Problemy z zasilaniem

Niemalże każdy doświadczył tych problemów w swojej pracy, czy nawet w domu, i powszechne jest przekonanie, że uszkodzenia systemów spowodowane są spadkami i wahaniami napięcia zasilającego. Na szczęście technologia elektroniczna jest wciąż rozwijana, dlatego istotną sprawą jest uświadomienie sobie, że rozwój ten zmienia wrażliwość systemów na problemy z zasilaniem. Spadki i wahania napięć nie są już taką zmorą, jak kiedyś, a stabilizatory napięcia we współczesnych systemach elektronicznych nie muszą już dostarczać całej gamy zabezpieczeń.

EWOLUCJA TECHNOLOGICZNA

Kiedy w latach 40. ubiegłego wieku pojawił się pierwszy komputer, składał się z szeregu lamp próżniowych, jako podstawowych elementów układów logicznych. Były to urządzenia wysokonapięciowe, o niskim poborze prądu, zasilane za pomocą najprostszych liniowych zasilaczy. Od czasu ENIAC-a, EDVAC-a i UNIVAC-a do momentu pojawienia się bardziej znanych komputerów z lat 80. poprzedniego stulecia zaszły niewielkie zmiany w rozwiązaniach układów zasilających.

Jednakże w końcu lat 80. inżynierowie zaczęli na masową skalę stosować układu scalone o dużej skali integracji, zawierające coraz większą liczbę tranzystorów i złączy półprzewodnikowych. Rezultatem tego było powstanie komputera „niskonapięciowego”, który pobierał znaczącą ilość prądu z zasiania.

Technologia zasilaczy liniowych z czasem okazała się mało efektywna, a coraz większe zapotrzebowanie na prąd sprawiało, że zasilacze wytwarzane w tej technologii stawały się coraz większe. Dla projektantów, którzy dążyli do miniaturyzacji, duże zasilacze nie były atrakcyjnym rozwiązaniem.

W rezultacie tego pojawił się zasilacz impulsowy. Rozwiązanie to wyeliminowało duży 50-hercowy transformator, zmniejszający napięcie z 220-230 V na znacznie mniejsze, wymagane w systemie, oraz cały szereg stabilizatorów na rzecz modulacji szerokości impulsu, czyli obwodów wysokiej częstotliwości zdolnych do zmniejszania napięcia zasilania do potrzebnej wartości, dokładnie dopasowanej do potrzeb komputerowych systemów logicznych.

ZASADNICZE RÓŻNICE

Ta zmiana technologiczna jest odpowiedzialna za zasadnicze różnice w zachowaniu się systemów w obliczu problemów z napięciem zasilającym. Zasilacz liniowy obniża i prostuje napięcie wejściowe, a następnie dostarcza je do obwodów logicznych poprzez stabilizator lub kilka stabilizatorów. Jednakże zakres ich pracy jest ograniczony, i zbyt duże lub zbyt małe napięcie wejściowe natychmiast wywołuje problemy. Niskie napięcie wejściowe może powodować na wyjściu zasilacza efekt „zaginania” lub spadku napięcia, poniżej poziomu akceptowalnego przez układy logiczne. Napięcie wejściowe, które ma zbyt dużą wartość, może powodować uaktywnienie się układu zabezpieczającego zasilacza. Proces zabezpieczenia zasilacza z kolei może spowodować, że napięcie wyjściowe znów może spaść poniżej dopuszczalnego progu napięcia zasilającego układów logicznych.

Ponieważ wahania w sieci zasilającej występują dość często, we wczesnych systemach elektronicznych spadki i wzrosty napięcia były głównym podejrzanym w przypadku awarii układów. Aby systemy mogły w ogóle pracować, powszechnie stosowane były stabilizatory napięcia, które – jak sama nazwa mówi – służyły do stabilizacji tego wahającego się napięcia z sieci.

