Een voedingseenheid is een elektrisch apparaat dat stroom levert aan een of meer elektrische belastingen. De hoofdfunctie is het aanpassen van elektrische energie aan de belasting door de energie van de elektrische bron om te zetten naar de bijbehorende stroom, spanning en frequentie die de belasting nodig heeft. Voedingen bieden ook bescherming aan de gevoede belasting door de belastingsstroom te beperken en deze uit te schakelen in geval van een storing. Deze apparaten passen ook het uitgangsvermogen aan om elektronische ruis te voorkomen en bieden vermogensfactorcorrectie.

In dit artikel leggen we de verschillende typen voedingen uit en onderzoeken we waarom ventilatorloze voedingen kunnen de beste prestaties leveren.

Lineaire regelaars en SMPS'en

Voedingen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: lineair geregelde voedingen en schakelende voedingen (SMPS).

Lineaire regelaars zetten wisselstroom (AC) om in een stabiele gelijkstroom (DC). Ze gebruiken een transformator om galvanische isolatie te bieden tussen de hoogspannings-AC-ingang en de laagspannings-DC-uitgang, om ruis uit de ingang te filteren en om de AC-ingangsspanning te verlagen zodat deze kan worden gelijkgericht tot DC-uitgangsspanning. Lineair geregelde voedingen hebben een laag rendement (30-60 procent), wat betekent dat er meer vermogensverliezen en warmte zijn af te voeren.

Schakelende voedingen hebben een hoog rendement (meer dan 80 procent) en geavanceerde prestaties. SMPS'en zetten de binnenkomende netfrequentiespanning om in een hoogfrequente AC-spanning en verlagen deze vervolgens met een kleine transformator naar een lagere spanning. De spanning wordt vervolgens gelijkgericht, gefilterd en geregeld om als stabiele DC-spanning te worden uitgevoerd.

SMPS'en hebben een complexer ontwerp en hogere kosten in vergelijking met lineaire regelaars. Ze hebben echter talrijke voordelen ten opzichte van lineaire regelaars, waaronder kleine behuizingen en een zeer hoog rendement zonder overmatige hoeveelheden warmte af te voeren.

Het belang van het rendement van voedingen

Het rendement van een voeding is de procentuele verhouding tussen het totale uitgangsvermogen en het ingangsvermogen, normaal gesproken opgegeven bij volledige belasting en nominale ingangsspanning:

Als een voedingseenheid bijvoorbeeld een rendement van 50 procent heeft en het gevraagde belastingsvermogen 100W is, moet het totale ingangsvermogen 200W zijn. De overige 50 procent van het ingangsvermogen gaat verloren, voornamelijk als warmte, en moet op de juiste manier worden afgevoerd om schade aan de eenheid te voorkomen. Dit geeft aan hoe belangrijk voedingen met een hoog rendement zijn. Ze hebben aanzienlijk minder verliezen, wat betekent dat ze koeler blijven en minder vermogen uit het net gebruiken om hetzelfde uitgangsvermogen te leveren.

Voedingen hebben geen constant rendement, omdat dit afhankelijk is van de omgevings- en belastingsomstandigheden. In het algemeen hebben voedingen hun maximale rendement wanneer ze worden gebruikt bij 50 procent van de nominale belasting. Voedingseenheden hebben een hoger rendement wanneer ze worden gevoed met 230V dan met 110V AC. Tegenwoordig biedt de markt geavanceerde modellen die kunnen werken met constant hoog rendement, zelfs in het bereik van 50-100 procent van de nominale belasting. Het diagram in figuur 1 toont bijvoorbeeld de rendementscurve van de MEAN WELL UHP-2500-serie ten opzichte van de voedingsspanning en belasting. 

Figuur 1. Bedrijfsdiagram van de voeding voor MEAN WELL UHP-2500 -model - rendement versus belasting. (Afbeelding met dank aan MEAN WELL.)

Het is niet mogelijk om een rendement van 100 procent te behalen bij een voeding. Met een geavanceerd ontwerp en de juiste componenten zijn echter hoge rendementen mogelijk (bijvoorbeeld de MEAN WELL UHP-2500 in figuur 1 heeft een rendement tot 96 procent). Verliezen in voedingen worden veroorzaakt door passieve en actieve componenten en komen vaker voor in lineaire voedingen dan in SMPS'en. Vermogensverliezen in SMPS'en treden meestal op in schakelende componenten (MOSFET's en diodes). Andere verliezen worden veroorzaakt door de condensatoren en spoelen (dit kan worden verminderd als geavanceerde componenten met lage weerstand worden gebruikt, die meestal duur zijn). Verliezen in passieve componenten omvatten weerstandsverliezen (I2R), condensatorverliezen en spoelverliezen door kern- en wikkelingsinductie. Verliezen in actieve componenten worden meestal veroorzaakt door MOSFET's en diodes als geleidings- en schakelverliezen.

