięciu zasilania, znamionowym napięciu wyjściowym i znamionowej mocy wyjściowej.

W zasilaczach impulsowych prąd wejściowy ulega zwiększeniu, gdy napięcie wejściowe ulega zmniejszeniu. Dzieje się tak dlatego, że urządzenie musi utrzymać stały prąd na wyjściu (stałą moc).

Czas życia urządzenia elektronicznego zależy od temperatury pracy jego elementów składowych, co jest ściśle powiązane z przepływem prądu przez nie i zdolności odprowadzania ciepła. Konsekwencją tego jest fakt, że jeśli weźmiemy dwa identyczne zasilacze o napięciu wejściowym np. 100-240 VAC i jeden z nich będzie pracował przy napięciu 100 VAC a drugi przy 240 VAC, to ten pracujący przy niższym napięciu będzie miał krótszy czas życia, ponieważ pracuje przy większym prądzie wejściowym.

Prąd rozruchowy (startowy)

Podczas załączenia zasilacza pojawia się impuls prądu o dużej wartości szczytowej i czasie trwania kliku ms. Prąd ten zwany prądem rozruchowym lub startowym pojawia się na skutek procesu ładowania wejściowych kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory elektrolityczne są widziane przez mostek prostowniczy (a zatem i przez sieć zasilającą) jako zwarcie w czasie ich ładowania. Efekt ten pojawia się z każdym załączeniem zasilacza lub po zaniku i powrocie napięcia sieciowego. Prąd rozruchowy zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia sieciowego oraz wraz ze wzrostem pojemności kondensatorów elektrolitycznych.


Prąd rozruchowy a selektywność zabezpieczeń

Impuls prądu pojawiający się w czasie załączenia zasilacza może spowodować zadziałanie zabezpieczeń zwarciowych/przeciążeniowych po stronie AC. Zadziałanie zabezpieczeń może być również spowodowane zapadami napięcia, flickerami lub zanikami napięcia AC, które w niektórych przypadkach można rozumieć jako sekwencja "włącz — wyłącz" zasilacz.

Ponieważ zaniki napięcia (bardzo krótkie przerwy w dostawie energii) często są niewidoczne z punktu widzenia użytkownika, wyłączenie zasilacza z ich powodu może niesłusznie sugerować awarię i prowadzić do niepotrzebnego i kosztownego zatrzymania procesu, maszyny, systemu itp. Jeśli zasilacz nie jest wyposażony w mechanizmy ograniczania prądu startowego, to dobór zabezpieczeń przed przeciążeniem i ograniczenie prądu na przewodach zasilających jest kłopotliwe. W takim przypadku, jeśli poziom zabezpieczenia linii jest dobrany na maksymalny szczytowy prąd rozruchowy, prawdopodobnie będzie to wartość za duża, by skutecznie chronić przewody. Z drugiej strony, gdy poziom zabezpieczenia będzie za mały, przewody będą pewnie i skutecznie chronione, ale może to prowadzić do częstych wyłączeń przy starcie zasilacza lub przy niestabilnej sieci zasilającej.

Przy zasilaczach 3-fazowych o prądach wyjściowych rzędu 20 A, 30 A, 40 A prąd rozruchowy jest zawsze bardzo duży (ponad 80 A w impulsie, podczas gdy znamionowy prąd wejściowy to około 1-2 A), dlatego w obwodzie wejściowym zasilaczy niezbędny jest układ ograniczający ten właśnie prąd.

Ograniczenie prądów startowych

  • Na chwilę obecną istnieją dwie podstawowe metody ograniczania prądów startowych zasilaczy: Metoda biernego ograniczenia prądów startowych: na wejściu zasilacza włączony jest szeregowo termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym (jego rezystancja znacznie naleje przy wzroście temperatury). Przy załączeniu zimnego zasilacza duża szeregowa rezystancja ogranicza prąd startowy. Po rozgrzaniu się urządzenia podczas normalnej pracy rezystancja obniża się i nie powoduje dodatkowych strat i spadków napięcia. Wadą tego rozwiązania są problemy przy załączeniu już rozgrzanego urządzenia. Pomimo tego jest to wystarczające i tanie rozwiązanie przy zasilaczach małej mocy do 120 W.
  • Metoda aktywnego ograniczenia prądów startowych: na wejściu zasilacza włączony jest szeregowo rezystor o stałej rezystancji, który na zasadzie zwierania i rozwierania przez tranzystor sterowany z układu pomiarowego prądu kształtuje średnią rezystancję, która odpowiednio ogranicza prąd. Metoda bardzo skuteczna, niezależna od temperatury, stosowana w zasilaczach dużych mocy.
11Co to jest napięcie wyjściowe w zasilaczu?

