Figura 1: Pompe de perfuzie și comportamentul tipic al vârfurilor de sarcină. (© PRBX/ Superstar-Shutterstock)
Sursele de alimentare sunt peste tot și nu există echipamente electronice fără așa ceva. Cu alimentare de la baterii sau de la rețea, există tot atâtea soluții de alimentare pe cât de multe sunt aplicațiile și, de la senzori pentru corpul uman, alimentați cu energie recoltată, până la sisteme de mare putere pentru imagistică medicală, cum ar fi RMN, toate sursele de alimentare medicale au o cerință comună, aceea de a fi sigure, fiabile și eficiente din punct de vedere energetic. Dacă majoritatea echipamentelor medicale necesită surse de alimentare convenționale care să respecte mediul de operare și să furnizeze energie constantă, zi de zi, pe parcursul vieții lor, există anumite categorii de aplicații care solicită o sursă de alimentare capabilă să asigure vârfuri de putere, fie ocazional, fie în mod repetat. Pentru astfel de aplicații, producătorii de echipamente medicale trebuie să ia în considerare o serie de parametri pentru a se asigura că sursa de alimentare pe care o selectează va fi capabilă nu numai să facă față unui maraton, ci, în anumite aplicații specifice, să poată efectua un sprint, fără a compromite siguranța, performanța și fiabilitatea.
Ce trebuie luat în considerare atunci când un maraton necesită efectuarea unui sprint?
În timp ce producătorii de echipamente medicale garantează că o sursă de alimentare respectă standardele de siguranță (EN/IEC 60601-1), performanța de ieșire a acesteia depinde în mare măsură de comportamentul sarcinii echipamentului final. Dacă în cazul sistemelor de monitorizare și supraveghere consumul de putere este relativ stabil și ușor de prevăzut, în cazul echipamentelor medicale, cum ar fi anumite paturi de spital, pompe de perfuzie, ventilație asistată pentru pacient, inclusiv motoare de curent continuu și comutatoare electromecanice, care se comportă ca sarcini inductive sau capacitive, atunci sursa de alimentare poate fi nevoită să furnizeze o putere suplimentară pentru o perioadă de câteva milisecunde până la câteva secunde (Figura 1). Deși durata de timp pentru puterea de vârf poate fi considerată scurtă în comparație cu un timp de funcționare normală, aceasta trebuie luată serios în considerare pentru a evita surprize costisitoare.
În afară de tensiunea și puterea de ieșire, tipul de sarcină va determina ce este important să ia în considerare proiectantul sistemului. Există multe posibilități, dar în cazul anumitor echipamente, sursa principală de putere ar putea alimenta o varietate de sisteme și subsisteme cu diferite profiluri de sarcină, iar acest lucru este, evident, mai complex de abordat. Pentru a simplifica, am putea enumera patru tipuri principale de sarcini: inductive, capacitive, de curent constant și rezistive neliniare. Toate acestea au un comportament special, care necesită atenție atunci când se selectează o sursă de alimentare pentru o astfel de aplicație.
Tipuri de sarcini pe scurt
Figura 2: Curbe tipice de protecție la supracurent. (© PRBX/ COSEL)
Sarcină inductivă: Sarcinile, cum ar fi motoarele și întrerupătoarele electromagnetice (de exemplu, relee) cu caracteristică inductivă, sunt denumite sarcini inductive. În momentul aplicării unei tensiuni la un motor de curent continuu, prin sarcină va trece un curent care depășește de câteva ori valoarea nominală; în timp ce în momentul întreruperii tensiunii, datorită componentei inductive a sarcinii, se va genera o tensiune contraelectromotoare E= -L× (di / dt). În general, atunci când se aplică o tensiune la o sarcină inductivă, sursa de alimentare poate susține energia necesară pentru cererea de vârf numai până la limita funcției sale de protecție la supracurent (OCP) (Figura 2). Depășirea limitei, chiar și pentru o perioadă foarte scurtă de timp, poate provoca oprirea sursei de alimentare. Acesta este motivul pentru care vârful de sarcină trebuie să fie bine definit pentru a selecta o sursă de alimentare adecvată cu o protecție la supracurent care să permită supratensiunea pentru o perioadă și o secvență definite. De asemenea, la oprirea tensiunii de ieșire, datorită forței contraelectromotoare generate (în cele mai multe cazuri, aceasta este absorbită de capacitoarele electrolitice din sursa de alimentare), circuitul de protecție la supratensiune al sursei de alimentare poate fi declanșat, iar sursa de alimentare să întrerupă ieșirea. În acest caz, trebuie luate măsuri precum includerea unei diode de protecție împotriva tensiunii inverse.
