Sursele de alimentare moderne sunt caracterizate prin pretenții de eficiență din ce în ce mai mare, dar proiectanții se pot baza pe specificațiile fișei tehnice, întreabă Bernhard Erdl, PULS Power

eficienței

Măsurarea precisă a eficienței alimentării cu energie este esențială pentru inginerii de proiectare. Specificațiile de eficiență sunt furnizate de producători, dar cum sunt determinate valorile? Poate un utilizator final să facă măsurători și ce ar implica acest lucru?

Din ce în ce mai mulți designeri de sistem își dau seama că eficiența unei surse de alimentare are o influență directă asupra fiabilității acesteia. Este esențial - în special în cazul dispozitivelor răcite prin convecție - să se echilibreze dimensiunile necesare pentru sursa de alimentare cu fiabilitatea sau durata de viață a produsului final. Fără ventilație suplimentară, căldura poate fi disipată doar într-un grad limitat, iar proiectantul unei surse de alimentare trebuie să fie foarte atent pentru a obține cea mai mică generare posibilă de căldură. Alte elemente esențiale ale sistemului vor beneficia, de asemenea, de pierderi reduse de energie și de o generare minimă de căldură din sursa de alimentare.

Cinci recomandări

Următoarele trebuie să aibă cea mai mare prioritate atunci când se măsoară eficiența. S-au dovedit a fi indispensabile în practică.

Folosiți contoare de precizie. Dacă este posibil, analizatoare de putere sau wattmetre precise;

Asigurați cablarea corectă la configurarea măsurătorii și că se măsoară tensiunea corectă;

Când efectuați măsurători de curent alternativ, utilizați întotdeauna o sursă electronică de curent alternativ, dacă este disponibilă;

Evitați interferențele EMC de la dispozitivul testat;

Luați în considerare influențele de temperatură și timp.

Eficiența este o cifră care îi ajută pe proiectanți să realizeze o comparație adecvată a diferitelor surse de alimentare. Cu toate acestea, proiectanții de sisteme și utilizatorii de surse de alimentare sunt și mai interesați de căldura care rămâne în sursa de alimentare, adică pierderile de putere. Deoarece aceste pierderi de putere nu pot fi măsurate electric într-un mod direct, se poate lua în considerare doar diferența dintre puterea de intrare și de ieșire.

În prezent, majoritatea valorilor de eficiență se situează la aproximativ 95%, ceea ce corespunde unei pierderi de 5%. Cu toate acestea, erorile mici de măsurare la puterea de intrare și ieșire duc la erori mari la calcularea pierderii de putere. Dacă există o eroare de măsurare de doar 0,5%, adică în total 1%, calculul pierderii de energie ar fi greșit cu 20%. (Vezi Figura 1)

Figura 1: Impactul unei erori de măsurare de 1% în modificarea pierderilor fără sarcină, cu o eficiență crescândă

De asemenea, este important să rețineți că diferențele aparent mici de eficiență înseamnă o diferență mare în pierderile de putere. Valorile surselor de alimentare moderne se situează între 92 și 95%. Utilizatorul ar putea avea impresia că o diferență de 1 sau 2% nu va fi semnificativă. Aceasta este o concepție greșită; nu este valoarea absolută a eficienței, ci mai degrabă diferența față de valoarea ideală de 100% care contează cel mai mult.

Ca exemplu pentru sursele de alimentare comparabile cu ieșire 48V/5A, PULS QS10 are o eficiență de 92,0%, iar PULS CP10, introdus 10 ani mai târziu, are o eficiență de 95,5%. La prima vedere, diferența nu pare să fie o mare îmbunătățire. Cu toate acestea, pierderile de putere ale CP10 au fost reduse cu 41% în comparație cu modelul QS10.

Aceasta înseamnă că, la randamente mari, chiar și creșteri mici produc o reducere semnificativă a pierderilor fără sarcină. Odată cu creșterea eficienței, precizia măsurătorilor câștigă tot mai multă importanță, deoarece altfel ar fi imposibil să se determine pierderile de sarcină în mod corespunzător.

evitand erorile

Cu cât dezvoltatorul se apropie de eficiența de 100%, cu atât devine mai greu să măsoare cu precizie. Precizia de măsurare absolută este, prin urmare, esențială pentru a da o declarație exactă despre pierderile fără sarcină dintr-o sursă de alimentare. Multe erori ar putea fi evitate printr-o bună pregătire și măsurare profesională.