Znamionowe napięcie wyjściowe jest to napięcie, jakiego zasilacz powinien dostarczać przy zmianach prądu wyjściowego od 0 do 100%. Jeśli napięcie wyjściowe jest nastawialne, to najczęściej zakres tego napięcia podany jest przy potencjometrze służącym do jego nastawiania. Napięcie wyjściowe zasilaczy impulsowych jest bardzo stabilne i dokładne dzięki pętli regulacji ze sprzężeniem zwrotnym. Pomimo układu regulacji obniżenie się napięcia wyjściowego może mieć miejsce na skutek:

  • dużego spadku napięcia na linii AC
  • dużego przeciążenia na wyjściu np. przy starcie urządzeń o ciężkim rozruchu lub zwarcia na linii DC.

W wyżej wymienionych przypadkach spadek napięcia jest nieunikniony. Gdy jednak spadek napięcia na wyjściu nie jest spowodowany powyższymi czynnikami lub innymi zewnętrznymi warunkami oznacza to prawdopodobną awarię zasilacza.

Zasilacze o nastawialnym napięciu

Jeżeli zasilacz wyposażony jest w możliwość nastawienia wartości napięcia wyjściowego (najczęściej za pomocą potencjometru), należy pamiętać, że zasilacz posiada pewne dopuszczenia (np. według UL) dla znamionowej mocy wyjściowej, a nie dla znamionowego prądu. Konsekwencją tego jest fakt, że jeśli napięcie wyjściowe nastawimy na poziomie np. 27 VDC, prąd wyjściowy należy zredukować tak, by utrzymać znamionową moc zasilacza zgodną z dopuszczeniem. Przykładowo niech moc zasilacza wynosi 240 W (24 VDC / 10 A). Jeśli podniesiemy napięcie do 27 VDC, to przy 10 A moc wyniesie 270 W, a dopuszczenie jest tylko do 240W. Zwiększenie mocy wyjściowej zasilacza powoduje wzrost temperatury elementów, więc jeśli zwiększamy napięcie wyjściowe zasilacza powyżej wartości znamionowej, należy jednocześnie ograniczyć prąd wyjściowy, by utrzymać moc znamionową, a co za tym idzie dopuszczenia.

Jeśli nie ograniczymy prądu, to w przypadku awarii odpowiedzialność spada na użytkownika końcowego, który używał urządzenia niezgodnie z przeznaczeniem. Z drugiej jednak strony zabezpieczenie termiczne zasilacza gwarantuje bezpieczną pracę w przypadku niestosowania się do powyższych reguł.

Tętnienia i szumy

Tętnienia i szumy na wyjściu DC to okresowe (tętnienia) lub losowe (szumy) sygnały w zakresie częstotliwości od 10 Hz do 20 MHz, mierzone w mVpp (pik-pik, wartość międzyszczytowa). Typowe pomiary szumów i tętnień dokonywane są przy znamionowym prądzie wyjściowym i obciążeniu rezystancyjnym, znamionowym napięciu wejściowym, po 5-minutowym rozgrzaniu, za pomocą oscyloskopu o paśmie 20 MHz i sondy z kondensatorem ceramicznym 0,1 mF i elektrolitycznym 10 mF podłączonej bezpośrednio do wyjścia. Zasilacze liniowe charakteryzują się tętnieniami o niskich częstotliwościach, najczęściej 100 Hz związanych z częstotliwością sieciową. Zasilacze impulsowe charakteryzują się tętnieniami o wysokich częstotliwościach rzędu 70..120 kHz związanych z częstotliwością pracy przetwornicy, jak i o niskich częstotliwościach związanych z częstotliwością sieciową.

