Miten teholähteen hold-up / pitoaikaa voidaan pidentää?
Useat verkkosyötön häiriöt voivat aiheuttaa ongelmia laitteiden tehonsyötölle. Tällaisia häiriötä ovat mm. ukkosen aiheuttamat lyhyet verkkojännitekatkokset ja suurien sähkökoneiden aiheuttamat lyhytaikaiset verkkojännitteen pudotukset.
Sähköverkkoon kytkettävien teholähteiden pitoaika (hold-up -aika eli aika, minkä verkkoteholähde sietää ilman, että sen lähtöjännite putoaa nimellisarvon alle tai se sammuu) on tyypillisesti 10-20 ms. Pitempiaikaiset verkkokatkokset kuluttavat teholähteen elektrolyyttikondensaattoreihin varastoidun energian loppuun, jolloin lähtöjännite laskee normaalijännitteen alapuolelle tai teholähde sammuu. Teollisuussovelluksissa tämä voi aiheuttaa tuotantolinjan koneen uudelleenkäynnistymisen, mikä voi johtaa prosessitietojen menettämiseen sekä tuotantokatkokseen ja merkittäviin lisäkuluihin.
Lääketieteen laitteita säätelevässä lainsäädännössä on käsitelty sekä potilaalle että käyttäjälle aiheutuvien riskien analysointia. Nämä riskit on huomioitu lääketieteen laitteiden immuniteettistandardissa EN 60601-1-2; 2015 (Ed4). Itsehoitolaitteiden käytön lisääntyessä tähän standardiin on määritelty laitteiden testaus 20 ms:n ja 5 sekunnin välisillä verkkokatkoksilla. Koska ei voida odottaa teholähteen jatkavan toimintaansa useita sekunteja ilman verkkovirtaa, ratkaistaan tämä usein akkuvarmennuksella.
Lentokoneteollisuudessa DO-160-standardi on ollut käytössä jo vuosia. Kohdassa 16 viitataan tehonsyöttöön, jossa simuloidaan lentokoneen tehosyöttöolosuhteita ennen moottorin käynnistystä ja laskeutumisen jälkeen (käyttämällä ulkoista maaverkkoon kytkettyä aputeholähdettä) mukaan lukien hätätilanteet. Vaatimuksena on vähintään 200 ms:n pitoaika. Kaikki liikennelentokoneella lentäneet ovat varmasti huomanneet matkustamon valojen välkkyvän, kun lentokone kytketään maassa oleviin moottorigeneraattoreihin. Vaikka valot välkkyvät, eivät lentokoneen järjestelmät kuitenkaan sammu.
Millä menetelmillä pitoaikaa voidaan pidentää
Teholähteen pitoaikaa voidaan pidentää useilla menetelmillä, joista jokaisella on etuja ja haittoja.
Alla olevassa kuvassa on tyypillisen verkkoteholähteen lohkokaavio.
Kuva 1: AC-DC-teholähteen lohkokaavio
Verkkojännitteen häiriöt suodatetaan verkkosuodattimella, jonka jälkeen verkkojännite tasasuunnataan, suodatetaan ja muutetaan boost-konvertterilla noin 390 V tasajännitteeksi.
DC-DC-konvertteri erottaa teholähteen verkkosyötöstä ja muuttaa lähtöjännitteen sopivaan arvoon. Elektrolyyttikondensaattorin (C1) päätehtävänä on suodattaa tasasuunnattu verkkojännite ja varastoida energiaa vaihtovirran lyhytaikaisen katkeamisen varalta, jolloin voidaan välttää lähtöjännitteen putoaminen tai teholähteen sammuminen.
Kondensaattoriin C1 varastoitunut energia on ½ x C1 x V². Varastoidun energian ja siten myös varausajan lisäämiseksi joko kondensaattorin kapasitanssia tai kondensaattorin yli olevaa jännitettä on kasvatettava. Koska jännite V on toiseen potenssiin, on jännitteen kasvattamisella suuri vaikutus varastoituvaan energiamäärään.