Zasilacz impulsowy znacząco różni się w tej kwestii od liniowego. Szereg stabilizatorów został wyeliminowany, podobnie jak wejściowy transformator obniżający napięcie. Zasilacz impulsowy pobiera prąd z sieci „haustami” i tylko tyle, ile potrzebuje dla danego cyklu zasilającego. Zasilacze takie są znacznie mniejsze i bardziej efektywne. Istotną cechą jest też ich większa odporność na wahania napięcia w sieci zasilającej. To właśnie jest powodem ich powszechnego stosowania w systemach elektronicznych.

 

UKŁAD STAŁEJ MOCY

Ponieważ zasilacz impulsowy pobiera prąd tylko w krótkich odcinkach czasu, wiele może się zdarzyć (spadki, skoki, przepięcia) w linii zasilającej, gdy klucz jest w pozycji „zamknięty”, co powoduje, że tego typu zdarzenia nie są przenoszone na wyjście zasilacza. Jeśli wahania napięcia wystąpią w momencie, gdy klucz jest otwarty, zasilacz kompensuje te zmiany dostosowując parametry zasilania w innym cyklu, gdy prąd znów będzie pobierany z sieci.

Jeśli napięcie w linii zasilającej zwiększa się, pobór prądu maleje, i na odwrót. Dlatego właśnie zasilacz impulsowy nazywany jest układem stałej mocy, gdyż pobór mocy z sieci zasilającej (napięcie razy prąd) jest stały.

Zdolności zasilaczy sieciowych do radzenia sobie z problemami zmian napięcia zasilania są już powszechnie znane, a nawet udokumentowane. Obecne zasilacze impulsowe mogą pracować w szerokim zakresie napięć sieciowych, od 60 do 276 V, co sprawia, że nie tylko doskonale radzą sobie one z wahaniami napięcia w sieci, ale również mogą pracować na całym świecie, niezależnie od różnych wartości napięć zasilających stosowanych w danym regionie czy kraju.

MIGRACJI CIĄG DALSZY

Pomimo przewagi technologii impulsowej w zasilaniu niektóre tradycyjne rozwiązania zasilaczy liniowych wciąż egzystują w świecie audio. W przypadku stosowania zasilaczy liniowych bardzo prawdopodobne jest, że wymagać będą one wciąż stosowania stabilizatorów napięcia. Jeśli tak, obecnie istnieje wiele technologii ich wykonania i należy zwrócić baczną uwagą przy ich wyborze.

JEDEN NEGATYWNY ASPEKT

Jest jeden negatywny aspekt dotyczący zasilaczy impulsowych, o którym trzeba wspomnieć. Aby osiągnąć mniejsze rozmiary i koszt, a jednocześnie zwiększyć efektywność w zasilaczach impulsowych, inżynierowie wyeliminowali transformator z wejścia układu. To sprawiło, że jednocześnie pozbawili układ naturalnej ochrony przed zakłóceniami (sygnał wspólny) i impulsami wysokonapięciowymi. Dzisiejsze rozwiązania zabezpieczeń dowodzą, że odporność ta musi być przywrócona.

Odpowiednie rozwiązania zabezpieczeń zasilaczy, również impulsowych, będą zawierać zabezpieczenie przeciwprzepięciowe, transformator izolujący oraz filtr przeciwzakłóceniowy, jako integralną część układu zabezpieczającego. Te trzy elementy, wspólnie z naturalną zdolnością zasilaczy impulsowych do stabilizowania napięcia, stanowić będą kompleksowe zabezpieczenie współczesnych układów, konieczne do zapewnienia ich niezawodnej pracy.

BRAK PRĄDU

Żaden koncert, żadne przedstawienie ani inna „sztuka” – nawet mające w swojej nazwie określenie „unplugged” – nie uda się, jeśli w jego trakcie braknie zasilania. To proste stwierdzenie chyba nie budzi wątpliwości u nikogo z tzw. branży. Niemalże każdy ma też doświadczenia związane z przerwami w zasilaniu. Kiedy gaśnie światło i wyłącza się cały system, nie ma większych problemów ze stwierdzeniem, co jest tego przyczyną. W studiu w takiej sytuacji praca ustaje. Czasem na długo, zwłaszcza kiedy pracuje się w domenie cyfrowej i zapomina o częstym, profilaktycznym zapisywaniu sesji – wiele godzin ciężkiej pracy i kreatywnej energii idzie wtedy na marne.