Cele mai frecvente surse de eroare sunt, principiul de măsurare incorect din cauza contoarelor necorespunzătoare, contoare inexacte, configurarea defectuoasă a măsurătorilor și neglijarea condițiilor de mediu.

Selectarea instrumentului ales

Există o serie de instrumente de măsurare care sunt utilizate pentru a determina eficiența. Cu toate acestea, toleranțele de măsurare și capacitățile instrumentelor de măsurare la măsurarea diferitelor semnale (AC sau DC) variază considerabil.

Multimetre care măsoară tensiunea și curentul intrărilor și ieșirilor pur DC. Tensiunea poate fi măsurată cu mare precizie direct la intrarea și ieșirea sursei de alimentare. Mulți multimetri au, de asemenea, capacitatea încorporată de a măsura curentul, dar acest lucru poate avea o inexactitate de 1% sau mai mult, intervalul de măsurare multimetru este limitat la 10A. În schimb, curentul ar trebui măsurat prin rezistențe de șunt de înaltă precizie cu o toleranță de 0,01%. Cu toate acestea, detectarea nesincronă a valorilor poate fi problematică, deoarece duce la erori dacă sunt prezente condiții fluctuante.

Înregistratoarele de date sunt mai bune pentru măsurătorile de curent continuu. Acestea constau dintr-un singur metru care este utilizat de mai multe ori prin multiplexare. În același interval de măsurare, erorile se anulează reciproc și toate valorile pot fi înregistrate și evaluate rapid cu ajutorul unei foi de calcul.

Cu toate acestea, puterea de intrare AC nu poate fi măsurată cu multimetre sau înregistratoare de date. Este o greșeală obișnuită să presupunem că este suficient să se măsoare adevăratul RMS al curentului și tensiunii și să se înmulțească cele două valori pentru a determina puterea de intrare. Cu toate acestea, acest calcul determină puterea aparentă și nu puterea reală care este crucială pentru pierderile de putere. Măsurarea puterii de intrare AC, chiar și cu multimetre RMS adevărate, oferă măsurători incorecte.

Wattmetrele sunt utilizate pentru măsurarea semnalelor de curent alternativ și oferă principiul corect. Valorile instantanee ale curentului și tensiunii sunt multiplicate și o valoare medie este calculată din aceste produse. Aceasta corespunde definiției fizice a performanței. Cu toate acestea, majoritatea wattmetrelor simple au o măsurare mare a inexactității (aproximativ 1%). Schimbarea frecventă a curenților de intrare sau ieșire (intrare AC, sarcină de ieșire variabilă) provoacă erori de măsurare suplimentare. Valorile fluctuante sunt astfel dificil de interpretat. În general, la măsurarea eficienței trebuie utilizate numai wattmetre de înaltă precizie.

Analizoarele de putere pentru a măsura eficiența surselor sale de alimentare au o precizie de bază ridicată de 0,02%. Alte beneficii sunt măsurarea puterii active, măsurarea simultană și, prin urmare, sincronă, a intrării și ieșirii și afișarea directă a pierderilor de putere și a eficienței. Un dezavantaj este prețul ridicat de achiziție implicat. Cu toate acestea, analizorul de putere este instrumentul ales pentru determinarea exactă a eficienței (Figura 2).

Figura 2: Eficiența surselor de alimentare în modul de comutare PULS este măsurată de analizoarele de putere

Cu toate acestea, un analizor de putere precis și costisitor nu poate oferi rezultate exacte dacă au fost comise erori în timpul configurării măsurătorii.

