Układ zasilania do aplikacji sterowania inteligentnym budynkiem

Rys. 1. Inteligentny budynek może zawierać nawet kilkadziesiąt sterowników i elementów wykonawczych

Ponadto użytkownik ma prawo oczekiwać od danej implementacji bezawaryjnego i elastycznego działania, pozbawionego ograniczeń. Równie istotny jest też długi czas życia systemu. Często koszt inwestycji zaczyna zwracać się dopiero po dłuższym okresie, na przykład dzięki oszczędnościom w zużyciu energii związanym z efektywnym sterowaniem oświetleniem.

Z założenia cała infrastruktura powinna być możliwie bezobsługowa, bezawaryjna i prosta w instalacji. System zasilania stanowi rdzeń tej koncepcji oraz fundament zapewniający prawidłowe działanie każdej aplikacji tego typu.

Struktura inteligentnego budynku łączy w całość: oświetlenie, system załączania gniazd zasilania, sterowanie systemem tła muzycznego, kontrolę drzwi i zasłon sterowanych elektronicznie, system audiowizualny, system bezpieczeństwa, okablowanie (rys. 1). Ze względu na ograniczoną dostępną przestrzeń w domach mieszkalnych, poszczególne elementy składowe cechują się przede wszystkim niewielkimi wymiarami, bo często są ukrywane w puszkach elektroinstalacyjnych.

Ograniczenia gabarytowe dotyczą też zasilaczy dla tych komponentów, aby całość zmieściła się w ograniczonej objętości i nie przegrzewała. Ważne jest też zapewnienie właściwego poziomu bezpieczeństwa przy zasilaniu z sieci energetycznej.

Typowe rozwiązania układowe

Rys. 2. Przykładowy sterownik z zasilaczem beztransformatorowym

Zasilanie aplikacji inteligentnego domu realizowane jest najczęściej w sposób bazujący na zasilaczu beztransformatorowym i bezindukcyjnym wykorzystującym elementy RC oraz klasyczną przetwornicę z transformatorem impulsowym obniżającą napięcie sieci do pożądanej wartości.

Schemat poglądowy obwodu zasilania z użyciem zasilacza beztransformatorowego (kondensatorowego) na elementach RC dla panelu kontrolnego systemu sterowania budynkiem przedstawia rysunek 2. Jak widać, na wejściu znajduje się obwód ochrony przeciwprzepięciowej, co ma gwarantować stabilność oraz niezawodne działania obwodu zasilającego.

Napięcie dostarczane przez zasilacz następnie poprzez regulator LDO podawane jest w postaci stabilizowanej do obwodów zasilania mikrokontrolera i układu izolacji sygnałowej. Dodatkowy obwód zabezpieczenia nadprądowego na wyjściu stabilizatora chroni sterownik w przypadku nieprawidłowego działania lub uszkodzenia zasilacza.

Główne zalety takiego rozwiązania to niski koszt i nieduża powierzchnia zajmowana na PCB, a więc spełnione są podstawowe założenia projektu. Ale do licznych wad należy niestety niska sprawność, wąski zakres dopuszczalnego napięcia wejściowego, duże wahania napięcia w zależności od stopnia obciążenia czy trudność w testowaniu układu.

Jednak najbardziej istotną kwestią z punktu widzenia bezpieczeństwa jest brak izolacji między wejściem i wyjściem, co może nawet skutkować porażeniem elektrycznym. Innymi słowy w zasilaczu kondensatorowym (beztransformatorowym) wszystkie obwody sterownika są na potencjale sieci energetycznej, co wymusza wiele innych działań ochronnych zapewniających izolację użytkownika od obwodów sterujących i środowiska po stronie mechanicznej aplikacji, np. oddzielenie metalowych elementów regulacyjnych warstwą plastiku.

Rys. 3. Klasyczny zasilacz oparty na transformatorze sieciowym

Drugie rozwiązanie pokazane na rysunku 3 oparte jest na tradycyjnym transformatorze sieciowym. Obwody wejściowe i wyjściowe, jak również zabezpieczenia przeciwprzepięciowe oraz nadprądowe są identyczne, jak w poprzednim przypadku. Różnica polega na tym, że konwersja napięcia następuje w transformatorze, a nie na dzielniku kondensatorowym.

Transformator obniża wejściowe napięcie przemienne, które podawane jest na obwód prostownika i filtra, a następnie na regulator LDO. Do obciążenia finalnie dostarczane jest napięcie stabilizowane. Zaletami są tutaj prostota budowy, łatwość testowania, niższy koszt, a także wysoki poziom bezpieczeństwa z uwagi na izolację między wejściem a wyjściem poprzez transformator.

Do wad z kolei należą ograniczony zakres dopuszczalnych napięć wejściowych, niska sprawność, jak również znaczne rozmiary i waga, co stoi w opozycji do głównych założeń projektu odnośnie do kompaktowych rozmiarów i oszczędności energii. Cena rozwiązań z transformatorem sieciowym też dzisiaj jest wysoka, bo miedź i stal są kosztowne.