Kiedy stracimy zasilanie z sieci, a praca systemu musi być wznowiona, koniecznym okaże się posiadanie awaryjnego lub rezerwowego zasilania. Rozwiązaniem może być agregat, jednak urządzenia te mają to do siebie, że zanim wykryją przerwę w zasilaniu, wystartują i same zaczną dostarczać energię, mija kilkadziesiąt cennych sekund – konkretnie od trzydziestu wzwyż. To trochę za dużo dla systemów elektronicznych, dla których dopuszczalne przerwy zasilania, przy których mogą one pracować bez większych problemów, liczone są w pojedynczych milisekundach (a czasem nawet mikrosekundach). Bardziej odpowiednim rozwiązaniem tego problemu będzie zasilacz awaryjny, zwany popularnie UPS (ang. uninterruptible power supply).

RÓŻNE ROZWIĄZANIA

Urządzenia UPS mogą działać w oparciu o różne zasady. Są trzy podstawowe rozwiązania UPS-ów – UPS czuwający (stand-by UPS), UPS interaktywny (line interactive UPS) i UPS online. Każdy z nich ma pewne szczególne cechy, sprawiające, że ich stosowanie w jednych systemach jest bardziej, a w innych mniej właściwe.

UPS czuwający jest najbardziej rozpowszechniony. Zawiera on akumulator, ładowarkę odpowiednią dla tegoż akumulatora, przetwornicę napięcia stałego na zmienne DC/AC (falownik), detektor napięcia zasilającego oraz przełącznik trybu pracy. W normalnej sytuacji, gdy podawane jest napięcie zasilające z sieci, przełącznik trybu pracy kieruje to napięcie bezpośrednio do obciążenia, czyli na wyjście UPSa. W większości przypadków stosuje się również elementarne zabezpieczenia przeciwprzepięciowe oraz filtrację zakłóceń. W tzw. międzyczasie ładowarka utrzymuje akumulator w stanie całkowitego naładowania. Kiedy zdarzy się przerwa w zasilaniu, detektor napięcia zasilającego wykrywa ten fakt, następuje przełączenie trybu pracy, w którym napięcie z akumulatora zostaje przetworzone przez falownik na zmienne i podane na wyjście UPSa. Wszystko to dzieje się w bardzo krótkim odcinku czasu – zasadniczo od 4 do 8 milisekund. Kiedy nastąpi przywrócenie zasilania, detektor wysyła sygnał do przełącznika trybu pracy, aby powrócić do zasilania zasadniczego, przetwornica zostaje odłączona, a ładowarka uzupełnia ubytki energii w akumulatorze, w oczekiwaniu na kolejną przerwę w zasilaniu.

UPS line-interactive działa na bardzo podobnej zasadzie, jak UPS czuwający, mając jednak dodatkową funkcję – zawiera elementarny stabilizator napięcia na wejściu. Podczas gdy prosty UPS typu standby może przełączać na zasilanie akumulatorowe w sytuacji, gdy napięcie w sieci będzie niższe niż 207 V lub wyższe niż 253 V (± 10 % z 230 V), UPS interaktywny stabilizuje niskie lub wysokie stany napięć na wejściu, co jest równoznaczne z rozszerzeniem zakresu napięć wejściowych UPSa. Zapobiega to niepotrzebnemu załączaniu przetwornicy i wyczerpywaniu akumulatora w sytuacji, gdy z powodu zmian obciążenia linii zasilającej występują wahania napięcia. Głównym powodem stosowania rozwiązania interaktywnego jest zwiększenie zakresu operacyjnego oraz żywotności akumulatora UPSa, jednak bez stabilizacji wyjściowego napięcia, zasilającego systemy elektroniczne.