Toate pierderile de putere care nu provin de la dispozitivul supus testului nu pot fi incluse în măsurare. Acesta este principiul principal, atunci când vine vorba de corectarea cablării în măsurarea configurată. Fiecare cablu și fiecare rezistență la contact provoacă pierderi suplimentare de putere care pot distorsiona rezultatele măsurătorilor. O măsurare adecvată cu patru poli (măsurare Kelvin) trebuie să aibă cabluri separate pentru măsurarea curentului și tensiunii. (Vezi Figura 3)

Sursa de tensiune

Sursele simple de tensiune continuă sunt suficiente pentru sursele de alimentare cu comutare cu intrare DC. Pentru măsurătorile de curent alternativ, este important să știm că rezistența internă a sursei de tensiune influențează măsurarea prin forma curbei sinusului de rețea. Într-o sursă de alimentare de 240W fără PFC, a fost măsurată o diferență de 0,4% între puterea moale de la un transformator de reglare izolant și puterea tare de la o sursă electronică de curent alternativ. Aceasta oferă cele mai reproductibile valori și, prin urmare, este de preferat.

Figura 3: Datorită NTC, eficiența este foarte dependentă de timp și temperatură

În plus față de sursa de alimentare, sarcina utilizată trebuie să fie stabilă și reproductibilă. Sarcinile de la rezistențele de putere sunt problematice, deoarece nu trag un curent constant. Sarcinile electronice reprezintă o sarcină definită și reproductibilă pentru dispozitivul supus testului și chiar și rezistențele de tranziție fluctuante nu modifică curentul.

Sursele de alimentare neecranate din etapa prototipului pot interfera cu contoare și/sau pot determina fluctuația încărcăturilor. Măsurătorile nu trebuie să accepte semnale cu interferență HF de la contoare. Filtre suplimentare, mai ales inductoare în liniile de intrare, previn aceste probleme. Pierderile de energie nu ar trebui să poată curge în măsurătoare. Nu ar trebui să existe astfel de probleme la măsurarea surselor de alimentare curate, supuse interferențelor radio.

Considerații de mediu

Temperatura joacă un rol decisiv, deoarece pierderile de energie de la o sursă de alimentare sunt dependente de temperatură. Temperatura componentelor unei surse de alimentare este un factor crucial. Temperatura componentelor este suma temperaturii ambiante și a autoîncălzirii.

Diferitele componente din sursa de alimentare reacționează diferit la temperatură. În unele elemente esențiale o creștere a temperaturii are ca rezultat o reducere a pierderilor de putere, iar în alte componente le crește. Coeficienții negativi de temperatură (NTC) utilizați pentru limitarea curentului de intrare de intrare au o influență puternică. Sursele de alimentare cu astfel de componente au pierderi de putere mai mici în timpul funcționării și la temperaturi ambientale mai ridicate (coeficient de temperatură negativ), deoarece la temperaturi mai ridicate creșterea pierderii de putere este compensată din nou de alte elemente esențiale. (Vezi Figura 4)

Figura 4: Limitatorul de curent de pornire activ fără NTC oferă o eficiență care este mai puțin dependentă de timp și temperatură

Dispozitivele cu un limitator de curent de intrare activ afișează un comportament de temperatură mai stabil. Aici există doar o mică creștere a pierderilor de energie din temperatura. (Vezi Figura 5)

La efectuarea oricărei măsurători de eficiență, timpul de funcționare și temperatura ambiantă trebuie documentate astfel încât rezultatele să rămână trasabile.

Deoarece răcirea se face prin aer, presiunea aerului are o influență asupra autoîncălzirii. PULS a calculat cât de multă căldură suplimentară este generată de componentele la o altitudine mai mare, adică cu aproximativ + 10 ° C la o altitudine de 2.000m deasupra nivelului mării și aproximativ + 20 ° C la 4.000m. Umiditatea joacă doar un rol foarte minor și poate fi neglijată.

Fiecare componentă utilizată într-o sursă de alimentare are toleranțe și, prin urmare, nu fiecare dispozitiv fabricat este același. Pentru a găsi erori autentice, PULS măsoară foarte aproape pierderile de putere, chiar și în timpul producției, deși acest lucru nu este la fel de precis ca în laborator.

Utilizatorii care doresc să afle mai detaliat, pot lua propriile măsurători sau pot găsi un alt producător care să furnizeze specificații complete și exacte. Chiar și atunci, s-ar putea simți mai liniștiți dacă vor face singuri o ultimă măsurătoare.