Mark Edmuns de la Xantrec Technology urmăreşte cum apariţia şi armonizarea standardelor Uniunii Europene în domeniul siguranţei şi compatibilităţii electromagnetice de-a lungul ultimilor ani, au condus la beneficii pentru utilizatorii surselor programabile de alimentare DC compatibile cu acestea
Fabricanţii de produse acceptate de UE produc acum surse de alimentare mult mai fiabile, cu un zgomot mic de ieşire, mai sigure şi mai uşor de utilizat. În acelaşi timp, certificările UL şi CSA din Statele Unite şi Canada asigură faptul că produsele proiectate pentru uzul în America de Nord sunt sigure şi sunt testate în conformitate cu standardele naţionale ale acestor două ţări care sunt mai puţin stringente decât cele europene. În mod similar, binecunoscutul standard FCC partea 15 J, clasele A sau B limitează atât radiaţia cât şi zgomotul de radiofrecvenţă determinând astfel necesitatea prezenţei unor circuite de filtrare a zgomotului în sursele de putere în comutaţie de înaltă frecvenţă. Din păcate, standardul FCC nu este în concordanţă cu limitările mai stringente ale standardului CISPR11, care are efect în Europa.
De peste 10 ani, toate noile surse DC programabile cu o putere de peste 100W sunt proiectate pe baza switch-urilor de înaltă frecvenţă, cu avantaje în domeniul eficienţei şi al gabaritului, faţă de versiunile ce lucrează la frecvenţe joase. În mod curent, fabricanţii din Statele Unite şi Canada au proiectat şi testat produsele lor după standardele americane dominante ce au tendinţa de înlocuire a reglementărilor europene stricte ale produselor. Respectarea reglementărilor stricte implică existenţa unui filtraj suplimentar şi mai multe teste ale produsului atunci când este instalat într-un sistem complet, fapt ce conduce la întârzieri şi mărirea gabaritului pentru includerea blocului de filtrare .
Partea de directivă EMC din standardele CE a devenit activă la 1 ianuarie 1996 şi a introdus cerinţe legale pentru companiile distribuitoare de produse electronice din cadrul UE. Prin acest lucru se asigură faptul că energia electromagnetică radiată şi transmisă pe liniile de putere AC este sub limitele definite în standardele EN50081-1 şi EN50081-2. Sursele de alimentare trebuie acum să neutralizeze efectele electromagnetice externe cum ar fi descărcările de tensiuni înalte şi operarea în câmpuri RF, aşa cum sunt definite în standardele EN50081-1 şi EN50081-2. Din moment ce aceste standarde sunt mai stringente decât cele ale standardului US FCC partea 15, multe companii nordamericane producătoare de surse de alimentare şi-au dat seama că vechile produse nu mai sunt compatibile. În consecinţă, nu mai aveau posibilitatea de a vinde aceste produse în Europa. Trecerea peste aceste dificultăţi a necesitat un efort considerabil de reproiectare din partea inginerilor cu scopul de a micşora EMI generat de sursele de alimentare. În unele cazuri, această schimbare a fost simplă şi a constat în adăugarea unor noi etaje de filtrare la intrarea AC şi la ieşirea DC, acolo unde spaţiul permitea. Totuşi, în cele mai multe cazuri cel mai bun plan a fost realizarea unor noi proiecte de produse care să elimine majoritatea surselor de zgomot.
În mod tradiţional, sursele în comutaţie de înaltă frecvenţă care se bazează pe generator AC cu frecvenţa între 100kHz şi 200kHz ce comandă un transfromator, utilizează tranzistori de putere pentru comutarea tensiunii nestabilizate. Aceasta înseamnă că la comutarea în starea deschis a tranzistorului va apare o tensiune peste acesta, în jurul valorii de 350V. Pe durata intervalului de comutare (sub 0,5ms), există o perioadă finită de timp în care tranzistorul începe să conducă şi curentul să stăbată dispozitivul, iar tensiunea peste acesta începe să scadă. Prezenţa simultană a tensiunii şi a curentului prin tranzistor conduc la o putere disipată de către acesta, pe toată această perioadă. Un eveniment similar apare la comutarea în starea blocat (figura 1).