UPS online jest najbardziej skomplikowanym i najdroższym rozwiązaniem. Składa się on z akumulatora, prostownika/ ładowarki, szyny DC, przetwornicy DC/AC oraz przełącznika bypass. Gdy na wejściu obecne jest normalne zasilanie sieciowe, prostownik/ładowarka przetwarza napięcie zmienne na stałe, które służy zarówno do ładowania akumulatora, jak i zasilania szyny DC. Napięcie z szyny DC podawane jest na falownik, który zamienia je z powrotem na napięcie zmienne, zasilające system elektroniczny. Kiedy normalne zasilanie sieciowe zostaje przerwane, napięcie stałe z akumulatora zasila szynę DC, tak że nie ma żadnych przerw w podawaniu napięcia na falownik, a więc i na wyjście UPSa. Kiedy pojawi się znów napięcie w sieci, akumulator jest doładowywany, a prostownik/ładowarka ponownie dostarcza napięcie do szyny DC. Przełącznik bypass został zaimplementowany na wypadek uszkodzenia lub problemów w którymkolwiek bloku UPSa. Jego włączenie powoduje przełączenie na zasilanie bezpośrednio z sieci, jako dodatkową ścieżkę zasilania podawanego na wyjście urządzenia. Istnieje też wersja redundantnych UPSów online, w których jedna lub więcej gałęzi jest nadmiarowych. Systemy „onlajnowych” UPSów dostarczają bardzo stabilne zasilanie, zarówno pod względem napięcia, jak i częstotliwości, a ponieważ jest ono zawsze przetwarzane z AC na DC i z powrotem z DC na AC (czasami nazywa się to podwójną konwersją), wszelkie występujące normalnie zakłócenia w sieci AC nie przenoszą się na wyjście, czyli nie przedostają się do obwodów zasilanych systemów elektronicznych.

 

KTÓRY WYBRAĆ

Wybór odpowiedniej topologii UPS wymaga pewnej wiedzy na temat systemu, który ma być przez ten UPS chroniony. Jeśli system używa tradycyjnego zasilacza liniowego, UPS online będzie w większości przypadków lepszym wyborem niż UPSy czuwające czy interaktywne, które w razie zaniku napięcia w sieci pozbawią system zasilania na 4 do 8 milisekund, potrzebne na „przezbrojenie” się urządzenia. Jest wielce prawdopodobne, że może to uszkodzić zasilacz liniowy. Jeśli system wyposażony jest w zasilacz impulsowy, prawie każdy UPS będzie działał poprawnie, a więc można zaoszczędzić trochę grosza, wybierając UPS standby lub line interactive.

INNE ISTOTNE CZYNNIKI

Obecnie na świecie są setki producentów UPSów, konkurencja na rynku jest spora, a więc też i ceny urządzeń spadają. Rezultatem tego są różne działania podejmowane przez producentów, mające na celu ograniczenie kosztów produkcji. Istotnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy zakupie UPSa, jest rodzaj (kształt) fali wytwarzanej przez przetwornicę DC/AC. Napięcie pochodzące z sieci jest sygnałem sinusoidalnym, z natury ubogim w wyższe harmoniczne. Niestety na rynku jest sporo UPSów z przetwornicami generującymi na wyjściu falę prostokątną lub zmodyfikowaną prostokątną. Taki sygnał zasilający jest zaszumiony, słabo stabilizowany, bogaty w wysokie harmoniczne i niejednokrotnie o niewłaściwym poziomie napięcia. Zastosowanie takiego UPSa do awaryjnego zasilania wyrafinowanego systemu elektronicznego nie jest dobrym pomysłem. Kiedy będziesz kupował UPSa, dobrze przeczytaj specyfikację danego urządzenia i upewnij się, że przetwornica przy zasilaniu akumulatorowym wytwarza na wyjściu falę sinusoidalną. Nie daj się zwieść takim sformułowaniom, jak: zmodyfikowana fala sinusoidalna, fala PWM lub fala krokowa. Jeśli UPS produkuje prawdziwą falę sinusoidalną, producent na pewno będzie chciał się tym pochwalić i podkreśli to w specyfikacjach.