Trzecie rozwiązanie bazuje na zasilaczu impulsowym i jest przedstawione na rysunku 4. Zgodnie ze specyfikacją zasilacza impulsowego na wyjściu otrzymujemy napięcie stabilizowane, jak również mamy do dyspozycji komplet zabezpieczeń, takich jak obwody przeciążeniowe czy przeciwzwarciowe.

Tego typu rozwiązanie cechuje się prostotą konstrukcji, niską ceną, wysoką sprawnością i wyposażeniem w liczne funkcje ochronne. Ponieważ zasilacz impulsowy pracuje na wysokiej częstotliwości, można zastosować transformator z rdzeniem ferrytowym o niedużych rozmiarach, co owocuje niewielkimi wymiarami i niską masą. W ten sposób można wyeliminować wady poprzednio omówionych dwóch tradycyjnych rozwiązań.

Typowy moduł zasilacza impulsowego dla inteligentnego budynku

Rys. 4. Zasilanie oparte na izolowanej przetwornicy impulsowej

Przykładowe impulsowe konwertery zasilające do systemów inteligentnego budynku to seria przetwornic LS firmy Mornsun. Są to wysokosprawne, energooszczędne moduły zasilaczy zamknięte w miniaturowej obudowie typu SIP, a więc o wymiarach porównywalnych z układami scalonymi. Charakteryzują się szerokim zakresem napięć wejściowych od 100 do 400 V_DC (85 ~ 264 V_AC), możliwością zasilania zarówno napięciem stałym, jak i przemiennym, wysoką sprawnością i niezawodnością, niskim poborem mocy oraz dobrej jakości izolacją między wejściem i wyjściem.

Wszystkie modele mogą także być wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych, w branży energetycznej, do zasilania aparatury pomiarowej itp. Konwertery te mają pełne zabezpieczenie nadprądowe i przeciwzwarciowe i spełniają wymogi norm UL/EN60950, co gwarantuje bezpieczeństwo ich użytkowania na całym świecie.

Inteligentny sterownik PWM zaszyty w układzie przetwornicy zapewnia też ograniczenie możliwości uszkodzenia całego zasilacza i zasilanej aplikacji w przypadku zwarcia, pomyłki w instalacji. Wówczas kontroler odłącza napięcie wyjściowe w momencie wykrycia awarii. Po ustąpieniu awarii zasilacz automatycznie wznawia swoją pracę. Dzięki temu całość się nie nagrzewa i wyeliminowana została możliwości uszkodzenia kaskadowego dołączonych do wyjścia urządzeń.

Zasilacz impulsowy w aplikacji inteligentnego sterownika zasłon

Rys. 5. Schemat inteligentnego sterownika zasłon

Na rysunku 5 pokazano przykładowe rozwiązanie kompaktowego zasilacza impulsowego używanego w sterowniku zasłon. Przy rozbudowanej sieci elektrycznej napięcie na wejściu konwertera może wahać się w szerokim zakresie i nie jest stabilne - pomiary wskazują, że fluktuacje napięcia osiągają poziom ±10%, a w oddalonych obszarach są znacznie większe i mogą osiągać poziom ±30%.

Dlatego zasilacz impulsowy powinien cechować się możliwie szerokim zakresem napięcia wejściowego. Zakres napięcia dla modułu zasilacza LS03-15B05SR2 zawiera się w przedziale od 85 do 264 V_AC i pokrywa ewentualne fluktuacje, które w ten sposób nie mają wpływu na pracę zasilacza. Z drugiej strony źródło zasilania dostarcza energię do wielu urządzeń jednocześnie.

W przypadku urządzeń większej mocy - w momencie ich włączania bądź w czasie pracy - najprawdopodobniej będą zakłócać pozostałe urządzenia w podobny sposób jak przepięcia bądź zakłócenia impulsowe EMC. Dlatego aby chronić urządzenia przed zakłóceniami, należy zaopatrzyć stronę wejściową w obwody zabezpieczające.

Ponieważ moduł konwertera LSO3-15B05SR2 ma funkcje zabezpieczenia nadprądowego i przeciwzwarciowego, nie jest konieczne umieszczanie obwodów ochronnych na wyjściu i zapewniona jest odporność systemu na krótkotrwałe przeciążenie, związane np. z załączeniem przekaźnika.

Podsumowanie

Moduły zasilaczy impulsowych z serii LS cechują się przede wszystkim kompaktowymi wymiarami, a także zgodnością ze standardami CE i UL. Do ich prawidłowej pracy wymagany jest tylko kondensator filtrujący po stronie wejściowej i wyjściowej zgodnie ze schematem aplikacyjnym. Moduły mogą być stosowane w wielu współczesnych aplikacjach i z punktu widzenia projektanta - są bardzo wygodne w stosowaniu.

Autoryzowany dystrybutor Mornsun
Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic
www.micros.com.pl