Rys. 4.1) Tętnienia pochodzące od częstotliwości kluczowania

Rys. 4.2) Tętnienia pochodzące od linii zasilającej


Negatywne skutki tętnień i szumów

W zasadzie w większości zastosowań tętnienia i szumy generowane przez zasilacze impulsowe nie odgrywają żadnej roli, ponieważ większość urządzeń w automatyce może pracować przy tętnieniach do 500 mVpp. Typowe wartości tętnień współczesnych zasilaczy to 40-200 mVpp. Tętnienia mogą być przyczyną problemów, gdy zasilacz generuje je zbyt duże wskutek uszkodzenia lub gdy zasilane urządzenie jest bardzo wrażliwe na tętnienia. Często problemy związane z tętnieniami wynikają ze złego okablowania i uziemienia obwodu.

Inne źródła szumów

Jeśli zasilacz służy do zasilania obciążeń indukcyjnych takich jak np. silniki DC i nie są one wyposażone w odpowiednie filtry i urządzenie tłumiące przepięcia, należy pamiętać o tym, że tego typu obciążenia generują bardzo duże szumy do linii DC, które z kolei mogą powodować problemy lub nawet awarię innych urządzeń zasilanych z tej samej linii DC.


Stabilizacja napięcia

Stabilizacja napięcia jest to zdolność zasilacza do utrzymywania napięcia znamionowego na zadanym poziomie (np. 24 VDC) niezależnie od zmian napięcia zasilającego i obciążenia.

Stabilizacja napięciowa

Stabilizacja przy zmianach napięcia zasilania (zwana też krócej stabilizacją napięciową) jest to zdolność do utrzymywania stałego napięcia na wyjściu zasilacza przy zmianach napięcia zasilającego AC w maksymalnym dopuszczalnym przedziale (najczęściej ±10% wartości znamionowej lub w przedziale min-max napięcia zasilającego podanego przez producenta). Parametr ten jest właściwie bardzo dobry w większości zasilaczy impulsowych i rzadko jest powodem problemów.


Stabilizacja obciążeniowa

Stabilizacja przy zmianach obciążenia (zwana też krócej stabilizacją prądową lub obciążeniową) jest to zdolność do utrzymywania stałego napięcia na wyjściu zasilacza przy zmianach obciążenia od 0 do 100%. Parametr ten jest bardzo ważny z punktu widzenia jakości napięcia DC w aplikacjach, gdzie obciążenie zmienia się w sposób skokowy i gdzie obciążenie wymaga dużego prądu rozruchowego.

Podczas załączania obciążeń wymagających dużego impulsu startowego, napięcie wyjściowe może spaść do wartości znacznie niższej niż znamionowe. Spadek zależy od amplitudy impulsu prądu i czasu jego trwania. Jeśli impuls prądu wymagany przez obciążenie jest większy niż impuls możliwy do przeniesienia przez zasilacz i jeśli ponadto czas trwania impulsu jest zbyt długi, wówczas zasilacz może potraktować impuls prądu jako przeciążenie. Przeciążenie zasilacza skutkuje jego wyłączeniem (układ zabezpieczenia przed skutkami przeciążeń i zwarć) lub obniżeniem napięcia wyjściowego, co w obu przypadkach może powodować problemy w działaniu urządzeń zasilanych z tej samej linii DC.

Jakość stabilizacji napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia zależy głównie od przyjętej koncepcji i technologii wykonania układu zabezpieczeń przed skutkami przeciążeń. Niektóre obciążenia wymagają impulsu prądowego przy starcie sięgającego 5, 10, a nawet 20 krotności prądu znamionowego, co może być istotnym problemem przy zasilaczach o małej dynamice (zobacz zabezpieczenia przed przeciążeniem i zwarciem).

Tętnienia pochodzące od częstotliwości kluczowania

Odpowiedz na skok obciążenia od 1 A do 10 A przy napięciu wyjściowym +24 V

Czas podtrzymania

Czas podtrzymania jest to czas, w którym zasilacz może utrzymać napięcie i prąd znamionowy po odłączeniu go od sieci zasilającej. Czas podtrzymania waha się od 50ms do 100 ms.

