Tehon määrittely
Perinteisesti teholähde mitoitetaan sovelluksen tarvitseman tehon perusteella, yleisesti laskettuna V x A = W. Joissakin sovelluksissa voi olla hyödyllistä tutkia tarkemmin mikä on sovelluksen ottama suurin virtapiikki tai huipputeho ja sen kestoaika.
Millaiset kuormat aiheuttavat huipputehovaatimuksia teholähteelle?
Monet sähkömekaaniset komponentit mm. moottorit, pumput, puhaltimet ja solenoidit ottavat päälle kytkettäessä starttivirran, mikä on huomattavasti niiden tasaisen käytön tarvitsemaa virtaa tai tehoa korkeampi. Tämä huipputeho voi olla useita kertoja staattisen tilan tehoa suurempi mutta huipun kestoaika on verrattain lyhyt, usein muutamista sadoista millisekunneista muutamiin sekunteihin.
Tämän johdosta on usein hyödyllistä mitoittaa teholähde niin, että se pystyy antamaan tarvittavan piikkitehon mutta jatkuva antoteho on pienempi ja vastaa sovelluksen ottamaa staattista ottotehoa. Verrattuna tilanteeseen missä teholähde on mitoitettu antamaan jatkuvasti sovelluksen piikkiteho on dynaamisen piikkitehon antava teholähde pienempikokoisempi, edullisempi ja sen häviöteho on pienempi. Pienempi häviöteho tarkoittaa vähäisempää lämpenemistä ja sitä kautta laitteen parempaa luotettavuutta ja pitempää elinikää.
Mitä huipputeholla tarkoitetaan?
Jotkin teholähteet pystyvät antamaan huipputehon, joka on kaksin – kolminkertainen niiden normitehoon nähden. Näiden teholähteiden huipputeho on määritelty aikarajalla ja huipputehon/nominaalitehon käyttösuhteella (duty cycle). Kuvan 1 näyttää tyypillisen suurelle huipputeholle mitoitetun 48VDC ja 600W teholähteen suurimman huipputehon käyttösuhteen funktiona. Huipputehon käyttösuhde määritellään prosenttina koko teholähteen kuormitusajasta.
200VAC tulojännitteellä (kiinteä viiva) tästä teholähteestä voidaan ottaa 1.8kW 10% käyttösuhteella. Lisäksi tämän teholähteen tapauksessa valmistaja määrittelee suurimman huipputehon ajaksi 5 sekuntia. Jos teholähdettä kuormitetaan tällä huipputeholla sallittu aika, myös teholähteestä saatava jatkuva teho on rajoitettava ettei teholähteen keskimääräinen teho ylitä 600W ennen kuin teholähteestä otetaan seuraava huipputeho.
Sama taulukko kertoo myös, että 35% käyttösuhteella tästä teholähteestä saadaan 1300W huipputeho eli enemmän kuin kaksi kertaa sen nominaaliteho. Jos tämä taulukko kuvaisi sovelluksen todellista tehoprofiilia, sovellus toimisi hyvin 600W teholähteellä eli kustannussäätö 1.3kW teholähteeseen verrattuna olisi merkittävä.
Miten suurin huipputeho, nominaaliteho ja käytettävissä oleva huipputeho määritellään?
Jos teholähteestä otetaan huipputehopiikkejä, on tärkeää huolehtia ettei teholähteelle määriteltyä suurinta nominaalitehoa ylitetä. Kuva 2 ja yhtälö 1 esittävät nämä tehomäärittelyt.
α = Käytettävissä oleva huipputeho W
Wm = Suurin teholähteen antama nominaaliteho (600W)
Wp = Suurin huipputeho (1800W)
T = Teholähteen kuormituksen kokonaisaika (50s)
t = Suurimman huipputehon pisin sallittu aika (5 s)
Käyttösuhde / duty-cycle = 1800W huipputeholla (10%)
Tästä johdetaan:
T x 0.10 = 5 s
T = 5 s / 0.10 = 50 s
α = [(Wm x T) – (Wp x t)] ÷ (T – t)
= ((600W x 50s) – (1800W x 5s))/ (50s – 5s)
= 466.66 W = teholähteestä saatava suurin jatkuva teho yllä mainitulla kuormalla
Tässä tapauksessa teholähdettä voidaan kuormittaa 466 W (48V/9.7A) teholla 45 sekuntia jonka jälkeen 1800 W (48V/37.5A) teholla 5 sekuntia. Tällöin teholähteen keskimääräinen kuorma on 600W (48V/12.5A) tämän 50s sekvenssin aikana.
Jos voimme pienentää maksimikuormaa, lyhentää sen kestoaikaa / käyttösuhdetta voimme ottaa teholähteestä suuremman käytettävissä olevan huipputehon α.
Alla olevassa taulukossa on joitakin esimerkkejä erilaisista suurimmista huipputehoista, käytettävissä olevista huipputehoista ja niiden käyttösuhteista. Kaikki nämä parametrit voidaan laskea aiemmin esitetyllä yhtälöllä.
Huomaa, että tämä taulukko pätee vain tässä esimerkkitapauksessa. Kunkin teholähteen datalehdestä on aina selvitettävä teholähteen jatkuva sallittu kuorma, sallittu huippukuorma ja sen kestoaika. On myös otettava huomioon teholähteen tehon vähennys lämpötilan funktiona sekä sen vaikutus suurimpaan saatavaan huipputehoon ja jatkuvaan tehoon.
Edellä olevassa esimerkissä olemme käyttäneet 600W teholähdettä (maksimi lyhytaikainen huipputeho 2000W) syöttämään lyhytaikaisesti 2kW tehopiikin ja olemme laskeneet, miten se vaikuttaa teholähteestä saatavaan jatkuvaan huipputehoon.
On selvää, että 600W teholähde on huomattavasti edullisempi kuin teholähde, joka antaa 2kW jatkuvaa tehoa. Muita etuja ovat pienempi koko, alhaisempi paino ja pienempi tehohäviö, joka parantaa laitteen luotettavuutta ja lisää sen elinikää.
Muutamia esimerkkejä teholähteistä, mitkä pystyvät antamaan jatkuvaa tehoa suuremman huipputehon:
TDK-Lambda CUS350MP-1000-24
⦁ 350W jatkuva teho konvektiojäähdytyksellä, 1000W 5s ajan, duty cycle 45%
TDK-Lambda DRF124-24-1
⦁ 120W jatkuva teho, 180W 4s ajan, duty cycle 35%
TDK-Lambda HWS600P-48 (edellä olevan laskentaesimerkin teholähde)
⦁ 600W jatkuva teho, 2000W 5s ajan, duty cycle 5%; 1300W, duty cycle 35%