Hoewel SMPS'en duurder kunnen zijn, besparen ze door hun hoge rendement op elektriciteitskosten. Ze zijn ook betrouwbaarder, produceren minder geluid en vereisen minder koeling. Ze gebruiken hoogwaardige componenten zoals schakelende componenten, zware condensatoren en smoorspoelen met goede eigenschappen. Ze produceren een betere uitgangsspanning met lage rimpel, minder geluid en minder warmte, en bieden een betere spanningsregeling.

Koelmethoden voor voedingen

Voedingen genereren warmte die de componenten in het circuit kan beschadigen. Daarom hebben voedingen een koelsysteem nodig om overtollige warmte af te voeren. Dit zijn de meest gebruikte warmteafvoer- of koelmethoden:

1. Natuurlijke luchtstroming is een eenvoudige convectiekoelmethode waarbij lucht op natuurlijke wijze stroomt en warmte van een apparaat afvoert. Natuurlijke luchtstroming is een eenvoudige, goedkope koeloptie zonder extra mechanische onderdelen. Omdat dit koeltype een laag warmteafvoervermogen heeft, zijn voedingen die deze methode gebruiken beperkt in hun veilige bedrijfstemperatuurbereik.
2. Geforceerde luchtkoeling maakt gebruik van een of meer ventilatoren om de natuurlijke luchtstroming te verbeteren, waardoor hogere bedrijfstemperaturen mogelijk zijn. Omdat ventilatoren extra vermogen verbruiken, verlagen ze het rendement van de voeding. Ze vereisen ook regelmatig onderhoud en vervanging. Dit koeltype is niet praktisch voor toepassingen met beperkte ruimte.
3. Koellichamen voeren warmte af door direct contact met een koeler onderdeel, dat kan bestaan uit koellichamen (met vinnen) en koudeplaten (zonder vinnen). Een koellichaam met vinnen heeft een groter oppervlak voor contact met lucht en maakt daardoor een snellere warmteafvoer mogelijk. Het wordt vaak gecombineerd met geforceerde luchtkoeling voor een betere afvoer. Koellichamen vereisen echter meer ruimte, wat hun gebruik in sommige toepassingen beperkt. Koudeplaten zijn dikke metalen platen die worden gebruikt om warmte van het apparaat af te voeren. Ze worden gebruikt in toepassingen waar eenvoud en ruimte cruciale parameters zijn.
4. Vloeistofkoeling bestaat uit een koudeplaat met een ingebouwde leiding waardoor een gesloten circuit van koele vloeistof stroomt. De vloeistof helpt de basisplaat op een zeer stabiele temperatuur te houden, waardoor de warmteoverdracht zo efficiënt mogelijk is. Omdat ventilatoren niet nodig zijn, neemt vloeistofkoeling niet veel ruimte in. Vloeistofkoeling heeft een uitstekende warmteafvoer, veroorzaakt geen geluid of trillingen en verlengt de levensduur van de voeding. Vloeistofkoeling is echter duurder omdat het een complexer ontwerp vereist. Vloeistofkoeling wordt vaak gebruikt in toepassingen die veel warmte produceren, zoals industriële lasers of laadstations.

Vloeistofgekoelde voedingen kunnen worden ontworpen met een zeer hoog uitgangsvermogen. MEAN WELL's vloeistofgekoelde voedingen, de PHP-3500-serie, kunnen tot 3.500W leveren. Ze hebben ook een actieve stroomdelingsfunctie, waardoor tot vier parallelle eenheden samen tot 14.000W kunnen leveren.

De video hieronder toont het temperatuurverschil tussen vloeistofkoeling en geforceerde luchtkoeling van een MOSFET en condensator. De temperatuur is 6-18°C lager bij vloeistofkoeling in vergelijking met geforceerde luchtkoeling.

Ondanks de kosten zijn vloeistofgekoelde voedingen de meest effectieve oplossing voor toepassingen waar geforceerde luchtkoeling niet geschikt is. In veel toepassingen moet geforceerde luchtkoeling worden vermeden, omdat het toevoegen van een ventilator aan een voeding de betrouwbaarheid verlaagt, kosten toevoegt, geluid veroorzaakt en onderhoudsproblemen met zich meebrengt.