Zgodnie z normami IEC/EN z zakresu jakości zasilania, napięcie AC w linii zasilającej może spaść do zera przez czas 10 ms i jest to uważane za naturalne i nieuniknione zjawisko w sieci zasilającej. Jako konsekwencja każde elektroniczne urządzenie musi pracować poprawnie przy 10 ms przerwach w zasilaniu. Czas podtrzymania mierzony jest przy pełnym obciążeniu od momentu spadku napięcia zasilającego poniżej 10% wartości znamionowej. Koniec pomiaru ma miejsce, gdy napięcie wyjściowe zasilacza spadnie do 10% wartości znamionowej. Gdy w czasie zaniku napięcia zasilacz nie był w 100% obciążony czas podtrzymania wydłuży się.

Aby wydłużyć czas podtrzymania, można podłączyć kondensatory elektrolityczne do wyjścia (napięcie znamionowe kondensatorów musi być wyższe niż napięcie wyjściowe zasilacza). W linii 24 VDC o prądzie 1 A dodanie 1.000 mF do wyjścia spowoduje wydłużenie czasu podtrzymania o 2 ms. Kondensatory elektrolityczne w czasie ładowania są "widziane" przez zasilacz jako zwarcie, zatem zbyt duża pojemność może przeciążyć zasilacz.

Interpretacja czasu podtrzymania w rzeczywistym układzie


Czas narastania

Czas narastania jest to czas pomiędzy chwilą załączenia napięcia sieci a chwilą, gdy na wyjściu uzyskamy znamionowe napięcie i prąd. Czas narastania zależy nie tylko od konstrukcji i mocy zasilacza, ale również od napięcia sieci i obciążenia. Czas narastania wynosi od kilku milisekund do kilku sekund i nie jest krytycznym parametrem.

Narastanie napięcia wyjściowego po załączeniu zasilacza.

Ograniczenie napięcia wyjściowego

Obwód ograniczenia napięcia wyjściowego jest to układ, który w przypadku wewnętrznego uszkodzenia zasilacza zapobiega pojawieniu się na wyjściu napięcia wyższego niż 32 VDC (w zasilaczach o napięciu znamionowym 24 VDC) w celu ochrony przed uszkodzeniem zasilanych urządzeń.

Efekt zadziałania zabezpieczenia przed przepięciem w zasilaczu 24 V

Niektóre zasilacze są również wyposażone w układ zabezpieczający przed uszkodzeniami z powodu przepięć przychodzących z linii DC.

12Co to jest prąd wyjściowy w zasilaczu?

Znamionowe napięcie wyjściowe jest to napięcie, jakiego zasilacz powinien dostarczać przy zmianach prądu wyjściowego od 0 do 100%. Jeśli napięcie wyjściowe jest nastawialne, to najczęściej zakres tego napięcia podany jest przy potencjometrze służącym do jego nastawiania. Napięcie wyjściowe zasilaczy impulsowych jest bardzo stabilne i dokładne dzięki pętli regulacji ze sprzężeniem zwrotnym. Pomimo układu regulacji obniżenie się napięcia wyjściowego może mieć miejsce na skutek:

  • dużego spadku napięcia na linii AC
  • dużego przeciążenia na wyjściu np. przy starcie urządzeń o ciężkim rozruchu lub zwarcia na linii DC.

W wyżej wymienionych przypadkach spadek napięcia jest nieunikniony. Gdy jednak spadek napięcia na wyjściu nie jest spowodowany powyższymi czynnikami lub innymi zewnętrznymi warunkami oznacza to prawdopodobną awarię zasilacza.


Zabezpieczenie przed przeciążeniem i zwarciem

Zabezpieczenie przed skutkami przeciążeń i zwarć (krócej, choć nie do końca prawidłowo zwane zabezpieczeniem przed przeciążeniem i zwarciem) jest to obwód zabezpieczający przed awarią (prąd przeciążeniowy przegrzewa zasilacz), gdy na wyjściu zasilacza pojawi się prądu większy niż znamionowy. Zabezpieczenie to jest często oznaczane z angielskiego jako OVLD (Overload Short Circuit Protection). Zasilacze są projektowane tak, by wytrzymać prąd znamionowy ciągły oraz prąd przeciążeniowy w ograniczonym czasie. W zależności od projektu zasilacza w przypadku przeciążenia układ zabezpieczający ogranicza:

  • prąd wyjściowy
  • napięcie wyjściowe
  • prąd i napięcie wyjściowe
  • czas trwania przeciążenia

Praktycznie wszystkie zasilacze są w stanie dostarczyć prądu większego niż znamionowy w czasie zwarcia lub przeciążenia przez określony czas. Prąd przy przeciążeniu może wynosić np. +1% lub nawet +100% prądu znamionowego, a czas trwania takiego przeciążenia może się wahać od kilku milisekund do kilku sekund w zależności od konstrukcji zasilacza.

