Na tropie dobrych zasilaczy

Rys. 1. Bilans energetyczny przykładowego zasilacza

Wszystko to sprawia, że dostępnych jest wiele modeli zasilaczy - od zewnętrznych do tych montowanych wewnątrz urządzeń i maszyn. Jednocześnie jedne są w praktyce lepsze, inne gorsze, są też modele tańsze i droższe, w różnych wykonaniach i pochodzące od różnych producentów. Znalezienie zasilacza odpowiedniego do danej aplikacji może okazać się więc wcale niełatwe.

Przykładowo jeden zasilacz ma deklarowaną moc 120 W i charakteryzuje się napięciem wyjściowym 24 V_DC. Drugi ma takie same parametry, ale jego cena różni się o 100 zł. Czy przepłaci się kupując droższy? A może ten tańszy to produkt o raczej "wątpliwej jakości"? W artykule tłumaczymy, jak rozpoznać dobry jakościowo zasilacz.

JAKI POWINIEN BYĆ "DOBRY" ZASILACZ?

Zacznijmy od zdefiniowania, czym jest "dobry jakościowo zasilacz". Tego typu urządzenie to takie, o którym użytkownik… zapomina, że istnieje. Jest on też tak mały, jak to tylko możliwe, do tego niezawodny oraz zapewnia na tyle stabilne napięcie i wydajność energetyczną aby zasilane urządzenie mogło pracować w pełni poprawnie, nawet w trudnych warunkach. Na trudne warunki pracy składa się:

• niestabilne napięcie sieciowe, często poniżej wartości nominalnej - zasilacz musi wtedy pobrać większy prąd wejściowy, aby zapewnić dostarczenie energii do obciążenia, co z kolei sprawia, że bardziej się on grzeje,
• zmienne obciążenie - nagłe zmiany potrzebnej mocy, czasami większej od nominalnej; zasilacz powinien sprostać tym wymaganiom, jednocześnie stabilizować napięcie przynajmniej na poziomie ±10% wartości nominalnej,
• wysokie temperatury pracy - zasilacze pracujące w szafach sterowniczych mają często temperaturę pracy na poziomie 50°C; wysoka temperatura jest jak wiadomo wrogiem układów elektronicznych.

PRZEDE WSZYSTKIM CIEPŁO

Rys. 2. Przykładowe różne wielkości zasilaczy o mocy 120 W – najmniejszy gabarytowo z włoskiej firmy Cabur

Jak w gąszczu ofert znaleźć dobry jakościowy produkt. Kluczową sprawą jest ciepło. Zasilacz jako urządzenie, przez które przepływają nierzadko sporej wartości prądy, zwiększa swoją temperaturę podczas pracy. Sposób, w jaki następuje jego usuwanie, ma duży związek z jakością zasilacza.

Jak to rozpoznać? Odpowiedź jest prosta: wczytując się w kartę katalogową urządzenia i oceniając jego parametry. Pierwszą ważną kwestią, często pomijaną przez klientów, jest sprawność urządzenia. Zasilacze impulsowe (takie są dziś standardem) powinny mieć ją przynajmniej na poziomie 80%. Jednocześnie im większej mocy zasilacz, tym jego sprawność powinna być wyższa.

Przykładowo urządzenie 500-watowe z taką sprawnością jest już nie do zaakceptowania. Jakościowe zasilacze mają sprawności rzędu 87% dla mocy do 240 W i ponad 90% dla większych. Zasilacze o bardzo wysokiej sprawności (nawet 94,5%) produkuje włoska firma Cabur, której dystrybutorem w kraju jest Astat.

DLACZEGO SPRAWNOŚĆ JEST TAK WAŻNA?

Drugim ważnym parametrem jest dopuszczalna temperatura pracy. Dobry zasilacz impulsowy powinien móc pracować w temperaturze 50°C. Nie jest to wcale temperatura "trudna" do osiągnięcia, gdyż zasilacze z założenia grzeją się. Dla przykładu (patrz rys. 1) weźmy zasilacz o mocy 500 W i sprawności 88%. Takie urządzenie, aby oddać swoją moc nominalną, będzie musiało pobrać z sieci zasilającej 568 W.

Różnica 68 W wydzieli się w postaci ciepła Joule'a, co w przypadku tak małej objętości, jaką jest obudowa zasilacza, znacznie podniesie jego temperaturę. Wyobraźmy sobie dodatkowo miejsce montażu. Dla przykładu może nim być szafa sterownicza, a więc zamknięta przestrzeń gęsto zabudowana urządzeniami, które też wydzielają ciepło. W tej sytuacji możliwość pracy w temperaturze powyżej 50°C jest wręcz koniecznością.