Proiectanţii ce utilizează astfel de topologii ale comutatoarelor de putere ajung în situaţia în care încearcă reducerea acestei pierderi de energie, dar respectând reglementările legate de EMC. Cum perioada de comutare este redusă în cazul utilizării unor circuite de comandă îmbunătăţite, timpii de creştere şi scăderea rapizi generează energie de înaltă frecvenţă care este radiată în afara sursei, la valori inacceptabile pentru interferenţă de radiofrecvenţă (RFI). Dacă timpii de creştere şi scădere sunt crescuţi în mod intenţionat pentru a reduce interferenţa de radiofrecvenţă, puterea disipată în tranzistor creşte proporţional, cu creşterea stress-ului termic al componentei şi reducerea timpului de viaţa al acesteia. În acest caz vechile topologii de surse în comutaţie sunt un compromis între eficienţă şi standardele EMC.
Tehnici comune
Foarte recent noile topologii de conversie ale puterii au fost îmbunătăţite, cu implicaţii asupra reducerii dramatice a puterii disipate de tranzistorul de putere în intervalul de comutaţie şi cu diminuarea energiei de radiofrecvenţă generate. Tehnica cea mai folosită în acest caz a fost utilizarea unei scheme de comutare cu frecvenţă de rezonanţă constantă, care asigură reducerea aproape de zero a energiei pierdută pe componenta activă. Această metodă numită “comutare la tensiune zero” (Zero-Voltage Switching – ZVS) utilizează capacitatea parazită de ieşire a tranzistoarelor de putere (tipic MOSFET) şi inductanţa parazită a transformatoarelor de putere, ca un circuit rezonant. Utilizând acest circuit rezonant, inductanţa de ieşire, diodele parazite drenă / sursă ale tranzistorului MOSFET şi o comutare corespunzătoare se ajunge ca tensiunea pe fiecare tranzistor să atingă valoarea zero înainte ca dispozitivul să se deschidă şi curentul să circule.
Similar, la blocare, tensiunea pe tranzistor atinge valoarea zero înainte ca acesta să fie adus în starea de non-conducţie. Cu această schemă curentul parcurge tranzistorii doar când aceştia sunt perfect deschişi şi permit transferul optim al energiei către ieşirea sursei. Puterea disipată pe tranzistor care ar apare în mod normal pe intervalul de comutare este efectiv eliminată (figura 2).
Nedoritele tensiuni de înaltă frecvenţă şi curentul tranzitoriu pe perioada de comutare – elementele care produc cea mai mare parte a radiaţiei de zgomot RF în afara sursei – sunt reduse drastic datorită tranziţiei netede rezonante.
Cu zgomotul redus efectiv de la sursele lui în astfel de scheme, îmbunătăţirea filtrării la intrare şi ieşire garantează respectarea standardelor internaţionale (figura 3).
Cu această tehnică de comutare lină, reducerea puterii disipate îmbunătăţeşte eficienţa sursei cu peste 2%; deşi nu pare semnificativ, totuşi se ajunge la salvarea de până la 20W în sursele de alimentare cu o putere de 1000W. Aceşti 20W reprezintă puterea ce ar fi urmat să fie disipată prin tranzistorii de putere, cele mai critice şi stresate dispozitive din orice sursă în comutaţie. Reducând puterea şi totodată temperatura joncţiunii cu o mărire a marginilor de operare termică se ajunge la o durată de viaţă mărită a surselor de alimentare. Astfel, nu se obţine doar o comutare lină şi o respectare a reglementărilor CE prin care se ajunge la o scădere semnificativă a zgomotului, ci şi o creştere a eficienţei, un MTBF mărit şi o mai mare imunitate la efectele altor echipamente ce operează în apropiere.
Îmbunătăţirea siguranţei
Directiva de lucru la tensiuni mici, parte a reglementărilor CE, a intrat în vigoare de la 1 ianuarie 1997. Relativ la sursele de alimentare, acest fapt implică respectarea standardului de siguranţă EN601010-1. Cât timp produsele proiectate pentru a îndeplini vechiul standard nordamerican erau considerate sigure, cerinţele noului standard plasează utilizatorul noilor surse la riscuri şi mai scăzute decât înainte.
Multe reglementări au avut efect în proiectarea internă a surselor de tensiune şi cât timp creşterea siguranţei nu se manifestă prin utilizarea unor izolatori mai groşi şi a unor măsuri de izolare în circuitele de înaltă tensiune, schimbările nu vor fi evidente pentru utilizator. Dar, cu odată cu reglementările EMC, au apărut şi schimbări în siguranţa surselor care au venit în întâmpinarea pretenţiilor utilizatorilor.