  • Najczęściej mówi się, że w zasilaczu powinno zadziałać zabezpieczenie przed przeciążeniem, gdy jego napięcie wyjściowe jest o 10% niższe od napięcia znamionowego.
  • W czasie gdy wyjście zasilacza dostarcza prąd przeciążeniowy niższy od maksymalnego dopuszczalnego prądu przeciążeniowego, napięcie wyjściowe pozostaje stabilne.
  • Gdy prąd przeciążeniowy jest większy od dopuszczalnego prądu przeciążeniowego, napięcie wyjściowe spada stopniowo (lub bezpośrednio, w zależności od konstrukcji zasilacza) prawie do zera.
  • Gdy wyjście zasilacza jest całkowicie zwarte, pojawia się znikome napięcie wyjściowe zależne od całkowitej szczątkowej rezystancji linii DC, czyli:
    • rezystancji szczątkowej uszkodzonego obciążenia, które spowodowało zwarcie
    • rezystancji przewodów, złącz i bezpieczników
    • wewnętrznej rezystancji obwodu wyjściowego zasilacza
13Jakie zabezpieczenia posiada zasilacz?

Tryb Hiccup

Przy pomocy technologii Hiccup konstruktorzy próbują znaleźć złoty środek pomiędzy zabezpieczeniem przed przeciążeniami, impulsami prądu na wyjściu i zabezpieczeniem samego zasilacza. Technologia Hiccup bazuje na możliwości dostarczenia bardzo dużych impulsów prądowych na wyjściu zasilacza z ograniczeniem czasu ich trwania do np. 100 ms lub 500 ms. W przypadku zwarcia lub przeciążenia na wyjściu pojawia się impuls prądu do 200% prądu znamionowego o czasie trwania np. 500ms. Po tym czasie wyjście jest odłączane na dłuższy czas np. 2 sekundy, po czym ponownie załączane na 500 ms. Cykl ten powtarza się, dopóki przyczyna przeciążenia lub zwarcia nie ustąpi. Technologia ta pozwala na uzyskanie dużych impulsów prądowych przez stosunkowo długi czas, co umożliwia start urządzeń o ciężkim rozruchu z jednoczesną ochroną zasilacza przed przegraniem i uszkodzeniem.

Tryb stałej mocy

W przypadku zwarcia napięcie wyjściowe spada prawie do zera, a prąd wyjściowy zwiększa się do wartości maksymalnej wynikającej z konstrukcji zasilacza. Prąd przeciążeniowy jest nieustannie dostarczany do obwodu przez czas trwania zwarcia (obwód nie jest przerwany). Jeśli prąd przeciążeniowy jest przynajmniej 30% większy od znamionowego, to technologia ta pozwala na start urządzeń o ciężkim rozruchu i zapewnia selektywność zadziałania zabezpieczeń. Podstawowa wada tego rozwiązania to praca zasilacza w ciężkich warunkach (dostarcza prąd większy od znamionowego). Uwaga! Każde zabezpieczenie przed skutkami przeciążeń i zwarć jest projektowane i stosowane, by chronić zasilacz, a nie by używać go jako zabezpieczenie przewodów linii DC i urządzeń. Jednakże, gdy używamy zasilacza małej mocy np. 5 A lub mniejszego i gdy przewody mają przekrój 1,5 mm², wówczas układ zabezpieczeń zasilacza chroni jednocześnie linię DC. Gdy użyty zostanie zasilacz 10 A lub więcej do zasilania wielu drobnych obciążeń zbiorczej szyny DC i użyte zostały przewody 0,75 mm², wówczas dodatkowe zabezpieczenie na linii jest konieczne.

14Co to jest moc zasilacza?