Esimerkkejä pitoajan kasvattamiseksi
Jotta voisimme verrata eri menetelmiä pitoajan kasvattamiseksi, määrittelemme standardijärjestelmän kuormaksi 150W, jännitteeksi 12V (11,5 V minimijännite) ja pitoajaksi 200 ms.
1. Suurempitehoisen teholähteen käyttäminen pienemmällä kuormituksella.
Suuritehoisissa teholähteissä on yleensä enemmän kapasitanssia (C1) kuin pienempitehoisissa. Tämä johtuu siitä, että vastaavaa pitoaikaa varten kondensaattoreihin on varastoitava enemmän energiaa.
Jos tässä esimerkissä käyttäisimme TDK-Lambdan RWS150B-12-teholähdettä tuottamaan 12 V:n jännitteen 150 W:n teholla, meillä olisi vain 30 ms:n pitoaika (kuva 2), mikä on liian vähän.
Kuva 2: RWS150B-12-virtalähteen pitoaika lähtökuorman funktiona
Jos halutaan saavuttaa 200 ms pitoaika, voidaan käyttää TDK-Lambda CUS1500M-12 -teholähdettä, jonka nimellisteho on 1500 W. (Kuva 3).
Kuva 3: CUS1500M-12-teholähteen pitoaika lähtökuorman funktiona
CUS1500M-12:n kondensaattorin C1:n kapasitanssi on paljon suurempi kuin RWS150B-12:ssa ja koska teholähde syöttää vain 10 % nimellistehosta (150 W), pitoaika olisi yli 200 ms.
Tämä on hyvin yksinkertainen ratkaisu, mutta 1500W:n teholähde on suurempi ja kalliimpi.
Kuvassa vasemmalla RWS150B ja oikealla CUS1500M
2. Kapasitanssin lisääminen teholähteen lähtöön tai kuormaan
Lisäkapasitanssin (C3) lisääminen ulostuloon voi vaikuttaa helpolta ratkaisulta. Liitteen yhtälön 2 perusteella C3:n olisi kuitenkin oltava massiivinen 4 595 745µF eli 4,5 Faradia! Tämän kokoinen kondensaattori vaatii paljon tilaa ja saattaa aiheuttaa, että teholähde ei kytkeydy päälle koska näin suuri kapasitanssi vaikuttaa käynnistysvaiheessa teholähteen näkökulmasta oikosululta.
Kuva 4: Kapasitanssin lisääminen lähtöön
C = 2 x Pout x t / (V²- Vend²)
C = 2 x 150 x 0,18 / (12²- 11.5²)
Huomaa, että teholähteellä on jo 20 ms:n pitoaika, joten tarvittava lisäaika on 180 ms (0,18 s).
3. Kustomoitu teholähde suuremmalla ensiöpuolen kondensaattorilla (C1)
Kuten aiemmin mainittiin, kondensaattoriin varastoitu energia on yhtä kuin ½ x C x V², joten kondensaattorin C1a lisäämisellä alkuperäisen kondensaattorin C1 rinnalle on suurempi vaikutus kuin kapasitanssin lisääminen 12 V:n lähtöön.
Kuva 5: Ensiöpuolen lisäkapasitanssi
Koska C1a sijaitsee virtalähteen ensiöpuolella, kaikki muutokset teholähteeseen edellyttäisivät asiakaskohtaisen tai muutetun vakiomallin tekemistä. Tämä tarkoittaa lisäkuluja suunnittelukulun ja turvallisuussertifiointimaksujen muodossa. Muutoksen tekeminen ja sertifiointi vie myös aikaa.
Jos nykyisen teholähteen pitoaika on 20 ms, sen pidentäminen 200 ms:iin edellyttäisi ensiöpuolen kapasitanssin kasvattamisen kymmenkertaiseksi. C1-kondensaattori vie tyypillisesti 5-6 % teholähteen sisäisestä tilasta, joten kapasitanssin lisääminen kasvattaisi laitteen kokoa noin 50 % olettaen, että teholähteen korkeus pysyy samana.