Figura 3: Curentul de vârf la pornire, la încărcarea capacitoarelor. (© PRBX)
Sarcină capacitivă: O sarcină cu o componentă capacitivă se numește sarcină capacitivă. De exemplu, capacitoarele introduse în scopul reducerii tensiunii de riplu a sursei de alimentare și capacitoarele utilizate pentru a face față la sarcini de vârf etc. Pentru acest tip de sarcină, în momentul aplicării unei tensiuni va trece un curent de încărcare foarte mare ipeak = (V/R), R fiind rezistența serie (parazită), din cauza absenței sarcinii în condensator. Deși sursa de alimentare poate detecta și controla tensiunea de ieșire, dacă în partea de ieșire se introduce un capacitor de valoare mare (peste câteva zeci de mii de microfarazi), este posibil ca acest control să nu poată percepe ceea ce se întâmplă, iar tensiunea de ieșire să devină instabilă. Este important ca proiectanții de sisteme să ia în considerare cantitatea totală de capacitanță instalată în echipamentul lor și să verifice abilitatea sursei de alimentare de a furniza energia de vârf necesară pentru a încărca eficient sarcina, care, în unele aplicații, ar putea fi de mai mulți farazi.
Sarcină de curent constant: O sarcină în care curentul rămâne constant, deși tensiunea de sarcină variază, se numește sarcină de curent constant, un exemplu fiind iluminatul cu LED-uri în sălile de operație. Este important să se țină seama de tipul de protecție la supracurent încorporat în sursa de alimentare. Dacă, de exemplu, caracteristica de protecție la supracurent a sursei de alimentare este de tip (foldback) ‘curent de întoarcere’, este posibil ca tensiunea de ieșire să nu poată crește (Figura 2). Acest lucru se datorează faptului că tensiunea de ieșire se stabilizează pe linia înclinată a caracteristicii de protecție la supracurent a sursei de alimentare de la aplicarea unei tensiuni până la atingerea tensiunii nominale. În general, prin schimbarea caracteristicii de protecție la supracurent cu un tip de limitare a curentului maxim, problema poate fi rezolvată.
Figura 4: Ecuația de proiectare pentru asigurarea energiei de vârf necesare de către capacitoarele de ieșire. (© PRBX)
Rezistivă neliniară: Unele echipamente utilizează elemente de încălzire sau lămpi cu filamente a căror rezistență se modifică atunci când trece curentul prin ele. Deși această fază de încălzire cu o schimbare monotonă a rezistenței ar putea dura doar o perioadă scurtă de timp, pentru sursa de alimentare aceasta poate părea un curent constant care depășește valoarea de prag pentru protecția integrată de supracurent.
În scurtele descrieri de mai sus a fost menționată protecția la supracurent, aceasta fiind o parte foarte importantă a unei surse de alimentare. Aceasta garantează unității de alimentare, în cazul unui exces de putere care poate apărea accidental sau ca urmare a unei defecțiuni a echipamentului, să protejeze echipamentul și, în cele din urmă, să semnalizeze defecțiunea printr-un semnal către operator, de exemplu un LED sau un semnal transmis prin BUS-ul de comunicații.
Prezentare generală a protecției la supracurent
După cum s-a explicat anterior, atunci când curentul/puterea de ieșire depășește o limită definită, pot apărea mai multe tipuri de avarii în sursa de alimentare sau în echipamentul alimentat. Pe lângă faptul că nu permite curentului să depășească o valoare nominală, circuitul de protecție are și rolul de a limita curentul de scurtcircuit. În funcție de tipul de aplicație și de cerințele specifice ale sistemului, atunci când OCP este activat pot rezulta mai multe efecte, de exemplu, ieșirea ar putea fi oprită permanent printr-un reset manual, oprită temporar printr-un reset automat sau să se comporte ca un curent constant fix, dar de nivel sigur (Figura 2).
Atunci când o sursă de alimentare sau un dispozitiv electric este pornit, în sarcină circulă un curent inițial ridicat, care începe de la zero și crește până când atinge o valoare de vârf. Motivul principal pentru acest vârf inițial este încărcarea capacitoarelor mari de decuplare sau de netezire din cadrul sursei de alimentare și al echipamentului final. În timpul acestei secvențe, pe măsură ce capacitoarele se încarcă sau dispozitivele ies din starea ‘rece’, curentul crește foarte repede de la zero, urcând până la curentul de vârf și apoi scăzând treptat până la curentul de echilibru (Figura 3). În această perioadă, sursa de alimentare trebuie să furnizeze suficientă energie pentru încărcarea capacitoarelor și pentru asigurarea energiei necesare sarcinii fără a activa protecția la supracurent (OCP − Over-Current Protection), oprind astfel ieșirea. De asemenea, unele sarcini se pot comporta inițial ca un scurtcircuit și necesită ca sursa de alimentare să nu treacă în modul de protecție. Pentru a se adapta la această secvență de pornire, sursele de alimentare sunt proiectate pentru a permite un anumit nivel de supracurent și este obișnuit să se stabilească pragul OCP la aproximativ 110% din valoarea nominală maximă.
110% este suficient de bun pentru majoritatea aplicațiilor, deși în cazul echipamentelor medicale exigente, care necesită niveluri de putere de vârf în intervalul de 200-300% timp de câteva secunde, atunci 110% nu va fi suficient și este nevoie de o sursă de alimentare proiectată nu numai pentru a furniza o putere de vârf ridicată, ci și pentru a garanta cea mai mare fiabilitate pe durata de viață totală a echipamentului final.