Moc znamionowa jest to moc, którą zasilacz może dostarczać w sposób ciągły przy jednoczesnym zachowaniu pełnej wydajności i wszystkich parametrów zawartych w katalogu i do puszczeniach bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury (patrz też prąd znamionowy i napięcie znamionowe).

15Co to jest sprawność zasilacza?

Każde urządzenie elektroniczne przy przetwarzaniu energii traci pewną moc z mocy pobieranej z sieci głównie na ciepło. Ciepło, które powyższa jego temperaturę i temperaturę otoczenia, nie jest energią użyteczną i dlatego nazywana jest mocą strat (wyjątek to urządzenia grzejne). Wysoka sprawność oznacza małe rozproszenie mocy na ciepło, oszczędność energii, niższą temperaturę w obudowie. Współczesne zasilacze są w stanie osiągnąć sprawność 90% dla jednofazowych oraz 94% dla trójfazowych.

16Jak wyliczyć ciepło wydzielane przez zasilacz?

Zasilacz o mocy wyjściowej przykładowo 100 W i sprawności 85% pobiera z sieci moc 117,6 W. Dzieje się tak dlatego, że 17,6 W jest tracone na ciepło. Producenci najczęściej nie zaznaczają mocy pobieranej z sieci, ale zaznaczają sprawność zasilacza, dzięki której możemy wyliczyć całkowitą moc i moc traconą na ciepło według wzoru:

Ptrac = (Pwyj / η) - Pwyj

Przykład:
100 W (moc wyjściowa) / 0,85 (sprawność) = 117,6 W (całkowitej mocy wejściowej)
117,6 W (moc wejściowa) - 100 W (moc wyjściowa) = (17,6 W mocy traconej na ciepło)

17Co to jest połączenie szeregowe zasilaczy?

Wszystkie zasilacze można łączyć szeregowo w celu podwyższenia napięcia wyjściowego. Napięcie wyjściowe jest wówczas sumą napięć zasilaczy składowych. Należy pamiętać, że łączenie szeregowe nie zwiększa mocy układu i dopuszczalny prąd jest równy dopuszczalnemu prądowi najmniejszego z zasilaczy. Diody odsprzedające nie są obowiązkowe, jednak są zalecane ponieważ zabezpieczają odbiornik.

Połączenie szeregowe zasilaczy

18Co to jest połączenie równoległe zasilaczy?

Połączenie równoległe w celu zwiększenia mocy

Wszystkie zasilacze można łączyć równolegle w celu zwiększenia mocy, chyba że producent zaznaczył inaczej. Należy jednak przestrzegać następujących wskazówek:

  • Należy łączyć równolegle zasilacze tego samego modelu (najlepiej również z tej samej partii produkcyjnej).
  • Należy nastawić równe napięcia wyjściowe z dokładnością ± 50 mV na wszystkich łączonych zasilaczach zgodnie z następującą procedurą: poczekać 5 min. na rozgrzanie zasilaczy, dołączyć do wyjścia obciążenie rezystancyjne na 20-50% prądu znamionowego, ustawić napięcie, połączyć zasilacze równolegle.
  • Wyjścia każdego z zasilaczy należy podłączyć do dodatniego i ujemnego zacisku głównej szyny zasilającej. Nie należy podłączać zasilaczy między sobą w formie "łańcucha" przy użyciu ich własnych zacisków.
  • Łączenie równoległe w celu zwiększenia mocy nie wymaga stosowania diody odprzęgającej (tzw. oring diode) na wyjściu każdego z zasilaczy. Ich stosowanie jest jednak zalecane przy zasilaczach nie wyposażonych w układ współdzielenia prądu (current share cirtuit). Układy współdzielenia prądu czuwają nad równomiernym rozkładem mocy pomiędzy zasilacze pracujące równolegle.
  • Należy pamiętać, że całkowita moc połączonych równolegle zasilaczy nie jest sumą mocy zasilaczy składowych. Całkowita moc wynosi około 80% sumy mocy zasilaczy składowych. Przykładowo dwa zasilacze po 5 A nie dadzą 10 A tylko około 8 A.

