Toiteplokkide liigid, standardid ja kasutamine
Toiteplokid
Mis on toiteplokid? Kuidas neid liigitatakse ja mida need teevad?
Vali endale sobiv toiteplokk: https://energiatehnika.ee/tootekategooria/toiteplokid/
Energiatehnika OÜ pakub toiteplokke tootjatelt nagu BLOCK ja Delta Electronics keda esindame ka Eestis. Vali õige toiteplokk koos inseneritoega – küsi pakkumist!
Toiteplokk on elektrotehnikas kasutatav seade, mis varustab elektrienergia tarbijat sobivate parameetritega elektriga (pinge, voolutugevus jne). Toiteplokid muundavad energia tarbijale sobivaks, näiteks keemilise energia elektrienergiaks või vahelduva võrgupinge alalispingeks.
Üldine tehniline info
Alalisvoolu toiteplokke (AC-DC) kasutatakse peamiselt vahelduva võrgupinge (AC) muundamiseks sobiva väärtusega alalispingeks (DC). Olemas on ka DC-DC toiteplokid, mis muudavad alalispinge ja -voolu väärtuseid vastavalt vajadusele.
Alalisvoolu toiteplokkide ehitus sõltub nende kasutuseesmärgist. Erinevad nõuded on välja toodud järgnevates standardites:
EN 60204/IEC 60204, EN 60335/ IEC 60335, EN 60950/IEC 60950, EN 62368,
EN 61558/ IEC 61558, EN 61204/ IEC 612041, EN 60601/IEC 60601.
Oluline kriteerium toiteplokkide valikul on sisend- ja väljundahelate vaheline isolatsioonitugevus.
Teiseks eristatakse, kuidas vahelduvpinge ja -vool muundatakse alalispingeks ja -vooluks.
- AC-DC muundur
Vahelduvpinge sisend, alalispinge väljund
- DC-DC muundur
Alalispinge sisend, alalispinge väljund
- DC-AC muundurd
Alalispinge sisend, vahelduvpinge väljund
- AC-AC muundur
Vahelduvpinge sisend, vahelduvpinge väljund
Toiteploki valikul tuleb arvestada ka väljundpinge stabiilsuse ja pulseerimisega. Sellest tulenevalt eristatakse järgnevaid kategooriaid:
- Stabiliseerimata alalisvoolu toiteplokid
- Stabiliseeritud alalisvoolu toiteplokid
Standardid
Firma Block toiteplokid on toodetud vastavalt järgnevatele standarditele, kui pole kliendiga muud nõuded kokku lepitud.
- Stabiliseerimata toiteplokid
EN 61558, IEC 61558: Trafode, reaktorite, elektritoiteplokkide ja nende kombinatsioonide ohutus. Osa 1: Üldnõuded ja katsetused
- Stabiliseeritud toiteplokid
EN 61558, IEC 61558 Trafode, reaktorite, elektritoiteplokkide ja nende kombinatsioonide ohutus. Osa 1: Üldnõuded ja katsetused ja osa 2-17 Erinõuded lülititalitluses toimiva elektrivarustuse trafodele
EN 61204, IEC 61204: Madalpinge alalisvooluväljundiga elektrivarustusseadmed. Talitlusomadused ja ohutusnõuded
EN 62368, IEC 60950: Infotehnikaseadmed. Ohutus.
Stabiliseerimata alalisvoolu toiteplokid
Stabiliseerimata toiteplokkide väljundi alalispinge väärtus muutub vastavalt sisendpinge kõikumisele ja väljundis olevale koormusele.
Pinge pulsatsioon defineeritakse tavaliselt protsentides väljundpinge väärtusest.
Isegi tänapäeval on stabiliseerimata toiteplokid kasutusel tänu oma tugevale ja lihtsale ehitusele, mis tagab suure töökindluse.
Stabiilsus
Nimi-väljundpinge 24 VDC vastab sisendi nimipingele ja 50-75% koormusele. See vastab üldjuhul tavalistele rakendustele.
Toiteploki sisetakistus määrab väljundpinge piirväärtuse tühijooksul ja suurima lubatud koormusega olukorras. Mida kõrgem väljundpinge stabiilsus on vajalik, seda keerukam komponentide struktuur on vajalik. Piirväärtused on määratud rakenduse tehniliste nõuetega või tootestandardiga.
Nendes piirväärtustes püsimine on tagatud ka toite (lubatud vahemikus) ala- ja ülepinge korral sõltumata koormusest. Lubatud ülepinge on kuni +10% nimipingest.
Pingepulsatsioon
Stabiliseeritud alalisvoolu toiteplokid
Stabiliseeritud toiteplokkides on elektroonilised pinge reguleerimisahelad, mis hoiavad alalispinge (mõnel juhul ka alalisvoolu) ettenähtud vahemikus. Väljundpinge reguleerimisel arvestatakse pidevalt sisendpinge kõikumise ja koormuse muutustega.