Alergând la maraton cu niveluri de performanță de sprint!
Figura 5: Sursă de alimentare de 600 W de la COSEL pentru aplicații medicale cu o capacitate de încărcare de vârf de până la 300%. (© PRBX/COSEL/WHYFRAME-Shutterstock)
O modalitate simplă pentru a garanta că sursa de alimentare va furniza suficientă energie atunci când este necesar un vârf de putere suplimentar constă în alegerea unei unități de alimentare cu putere nominală pentru puterea maximă necesară în timpul cererii unui vârf de putere. De exemplu, dacă puterea maximă constantă cerută de un aparat este de 500 W, iar vârful de sarcină este de 1000 W, atunci, luând în considerare condițiile de operare, de exemplu, tensiunea de intrare, temperatura mediului, limitarea etc., proiectantul sistemului ar putea considera o sursă de alimentare de 1200 W ca fiind cea mai potrivită soluție.
Acest lucru pare a fi evident, dar totuși exagerat atunci când vârful se produce doar ocazional. De exemplu, atunci când un motor de curent continuu este activat pentru poziționarea patului unui pacient, apoi este oprit, iar sursa de alimentare alimentează doar sistemul de control. Similar, este exagerat pentru sistemele care necesită sarcini de vârf repetitive pentru o perioadă limitată de timp, în comparație cu alimentarea în regim stabil.
Alegerea unei surse de alimentare pentru aplicații cu vârf de sarcină necesită evaluarea condițiilor de operare pe durata de viață a echipamentului și luarea în considerare a tuturor aspectelor, inclusiv dimensiunea, greutatea și prețul. Achiziționarea unei surse de alimentare de 1200 W, atunci când sarcina de vârf reprezintă o parte limitată a funcționării, ar putea să nu fie cea mai bună opțiune.
Figura 6: Test de vârf de sarcină COSEL AEA600F în două condiții (sarcină de la 0 la 200% și de la 50% la 200%). (© PRBX/COSEL)
Producătorii de surse de alimentare au dezvoltat soluții de putere în măsură să livreze o putere suplimentară semnificativă, în zona dublului puterii nominale, sau chiar mai mult decât puterea nominală maximă, pentru o durată semnificativă. Acest lucru necesită ca unitatea de alimentare să fie proiectată pentru a găzdui suficienți capacitori (Figura 4), dar și pentru a avea un sistem de alimentare capabil să susțină solicitări de vârf repetitive fără a se supraîncălzi sau a afecta negativ fiabilitatea.
Ca exemplu, am putea arunca o privire rapidă asupra comportamentului tensiunii de ieșire a seriei COSEL 600W AEA600F (Figura 5) atunci când se aplică un vârf de sarcină la ieșire. Produsul testat este o unitate de alimentare nominală de 600W, care livrează 24V la un curent nominal de 25A. După cum este prezentat în figura 6, grupul de alimentare și capacitoarele de ieșire au fost selectate pentru a susține un vârf de putere de două ori mai mare decât cea nominală pentru o durată de 1000 de milisecunde. În figura 6 sunt reprezentate două condiții: de la lipsa sarcinii la 52,5A (vârf) și de la 12,25A, la jumătate de sarcină, la 52,5 A (vârf). În ambele condiții, tensiunea rămâne în limitele specificate, iar OCP nu oprește ieșirea.
Concluzie
A alerga într-un maraton cu niveluri de performanță de cursă de viteză este o realitate în cazul surselor de alimentare medicale și, în timp ce marea varietate de aplicații necesită diferite tipuri de surse de alimentare, tehnologia facilitează alegerea de către proiectanții de sisteme a produselor potrivite pentru aplicațiile lor. Aceasta fără a menționa oportunitățile fantastice aduse de noile tehnologii, cum ar fi semiconductorii cu bandă interzisă largă, supercapacitorii și controlul digital, care urmează să apară în următoarea generație de surse de alimentare și care fac viața proiectanților de surse de alimentare atât de interesantă.
Patrick Le Fèvre, Chief Marketing and Communications Officer la Powerbox, este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoștințele despre energia curată.
Referințe:
Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
COSEL: https://en.cosel.co.jp/
Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Despre autor
Patrick Le Fèvre este un specialist în marketing și inginer cu experiență, cu o carieră de 40 de ani de succes în domeniul electronicii de putere. El a fost un inițiator în promovarea noilor tehnologii, precum ‘putere digitală’ și al inițiativelor tehnice de reducere a consumului de energie. Le Fèvre a scris și a prezentat numeroase cărți albe și articole la cele mai importante conferințe internaționale de electronică de putere din lume. Acestea au apărut în peste 450 de publicații în mass-media din întreaga lume. De asemenea, este implicat în mai multe forumuri de mediu, împărtășindu-și expertiza și cunoștințele despre energia curată.
Powerbox – A Cosel Group Company
https://www.prbx.com