Połączenie równoległe w celu redundancji

Nadmiarowość (redundancja) jest obowiązkowa w aplikacjach, gdzie wymagany jest najwyższy stopień niezawodności, zarówno ze względu na bezpieczeństwo, jak i zapewnienie nieprzerwanej pracy. Praca redundantna zasilaczy polega na ich równoległym połączeniu w następujący sposób:

  • Każdy zasilacz przystosowany do pracy w układach redundantnych powinien być fabrycznie (lub przez użytkownika) wyposażony w diodę odprzęgającą podłączoną szeregowo do bieguna dodatniego wyjścia zasilacza (tzw. oring diode). Każdy zasilacz musi być wyposażony w taką diodę po to, by zwarcie na jednym z zasilaczy (np. wskutek jego awarii) nie spowodowało zwarcia i zadziałania zabezpieczeń przeciążeniowych wszystkich pozostałych zasilaczy.
  • Zasilacze w układach redundantnych muszą być wyposażony w sygnalizację obecności lub braku napięcia na wyjściu. Realizowane jest to najczęściej przez bezpotencjałowy zestyk przekaźnika lub cyfrowy sygnał TTL.
  • Zasilanie w układach redundantnych dla każdego z zasilaczy powinno być niezależne lub niezależnie zabezpieczone osobnymi zabezpieczeniami z uwzględnieniem odpowiedniej selektywności zadziałania po to, by w razie zwarcia po stronie sieci przy jednym zasilaczu nie odłączyć napięcia przy wszystkich zasilaczach.
  • Pojedynczy zasilacz pracujący w układzie redundantnym musi posiadać moc umożliwiającą samodzielne zasilanie całego układu w najgorszych warunkach. Jeśli całkowita moc układu wynosi przykładowo 240 W, to każdy z zasilaczy łączonych równolegle musi mieć co najmniej 240 W.

Połączenie równoległe zasilaczy

19Jak dobrze dobrać moc zasilacza uwzględniając temperaturę pracy?

Zależności między prądem a temperaturą

Prąd znamionowy i temperatura pracy są ze sobą ściśle powiązane. Prąd płynący przez elementy, przewodniki, ścieżki PCB itp. powoduje małe spadki napięcia, które pomnożone przez wartość płynącego prądu daje moc rozpraszaną na ciepło Joule`a. Skutkuje to wzrostem temperatury elementów i otoczenia. Zasilacze stosowane w automatyce przemysłowej najczęściej pracują w zamkniętych obudowach, szafach sterowniczych, wmontowane w panele itp., gdzie maksymalna dopuszczalna temperatura wynosi 45°C (113 F). Z tego powodu prąd znamionowy powinien być podawany zawsze dla danej temperatury pracy i najczęściej jest to właśnie 45°C. Nawet jeśli niektórzy producenci deklarują pracę zasilacza w temperaturze wyższej niż 45°C (113 F), przykładowo 60°C (140 F), należy pamiętać, że długotrwała praca urządzenia w podwyższonej temperaturze skraca żywotność urządzenia. Jest to proces nieodwracalny, z którym nawet najlepszy producent zasilaczy sobie nie poradzi.

Temperatura pracy zasilaczy

Dobrej klasy zasilacze o przyzwoitej sprawności pracując w temperaturze otoczenia 25°C (77 F) i dostarczając prąd znamionowy, rozgrzewają się do temperatury o 25-35°C (77-95 F) ponad temperaturę otoczenia. Osiągają zatem temperaturę 50-60°C (122-140 F) w najgorętszym swoim punkcie. Przy temperaturze otoczenia 45°C (113 F) ten sam zasilacz osiągnie zatem 70-80°C (158-176 F) w najgorętszym swoim punkcie, co oznacza maksymalną dopuszczalną temperaturę ze względu na żywotność niektórych elementów elektronicznych (przykładowo żywotność kondensatorów elektrolitycznych jest podawana dla 105°C (221 F)).


Moc rozpraszana na ciepło

Gdy wewnątrz zamkniętej obudowy tracona jest jakaś moc elektryczna, temperatura powietrza w jej wnętrzu wzrasta w porównaniu z temperaturą powietrza na zewnątrz. Przyrost temperatury powietrza wewnątrz obudowy jest tym większy, im mniejsza jest objętość i wymiary obudowy.