Powinieneś sprawdzić czas pracy na zasilaniu akumulatorowym, podczas braku zasilania z sieci, i upewnić się, że czas ten jest wystarczający do zabezpieczenia pracy i zamknięcia systemu. Czas pracy przy zasilaniu akumulatorowym określany jest przy pełnym i częściowym (50%) obciążeniu, tak aby łatwiej było przewidzieć możliwości zasilania awaryjnego w sytuacji, gdy UPS nie jest maksymalnie obciążony.

Na koniec, istotne jest aby wiedzieć, że nawet z UPSem napięcie między uziemieniem a przewodem zerowym może zakłócać pracę systemu elektronicznego. Dzieje się tak dlatego, że we wszystkich trzech podstawowych rozwiązaniach układowych UPSów przewód zerowy i uziemiający łączą bezpośrednio wejście z wyjściem urządzenia. Z tego powodu UPS powinien być wyposażony w transformator izolujący na wyjściu, aby zwiększyć niezawodność pracy systemu.

 

PRZEPIĘCIA

Większość sprzętu elektronicznego jest przystosowana do pracy z napięciem zasilania 120 V (w Ameryce Północnej) lub 230 V (w Europie). Czasami spotyka się sprzęt, który można w Ameryce zasilać napięciem 208 V. Coraz częściej też pojawiają się urządzenia przystosowane do pracy zarówno z napięciem 120 V, jak i 230 V, bez konieczności przestawiania odpowiedniego przełącznika lub stosowania adapterów. Niezależnie od tego jakie napięcie podawane jest z sieci, wewnątrz urządzeń elektronicznych jest ono przetwarzane z napięcia zmiennego AC na o wiele mniejsze stałe napięcie DC, które „napędza” obwody scalone i tranzystory pracujące wewnątrz przedwzmacniaczy, konsolet, procesorów oraz wzmacniaczy.

Przepięcia są powszechnie znanym, aczkolwiek nie zawsze dobrze wytłumaczonym zjawiskiem, od którego zależy jakoś zasilania. Mogą przyjmować przeważnie wartość setek, a nawet tysięcy woltów oraz zawierać sporą dawkę energii. W przeszłości, kiedy układy elektroniczne w znacznej mierze oparte były na układach lampowych, przepięcia nawet o wartości tysięcy woltów wcale nie musiały oznaczać totalnego spustoszenia wewnątrz urządzenia. Obecnie, w dobie układów półprzewodnikowych, pracujących z napięciem 5 V i mniejszym, jest to o wiele większy problem. Uszkodzenia powstające w wyniku gwałtownych skoków napięcia mogą być zarówno widoczne, jak i niewidoczne gołym okiem. Jeśli energia, jaką niesie ze sobą tak gwałtowny wzrost napięcia, jest duża, może spowodować zniszczenie urządzenia elektronicznego, a uszkodzenia będą widoczne w postaci osmalonych lub nadpalonych elementów.

Niestety przepięcia nie zawsze powodują tak bezsporne uszkodzenia. Czasami skok napięcia może zawierać mniejszą dawkę energii i uszkodzenia, jakie spowoduje, będą niewidoczne. Dzieje się tak dlatego, że mniejsza porcja energii niszczy materiał półprzewodnikowy jedynie na poziomie mikroskopowym – jest to zjawisko nazywane niekiedy „elektroniczną rdzą”. Element stopniowo ulega degradacji, a uszkodzenie narasta przy powtórnym narażeniu na mniejszą dawkę energii wahania napięcia sieci. Ostatecznie komponent psuje się, i to przeważnie bez widocznych uszkodzeń. Trudno skojarzyć przyczynę tego ze zdarzeniem, które miało miejsce kilka godzin albo nawet dni wcześniej, toteż awarie sprzętu często nie są przypisywane rzeczywistym sprawcom, czyli przepięciom w sieci zasilającej.