Väljundi alalispinge pulsatsioon on millivoltides ja koormus väljundil mõjutab seda ainult vähesel määral. Tihti on ka väljundi alalisvool piiratud, mis võib pakkuda kaitset ülekoormuse eest.
Toiteplokkide liigid:
- Lineaarsed toiteplokid
- Impulsstoiteplokid
Lineaarsed toiteplokid
Paljudel juhtudel koosneb lineaarne toiteplokk trafost, filtreeritud väljundiga alaldist ja stabilisaatorist. Stabilisaator koosneb tavaliselt jõutransistoridest.
Elektroonilised juhtahelad kindlustavad stabiilse väljundpinge. Väljundit võrreldakse pidevalt tugipingega. See pidev võrdlus juhib regulaatorit ja määrab täpse väljundpinge.
Eelised:
- Galvaaniline eraldus tänu võrgutrafole
- Erinevad pinge väärtused tänu trafo väljavõtetele
- Lihtne ehitus
- Stabiliseerib kiiresti
- Väga madal pulsatsioon
- Väga vähe EMÜ (elektromagnetilise ühilduvuse) probleeme
- Soodne kuni võimsuseni 50 W
Puudused:
- Madal kasutegur
- Kasutegur sõltub suuresti sisendpinge kõikumistest
- Märkimisväärne soojenemine, eriti suurte väljundvoolude korral
- Ehituslikult suured mõõtmed
- Suurem kaal
Energia- ja materjalisäästlikkuse vajaduse tõttu lineaarseid toiteplokke enam laialdaselt ei kasutata.
Impulsstoiteplokid
Kui lineaarselt stabiliseeritavate toiteplokkides väljundpinget ja -voolu reguleeritakse pidevalt, siis impulsstoiteplokkide puhul neid suuruseid lülitatakse (lõigatakse). See tähendab, et transistoreid kasutatakse lülititena, et saavutada sobiv väljundpinge. Selliseid toiteplokke iseloomustab kõrge kasutegur. Jõupooljuhtide lülitamisel ja elektrienergia ülekandmisel tekkivad kaod on väikesed.
Väljundi reguleerimist teostatakse impulsside täiteteguri muutmisega püsival sagedusel või muutuval sagedusel konstantse täiteteguri korral. Selle tulemusel tekkiv nelinurkpinget saab trafoga muundada peaaegu igale soovitud pingetasemele, misjärel pinge alaldatakse. Kõrge taktsagedus, alates 20 kHz kuni mitmed MHz, võimaldab kasutada väikeseid ja oluliselt soodsama maksumusega feriittrafosid, drosseleid ja kondensaatoreid.
Sekundaarpoolne impulsstoiteallikas
Elektrivõrku on ühendatud 50 või 60 Hz trafo, mis vastab elektrilise isolatsiooni ohutusnõuetele. Pärast trafo sekundaarpinge alaldamist on laadimiskondensaatoril soovitust kõrgem potentsiaalide vahe. Alalisvooluahelasse on järgmisena ühendatud pinget vähendav muundur, mille lülitussagedus on tavaliselt üle 20 kHz.
Regulaator lülitab jõupooljuhte, et saavutada väljundis stabiilne alalispinge. Regulaator võrdleb väljundpinget tugipingega. Nende kahe pinge võrdluse tulemusel muudetakse täitetegurit, et hoida pinget stabiilsena õige väärtuse juures.
Eelised:
◦ Trafo galvaaniline isolatsioon tagab eralduse võrgupingest
◦ Saab kasutada mitut sisendpinget vastavalt trafo primaarmähise väljavõtetele
◦ Väga lihtsad ahelad
◦ Suhteliselt kõrge kasutegur, toitevõrgu pingemuutused ei avalda suurt mõju
Puudused:
◦ Suured mõõtmed ja kaal (madalsagedustrafo tõttu)
◦ Väljundi stabiliseerumisaeg sõltub taktsagedusest ja on aeglasem kui lineaarsel toiteplokil ◦ Suhteliselt palju müra väljundis ja esineb pingepiike
◦ EMÜ (elektromagnetilise ühilduvuse, ka EMC) probleemid seoses taktsagedusjuhtimisega
Primaarpoolne impulsstoiteplokk
Tööpõhimõte on sama nagu eelmisel variandil, aga puudub võrgusageduslik trafo. Lisaks feriittrafo isolatsioon peab vastama ohutusnõuetele, et eraldada väljundahel ohtlikust võrgupingest.