Praca zasilaczy w zamkniętych, małych obudowach

Moc tracona przez urządzenia elektroniczne zwiększa ich temperaturę i zwiększa temperaturę otaczającego powietrza. Zakładając, że urządzenie pracuje w zamkniętej obudowie, temperatura wewnątrz obudowy zwiększa się. Ogólna zasada jest prosta: im mniejsza jest objętość obudowy tym temperatura wewnątrz będzie większa.

Wskazówka: 1W mocy traconej na ciepło wewnątrz obudowy o objętości 1 dm³ zwiększa temperaturę o 10°C (50 F). Dobierając zasilacz, musimy obliczyć jego prąd znamionowy oraz poziom ograniczenia prądu w funkcji temperatury, mając na uwadze również objętość obudowy, temperaturę otoczenia oraz moc rozpraszaną na ciepło przez inne urządzenia w tej samej obudowie. Należy również wziąć pod uwagę fakt, że jeśli zasilacz zasila urządzenia w tej samej obudowie, to one również powodują wzrost temperatury.

20Jak dobrać zasilacz pod względem izolacji?

Normy IEC, EN oraz UL określają dwie klasy izolacji dla urządzeń zasilanych z linii AC.

Urządzenia klasy I:

Definiowane również jako urządzenia "o podwójnej izolacji". Zbudowane są najczęściej z plastikowej, nieprzewodzącej obudowy, która nie może znaleźć się pod niebezpiecznym napięciem wskutek awarii urządzenia, dlatego też nie musi być podłączona do przewodu ochronnego. Uwaga: niektóre urządzenia klasy I mają złącze GND w celu podłączenia zewnętrznego filtru EMI, a nie ze względów bezpieczeństwa.

Urządzenia klasy II:

Są zbudowane z metalowej obudowy, na której może pojawić się niebezpieczne napięcie wskutek awarii urządzenia i dlatego obudowa musi być podłączona do przewodu ochronnego.

Nawet jeśli zasilacz jest zabezpieczony przez odpowiedni bezpiecznik (co najczęściej ma miejsce w przypadku zasilaczy 1-fazowych) zalecane jest zabezpieczenie linii AC zasilającej zasilacz dodatkowym zabezpieczeniem nadprądowym lub bezpiecznikiem. Pozwala to również na bezpieczne odłączenie zasilacza od linii AC w celu zapewnienia bezpiecznej modyfikacji przy zasilaczu lub okablowaniu. Zasilacze 3-fazowe na ogół nie są dostarczane z wewnętrznym bezpiecznikiem, zatem zewnętrzne zabezpieczenie na linii AC jest absolutnie konieczne, by zapewnić ochronę przed porażeniem elektrycznym lub pożarem.

21Czy należy zabezpieczać zasilacz zewnętrznym zabezpieczeniem nadprądowym?

Jeśli zasilacz nie jest dostarczony z wewnętrznym bezpiecznikiem, należy go koniecznie zabezpieczyć zewnętrznym bezpiecznikiem od strony linii AC. Zasilacze 3-fazowe zazwyczaj nie posiadają wewnętrznego bezpiecznika, zatem zewnętrzne zabezpieczenie na linii AC jest koniecznością, by zapewnić ochronę przed porażeniem i ochronę przed ryzykiem pożaru. Nawet jeśli zasilacz jest wyposażony w wewnętrzny bezpiecznik, to ze względów bezpieczeństwa pracy zalecane jest dodatkowe zabezpieczenie zewnętrznym bezpiecznikiem lub wyłącznikiem nadprądowym

Nawet jeśli zasilacz wyposażony jest w bezpiecznik na wejściu chroniący przed skutkami przeciążeń, przewody AC zasilające urządzenie muszą być również zabezpieczone przed przeciążeniem, jeśli ich długość jest większa niż 4 m, licząc od głównej szyny (normy EN). Niemniej jednak w celu lepszej ochrony przed porażeniem elektrycznym i ryzykiem pożaru zaleca się zawsze stosowanie dodatkowego zabezpieczenia przed przeciążeniem na przewodach AC.

Przemysław Datkiewicz

Autor artykułu

Zapytaj o produkt

Napisz wiadomość

61 849 80 98

Oceń ten artykuł