DEFINIUJEMY PROBLEM

Przepięcia mogą przyjmować różne kształty i wielkości, w zależności od tego, czy warunki ich powstania i rozchodzenia się będą mniej czy bardziej dogodne. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) w swoim standardzie C62.41 klasyfikuje przepięcia w kategorii A, B lub C – w zależności od miejsca ich powstawania wewnątrz systemu elektrycznego budynku (patrz rysunek na sąsiedniej stronie).

Przepięcia kategorii A są związane z długą gałęzią obwodu, która zwykle zasila sprzęt audio. Skoków napięcia kategorii B możemy spodziewać się blisko skrzynki serwisowej bądź licznika (krótka gałąź obwodu), natomiast kategorii C – również w okolicy licznika oraz na zewnątrz budynku. Nie jest niespodzianką to, że gdy przechodzimy z kategorii A do kategorii C, zarówno maksymalna amplituda przepięć, jak i maksymalny prąd oraz energia stają się większe. Przepięcia kategorii A mogą przyjmować wartości do 6,000 V i 200 A, podczas gdy w przypadku kategorii B wynoszą one do 6.000 V i 500 A. Kategoria C zawiera tak duże wartości napięć i prądów, jak to możliwe.

Przyczyny powstawania przepięć mogą być różnorakie. Niektóre z nich są wewnętrzne, niektóre zewnętrzne, a niektóre zupełnie prozaiczne. Duże obciążenia, jak np. silniki używane w windach oraz systemach klimatyzacyjnych, mogą być przyczyną powstawania przepięć przy każdym rozruchu i wyłączeniu. Jeśli wystąpi przerwa w zasilaniu, szybkie rozładowanie zgromadzonego ładunku elektrycznego przez sieć również wywołuje znaczny skok napięcia. W pewnym udokumentowanym przypadku uszkodzone gniazdo żarówki w lodówce powodowało powstawanie skoków napięć do 5.000 V przy każdym otwarciu i zamykaniu drzwi lodówki.

ROZWIĄZUJEMY PROBLEM

Energia przepięć jest osłabiana poprzez użycie ochronnika przepięciowego (lub, w innej wersji, przeciwprzepięciowego). Urządzenie to, jak sama nazwa wskazuje, chroni obwody przed przepięciami w ten sposób, że po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w sieci kieruje ono energię takiego skoku napięcia z przewodu do uziemienia. Jeśli nasze urządzenie ma wewnątrz system mikroprocesorowy (jak np. konsolety audio, procesory), jest to niepożądane z uwagi na to, że działanie ochronnika wywołuje różnice napięć między przewodem zerowym a uziemieniem, co często jest przyczyną zakłóceń w pracy urządzenia. Jeśli dodatkowo urządzenie to jest częścią większego, rozbudowanego systemu, energia przepięcia skierowana do uziemienia krąży po całym systemie przewodem uziemiającym. Z tego powodu ochronniki przepięciowe nie powinny być instalowane na końcach gałęzi obwodu.

Najbardziej właściwym miejscem na zainstalowanie ochronnika przepięciowego jest skrzynka serwisowa (skrzynka bezpiecznikowa, licznik), gdzie może on kierować energię przepięcia bezpośrednio do „ziemi” budynku, bez wpływania na różnicę napięć miedzy przewodem zerowym a uziemiającym oraz na działanie systemów komputerowych (mikroprocesorowych) wewnątrz budynku.

W punkcie, gdzie system elektroniczny jest przyłączany do gałęzi obwodu (gniazdko), wymagany jest znacznie wyższy poziom zabezpieczenia. Głównym celem w tym punkcie jest wyeliminowanie zarówno tych destrukcyjnych, jak i tych mniejszych, powodujących powstawanie „elektronicznej rdzy” przepięć, i to w taki sposób, aby nie wywoływać różnicy napięć między przewodem zerowym a uziemiającym, które mogą zakłócać pracę systemów. Najwłaściwszym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie transformatorów separujących. Właściwie zaprojektowany system zabezpieczający jest w stanie ograniczyć szkodliwe zakłócenia napięcia zasilania do znikomego poziomu, co zapewnia bezpieczną i niezakłóconą pracę systemów.

Marian Ortyl