4. AC-DC-teholähde 48V ja laajan tuloalueen eristämätön DC-DC-muunnin
48 V:n AC-DC-teholähdettä voidaan käyttää eristämättömän 9-53 V:n tulojännitealueen DC-DC-muuttajan kanssa jonka lähtöjännite on 12 V. Näiden DC-DC-muuntimien hyötysuhteet ovat usein jopa 96 %. C1 ei ole verkkopuolen kondensaattori, mikä helpottaa sertifiointia.
Kuva 6: 48 voltin teholähde ja eristämätön DC-DC-muunnin.
AC-DC-teholähteen pitoaika on 20 ms, mikä edellyttää 180 ms:n (t) lisäaikaa.
C = 2 x P x t / (Eff x (V² - Vend²))
Esimerkissämme tarvittava C1:n arvo olisi 2 x 150 x 0,18 / (0,96 x (48² - 9²)), josta saadaan kapasitanssiksi 25,304µF.
5. Puskurimoduulin käyttö
Puskurimoduulit ovat tehdasvalmisteisia osia, joissa käytetään elektrolyyttikondensaattoreita energian varastointiin. Niissä on sisäänrakennettu syöksyvirranrajoitus ja -suojaus.
TDK-Lambdan ZBM20-sarja soveltuu 12, 15 tai 48 voltin lähdöille. Puskurimoduulit on helppo lisätä teholähteen lähtöön ja niitä voidaan kytkeä rinnakkain pitoajan lisäämiseksi. Katso kuva 7.
Kuva 7: Puskurimoduulin kytkentä
Yhteenveto
Liite - Tarvittavan kapasitanssin laskeminen
Alla yhtälöt vaaditun pitokapasitanssin laskemiseksi.
Mittayksiköt ovat:
Energia - Jouleja, Teho - Watteja, Aika - sekunteja, Jännite - voltteja, Kapasitanssi - Faradeja, Hyötysuhde Prosenttia.
Energia (E) on lähtötehon (Pout) ja ajan (t) tulo.
Yhtälö 1:
E = Pout x t
Varastoitu energia (E) on puolet kapasitanssin (C) ja jännitteen (V) neliön tulosta.
E = 0,5 x C x V²
Järjestämällä uudelleen C:n suhteen saadaan:
C = 2 x E/V²
Huomautus: Kondensaattorin C jännite laskee, kun se purkautuu kuormaan. Jossain vaiheessa jännite on liian alhainen, jotta kuorma voisi toimia, jolloin kondensaattoriin jää käyttämätöntä energiaa. Tämä jännitepiste on "Vend". Skenaarioissa 2, 4, 5 käytetään 11,5 V:n jännitettä.
Käyttökelpoinen energia on alkuperäinen miinus jäljelle jäävä energia.
E = (0,5 x C x V²).) - (0,5 x C x Vend²)
Yhtälön kertolaskuilla saadaan:
E = 0,5 x C x (V² - Vend²) tai C = 2 x E / (V² - Vend²) = 2 x E / (V² - Vend²))
Kun E korvataan yhtälöllä 1, saadaan:
Yhtälö 2:
C = 2 x Pout x t / (V² - Vend²).
Tapauksissa, joissa käytetään erillistä DC-DC-muunninta, on otettava huomioon sen hyötysuhde (Eff). Eff huomioidaan AC-DC-teholähteen lähtötehon Pout arvossa:
P = Pout / Eff
Yhtälö 3:
C = 2 x P x t / (Eff x (V² - Vend²))
Laskentaesimerkeissä käytetyt teholähteet:
TDK-Lambda RWS150B-12
TDK-Lambda CUS1500M-12
TDK-Lambda ZBM20-sarja