Een ventilatorloze voeding (zoals de MEAN WELL UHP-2500 in figuur 2 hieronder) voorkomt problemen met ventilatorstoringen en verlaagt de onderhoudskosten. Ventilatorloze voedingen zijn ook geschikt voor omgevingen die absolute stilte vereisen.

Figuur 2 MEAN WELL UHP-2500 -voeding. (Afbeelding met dank aan MEAN WELL.)

Voedingen en vermogensbeheer

Vermogensbeheer is een belangrijke functie in elk elektronisch systeem, omdat het de DC-voeding naar het systeem regelt, stuurt en verdeelt. Vermogensbeheer beïnvloedt de betrouwbaarheid, prestaties en kosten.

Geavanceerde voedingen zijn uitgerust met programmeerbare spannings- en stroomfuncties (PV/PC), waarmee de uitgangsspanning tussen 50-120 procent en de stroom tussen 20-100 procent kan worden aangepast met een extern DC-besturingssignaal. Daarnaast kunnen ze communicatieprotocollen hebben (bijvoorbeeld PMBus of CANBus) om een intelligente voeding te realiseren. In het algemeen zijn er twee typen uitgangsregeling voor voedingen: een externe analoge signaalinterface en een digitale besturingsinterface.

Besturingstechnologie met een externe analoge signaalinterface gebruikt de externe spanning om de uitgangsspanning van de voeding te regelen. Analoge voedingen zijn stabiel en betrouwbaar, maar hebben een beperkte flexibiliteit. Hoewel de status kan worden gecontroleerd, is de besturing meestal beperkt tot één mogelijke reactie per parameter. De externe analoge spanningsingang ligt over het algemeen in het bereik van 1-5V. De uitgangsstroom kan worden aangepast tot 20-100 procent van de nominale stroom door externe spanning toe te passen. Figuur 3 toont het diagram van de uitgangsstroomregeling met behulp van externe DC-spanning.

Figuur 3 Diagram van de uitgangsstroomregeling voor MEAN WELL PHP-3500 -model. (Afbeelding met dank aan MEAN WELL.)

Digitale besturing biedt toegang tot een hoog niveau van informatie en maakt flexibelere uitgangen mogelijk. De onderstaande tabel toont de voordelen van een gedigitaliseerd voedingsontwerp:

(Afbeelding met dank aan MEAN WELL.)

Het meest gebruikte communicatieprotocol voor digitale besturing van voedingen is PMBus (Power Management Bus). PMBus is een open standaard vermogensbeheerprotocol dat een eenvoudiger ontwerp mogelijk maakt en de complexiteit van digitaal geregelde vermogenssystemen verlaagt. CANBus (Controller Area Network) is een ander communicatieprotocol. Het kan de meeste opdrachten en functies van het PMBus-protocol uitvoeren, waarbij het belangrijkste verschil tussen beide de signaleringsmethode is. De keuze tussen CANBus en PMBus hangt af van de specifieke behoeften van de toepassing. MEAN WELL biedt optionele CANBus-modellen voor producten die al zijn geïntegreerd met PMBus.

Voedingen met een ingebouwd PMBus-protocol stellen het eindsysteem in staat om de verschillende bedrijfsparameters van de voeding, zoals spanning, stroom en temperatuur, te bewaken en te regelen. Ventilatorloze voedingen gecombineerd met het PMBus-protocol verbeteren de betrouwbaarheid op lange termijn en de installatieflexibiliteit aanzienlijk, waardoor compactere en intelligentere eindsystemen mogelijk zijn. De PHP-3500 ondersteunt bijvoorbeeld PMBus met een maximale bussnelheid van 100kHz, waardoor informatie kan worden uitgelezen, status kan worden bewaakt en de uitgang kan worden aangepast.

Figuur 4. Een communicatiemodule kan worden geselecteerd voor bewaking of besturing op afstand, afhankelijk van de systeemvereisten. (Afbeelding met dank aan MEAN WELL.)

Wilt u meer weten over de voordelen van ventilatorloze voedingen en vermogensbeheer, bekijk dan de MEAN WELL UHP- en PHP-voedingen

Master Electronics heeft dit bericht gesponsord.  Alle meningen zijn van mij.  --Edis Osmanbasic [Engineering.com]