Jednocześnie pomimo że producent poda moc nominalną zasilacza 500 W dla temperatury pracy 40°C (lub, co gorsza, w ogóle nie poda temperatury pracy), próg ten zostanie bez problemu przekroczony i skróci to żywotność zasilacza albo zadziałają zabezpieczenia termiczne, które go wyłączą. Wtedy nie należy korzystać z pełnej dostępnej mocy, a przykładowo jedynie 75% wartości nominalnej.

Niektórzy producenci radzą sobie z powyższym problemem zwiększając obudowę zasilacza, czasami wręcz do monstrualnych rozmiarów. Po zajrzeniu przez otwory wentylacyjne widać w takich zasilaczach mnóstwo wolnej przestrzeni, która ma pozwolić lepiej chłodzić urządzenie. Wymierną cechą porównawczą jest więc też wielkość zasilacza - i w tym przypadku duże wcale nie oznacza dobre.

MTBF TO NIE WSZYSTKO

Rys. 3. Markowy zasilacz CSG500C firmy Cabur o mocy 500 W: a) prześwit umożliwiający skuteczne odprowadzenie ciepła, b) elementy półprzewodnikowe zamocowane bezpośrednio na obudowie

Parametrem podawanym przez producentów jest współczynnik MTBF elementu najbardziej wrażliwego na temperaturę. W przypadku zasilacza jest to kondensator elektrolityczny. Niestety podawany jest on dla temperatury 25°C. Nie można go zatem odnieść do rzeczywistych warunków pracy urządzenia, gdyż współczynnik ten silnie zależy od temperatury.

Można za to porównać wielkości i jest to również jakiś wyznacznik. Dochodzimy do kolejnej kwestii, jaką jest jakość użytych komponentów. Trudno to jednak w pełni ocenić tylko na podstawie wyznacznika MTBF czy karty katalogowej. Kolejnym bardzo ważnym aspektem jest konstrukcja samego zasilacza. Najłatwiej jest go określić poprzez bezpośrednie zapoznanie się z urządzeniem.

Dobrą praktyką jest wykorzystanie obudowy do odprowadzania ciepła, czyli po prostu jako radiatora (na przykład poprzez zamocowanie do niej układów scalonych). Nienajlepszym rozwiązaniem jest zaś umieszczanie wewnątrz urządzenia radiatorów. Zmniejsza to tylko niepotrzebnie wolną przestrzeń. Nadmiar ciepłego powietrza powinien jak najszybciej opuścić wnętrze zasilacza, a umieszczanie radiatorów tylko niepotrzebnie wydłuża drogę: element - radiator - środowisko zewnętrzne.

PODSUMOWANIE

Wybierając zasilacz warto zwrócić uwagę na następujące jego parametry: sprawność, dopuszczalną temperaturę pracy, współczynnik MTBF oraz gabaryty. Warto też zainteresować się okresem gwarancji. Są nim minimum 2 lata, ale niektórzy producenci zapewniają więcej - nawet do 5 lat (np. wspomniany wcześniej Cabur). Jest to nie bez znaczenia, bo producent markowych urządzeń najzwyczajniej nie będzie się bał dać dłuższej gwarancji.

Producenci tacy zapewniają często jeszcze parametry przeciążeniowe, czyli oficjalnie dają możliwość przeciążania swoich zasilaczy. Podają wtedy prąd przeciążeniowy z dopuszczalnym czasem przeciążenia lub przedstawiają odpowiednie wykresy. Jest to spora zaleta lepszych urządzeń, gdyż w aplikacjach, gdzie od czasu do czasu potrzebna jest większa moc, nie trzeba ich przewymiarowywać.

Na podstawie powyższych rozważań widać, na co zwrócić uwagę szukając markowego zasilacza. Oczywiście nie zawsze na taki należy się decydować - czasami najważniejsza jest niska cena. Istotne jest też, aby wiedzieć, za co płaci się więcej.

Markowe komponenty i przemyślana konstrukcja oznaczają lepsze radzenie sobie układu z nadmiarem ciepła. Dzięki temu zasilacz ma dłuższą żywotność i jest bardziej niezawodny. Cechy te w przypadku omawianego elementu systemów automatyki są często najważniejsze.

Przemysław Datkiewicz
Astat
www.astat.com.pl