Cele mai multe facilităţi noi în această categorie sunt legate de stilul şi implementarea conectorilor de intrare AC şi, respectiv ieşirie.
În trecut, terminalele erau expuse dezizolării şi se impunea ca utilizatorul să fie precaut, urmărind instalarea de capace izolatoare şi cutii de protecţie suplimentare. Noile tipuri de surse proiectate utilizează sisteme de conectori îmbunătăţiţi care previn contactele accidentale prin utilizarea conectorilor de plastic, respectiv a structurilor de protecţie foarte uşor de instalat construite după forma conectorului (figura 4).
Reglementările CE au redus mult riscurile la care se expune operatorul faţă de vechile produse şi, respectiv timpul de instalare a surselor de tensiune.
Efecte armonice
Una din ultimele reglementări ale CE ce urmează să intre în uz (în primii ani ai secolului XXI) este IEC1000-3-2, în care sunt specificate limitele armonicilor de curent care apar pe liniile de alimentare ale echipamentelor industriale. Aceste limite vor asigura faptul că surse ce nu radiază energie electromagnetică sunt disponibile pentru toate echipamentele conectate şi pierderile de putere în sistemul de distribuţie AC sunt reduse. Cea mai comună cale pentru ca sursele de alimentare să satisfacă acest standard constă în utilizarea de circuite de corecţie a factorului de putere activă (active power factor – PFC) în secţiunea de intrare AC a sursei respective. Acest circuit care adaugă un alt convertor de putere în serie cu sursa de tensiune, forţează sursa în a genera un curent ce urmăreşte îndeaproape forma sinusoidală a tensiunii (figura 5). Acest fapt conduce la un factor de putere apropiat de unitate – ca şi o sarcină rezistivă ideală cum ar fi un bec electric. Ca rezultat, curentul este generat pe frecvenţa fundamentalei şi este perfect în fază cu tensiunea.
O sursă în comutaţie tipică care nu respectă standardele, cu o singură fază de intrare are factorul de putere în gama 0,65 şi 0,7.
Aceasta va genera un curent sub forma unor vârfuri foarte mari şi înguste, prin care se produc distorsiuni majore ale tensiunii şi care necesită ca linia AC să ofere cu 30% mai mult curent decât în situaţia utilizării unei surse echipată cu circuit PFC. În mod evident, sursele ce au circuite pentru corecţia factorului de putere activă prezintă avantaje în utilizare.
Deşi standardul este conceput pentru a adauga facilităţi surselor de tensiune, apar şi beneficii pentru utilizator. Cu un factor de putere apropiat de unu, la intrare, cerinţele pentru curentul de intrare sunt considerabil reduse. De exemplu o sursă de tensiune, cu factorul de putere necorectat, de 1000W, care funcţionează la 120V va solicita un curent de 16A, în exces faţă de standardul de 15A specific pentru distribuiţia pe linie. Aceeaşi sursă dar cu circuit PFC consumă aproximativ 11A, ce se încadrează în capabilitatea aceleaşi linii de 15A.
O altă facilitate frecvent disponibilă, datorată implementării circuitului PFC este capacitatea sursei de a lucra cu tensiuni de intrare AC cuprinse între 85V şi 265V. Acest fapt oferă facilitatea de a o utiliza sursa oriunde în lume, fără complicaţii relative la selectarea tensiunii. Astfel, nu mai apare necesitatea unor configurări speciale pentru diferite regiuni geografice.
Sursele de alimentare cu circuite pentru corecţia factorului de putere vor respecta reglementările şi vor minimiza impactul cu un alte echipament pe linie. În plus ele vor simplifica setarea relativă la anumite tipuri de tensiuni de alimentare şi temerile relative la acest gen de operaţii.
Beneficiile utilizatorilor
Standardele internaţionale pe care sursele programabile de alimentare trebuie să le respecte, înainte de a putea fi utilizate în Europa au avut ca rezultat impresionante câştiguri în performanţele acestora. Aceste îmbunătăţiri specifice europene au generat valoroase beneficii pentru utilizatorii surselor de alimentare aflaţi în America de Nord, dar şi în regiunea Asia-Pacific. Sursele de alimentare compatibile cu standardele CE, cum ar fi Seria Xantrex XHR (figura 6), sunt mai fiabile, mai eficiente şi cu mult mai uşor de utilizat şi setat. Ele vor putea să lucreze aşa cum se aşteaptă, fără surprize, oriunde în lume.