Eelised:
- Väga kõrge kasutegur; toitepinge kõikumised mõjutavad vähesel määral
- Väikesed mõõtmed
- Kergem
- Lai sisendpinge vahemik
- Sõltuvalt vajadustest võib toide olla nii vahelduv- kui ka alalispinge
Puudused:
- Keerulisemad ahelad (rohkem osi, rohkem võimalikke tehnilisi probleeme)
- Suhteliselt pikem väljundpinge stabiliseerumisaeg, mis sõltub taktsagedusest
- Suhteliselt mürarikas väljundpinge, pingepiigid
- Taktsagedusjuhtimise tõttu EMÜ probleemid, mürarikkam kui võrgutrafoga toiteplokid
Stabiilsus
Stabiliseeritud väljundiga toiteplokkide väljundpinge stabiilsust mõjutavad peamiselt järgmised asjaolud:
- Toitevõrgu pinge
Tüüpilised piirväärtused standardi EN 61204 järgi on -15% kuni +10% nominaalpingest.
- Koormus
Koormusel 0-100% väljundi nimivoolust ja kõige ebasoodsamal võrgupingel peab väljund olema stabiilne.
- Temperatuuri mõju
Tihti vaadeldakse temperatuuri mõju kõige halvemate temperatuuritingimuste korral, nagu
◦ Külm toiteplokk, mis töötab madalal koormusel ja kõige madalama lubatud ümbritseva keskkonna temperatuuri juures.
◦ Toiteplokk on töötemperatuuril, rakendatud on maksimaalne koormus ja suurim lubatud keskkonna temperatuur.
Toiteploki väljundpinge ebastabiilsustegur näitab alalispingeväljundi võimalikku kõikumist protsentides, võttes arvesse tegureid nagu toitevõrgu pinge, koormus ja keskkonna temperatuur. Tehnilistes andmetes toodud stabiilsusprotsent lähtub väljundi nimipingest.
Tüüpilised väärtused:
0,5% lineaartoiteplokkide korral
2% impulsstoiteplokkide korral
Hälve
Alalisvoolu toiteplokkide väljundpinge puhul saab üldjuhul arvestada nimiväärtusega. Selle väärtuse täpsus sõltub toiteploki ehitusest. Mõnda tüüpi toiteplokkidel saab väljundväärtust ise muuta. Tavaliselt 24 VDC toiteplokkide väljundpinge reguleerimisulatus on 22 VDC kuni
28,8 VDC. Tuleb arvestada, et toiteploki väljundi ebastabiilsus võib muutuda, kui muuta väljundpinge suurust.
Stabiliseeritud toiteplokkidel, mille väljundpinge on fikseeritud väärtusega, on lubatud piirhälve üldjuhul ±2% või ±5% nimiväärtusest.
Pulsatsioon
Stabiliseeritud alalisvoolu toiteplokkide pulsatsioon on palju madalam, võrreldes stabiliseerimata toiteplokkidega, kus väljundi pulsatsioon ulatub mitmetesse voltidesse. Seetõttu pole stabiliseeritud toiteplokkide pulsatsioon välja toodud enam protsentides, vaid absoluutväärtusena millivoltides. Siiski võivad esineda pingepiigid, mis tekivad väljundi reguleerimise ja lülitusprotsesside käigus. Pulsatsioon sõltub ka stabiliseeritud toiteploki tööpõhimõttest.
Kui toiteploki väljund peab olema nii puhas kui võimalik, siis väiksematel võimsustel on soovitatav kasutada lineaarselt stabiliseeritud toiteplokki.
Voolupiirang
Stabiliseeritud toiteplokkidel on üldjuhul väljundvoolu piirangu või voolulõike funktsioon. See välistab koormuse riknemise korral liigse voolutarbe ja võib vältida tulekahju teket näiteks vigase koormuse tõttu. Lisaks koormuse kaitsmisele kaitseb toiteplokk ka ennast hävimise eest, kui koormus peaks rikki minema.
Tugiaeg
Tugiajaks nimetatakse aega, mille jooksul toiteplokk suudab väljastada väljundis nimivoolu, kuigi toitepinge on eemaldatud. Selle aja jooksul on väljundpinge tolerantsi piires, juhul kui toite eemaldamise hetkel oli sisendpinge vähemalt 90% nimiväärtusest.
Kõige lihtsam viis tugiaja suurendamiseks on laadimiskondensaatori mahtuvuse suurendamine. Kuigi kondnesaatori mahtuvuse suurendamine mõjub positiivselt tugiajale, võib see endaga kaasa tuua ka soovimatuid kõrvalmõjusid. Näiteks, aeglane pingetõus väljundil pärast toite sisselülitamist ja reguleerimistunnusjoonte muutus.
Enamikel juhtudel jääb tugiaeg vahemikku 3-10 ms, mõningatel juhtudel isegi 20 ms. Et tugiaega märkimisväärselt pikendada, on tavaliselt vajalik UPS toiteallikas.