Konwertery DC-DC z serii R3 - przegląd właściwości

Rys. 1. Konwertery R3 zapewniają większą sprawność przetwarzania zwłaszcza dla małych obciążeń

Z uwagi na niewielką moc wyjściową konwertery z serii R3 pracują w popularnej topologii przetwornicy zaporowej (flyback), niemniej w odróżnieniu od wielu podobnych rozwiązań istniejących na rynku wykorzystują zmienną częstotliwość kluczowania po to, aby lepiej dopasować warunki pracy stopnia mocy do aktualnego obciążenia przetwornicy.

Zapewnia to dobre parametry takie jak szybki start, niski poziom generowanych zaburzeń elektromagnetycznych i wysoką sprawność. Jest to istotne zwłaszcza przy niewielkim obciążeniu konwertera lub wręcz podczas pracy bez jakiegokolwiek obciążenia zacisków wyjściowych. Wówczas znaczne obniżenie częstotliwości przełączania jest w stanie zapewnić mały pobór prądu ze źródła. Takie warunki pracy są spotykane coraz częściej, zwłaszcza w aplikacjach przemysłowych, gdzie załączanie maszyn i urządzeń jest okresowe i trwa jedynie przez chwilę.

Zapewnienie wysokiej sprawności konwersji wymaga optymalizacji układowej poszczególnych stopni konwertera, a zwłaszcza tych, w których tracona jest największa moc, a więc tranzystor przełączający MOSFET, wyjściowy prostownik oraz kondensator filtrujący oraz oczywiście transformator impulsowy.

Rys. 2. Krótki czas uruchamiania jest zaletą w rozbudowanych aplikacjach

Optymalizacja konstrukcji transformatora, nowoczesne tranzystory mocy w stopniu przełączającym przetwornic oraz wykorzystanie prostownika synchronicznego to popularne zabiegi konstrukcyjne pozwalające poprawić znacząco sprawność. Widać to w danych technicznych - dla typowego zasilacza o mocy wyjściowej 10 W pobór mocy bez obciążenia (standby) wynosi 0,4 W.

Zasilacz z serii R3 pobiera 0,12 W, a więc ponaddwukrotnie mniej. Dla analogicznej jednostki 30-watowej (U_we=24 V U_wy=5V) średnia rynkowa mocy standby na dzisiaj to około 2,4 W, a dla jednostek R3 tylko 1,6 wata. Lepsza sprawność konwersji przekłada się na mniejsze nagrzewanie konwertera podczas pracy, a więc także na niezawodność i zdolność do pracy w szerszym zakresie temperatur.

O ile przy zasilaniu z sieci ta różnica nie wydaje się warta uwagi, o tyle w złożonych systemach zasilających, gdzie wykorzystywane są akumulatory jako źródło energii a także w systemach mieszanych np. z ogniwami fotowoltaicznymi, może to już przekładać się na znaczące wydłużenie czasu działania.

Doskonalszy sterownik

Rys. 3. Proces narastania napięcia wejściowego odbywa się bez przerzutów

Większa funkcjonalność sterownika zapewnia poprawę parametrów użytkowych. Przykładem może być krótki czas startu konwertera, a więc czas, jaki upływa od momentu, gdy pojawi się zasilanie na wejściu do chwili, gdy napięcie wyjściowe osiągnie wartość nominalną. Jest to parametr rzadko podawany w kartach katalogowych i traktowany wręcz jako mało istotny.

Tymczasem, gdy system zasilający opiera się na różnych źródłach energii, może on mieć duże znaczenie. Gdy zasilanie sieciowe zniknie, często dokonywane jest przełączenie zacisków wejściowych do akumulatora, agregatu prądotwórczego lub generatora, na czas przełączenia energia niezbędna do działania gromadzona jest w wejściowym kondensatorze filtrującym, zatem im szybciej konwerter dołączony do niego jest w stanie rozpocząć pracę, tym może on mieć mniejszą pojemność lub dla zadanej pojemności czas na przełączenie staje się dłuższy.

Długi czas startu konwertera może też powodować problemy ze stanami nieustalonymi powstającymi na skutek tego, że w złożonych instalacjach pojawiają się przeciążenia, bo pewne jednostki już działają, a inne jeszcze nie, co zmienia na chwilę rozpływ prądu w instalacji. Warto odnotować, że konwertery R3 firmy Mornsun startują w czasie wynoszącym typowo 1/10 tego, co spotyka się w innych rozwiązaniach.

W wartościach bezwzględnych jest to 17,8 ms vs. 212 ms. Co więcej, proces narastania napięcia wyjściowego jest płynny i nie zawiera przerzutów. Niestety wiele przetwornic ma problem ze stabilnością pracy w tym okresie przejściowym i nierzadko napięcie wyjściowe przez moment jest wyższe od znamionowego, zwłaszcza gdy nie wiadomo, jaką stałą czasową mają elementy filtrujące dołączone do zacisków we i wy. Taki przerzut może być dużym zagrożeniem dla czułych obwodów cyfrowych.

Rys. 4. Standardowe obudowy 1×1 cal (po lewej) i 2×1 cal (po prawej) ułatwiają modernizacje

Sterownik konwerterów R3 realizuje także komplet obwodów zabezpieczających pracę konwertera. Wydaje się to wprawdzie niczym nadzwyczajnym, bo zwykle każdy zasilacz czy przetwornica mają wbudowane zabezpieczenia, ale drobiazgowa analiza pokazuje, że nie zawsze mamy do czynienia z kompletem obwodów ochronnych, a jedynie wybranymi zabezpieczeniami.

Często też nie wszystkie serie konwerterów są jednakowo chronione. Te droższe tak, te bardziej popularne niestety nie. Zawsze zabezpieczenie dotyczy przeciążenia zacisków wyjściowych i zwarcia na wyjściu. Najrzadziej spotyka się ochronę przed zbyt niskim i zbyt wysokim napięciu na wejściu, co powinno prowadzić do blokady pracy konwertera.

Precyzyjnie działający sterownik i dopracowany w szczegółach stopień mocy konwerterów R3 zapewniają też niewielki poziom generowanych zaburzeń elektromagnetycznych. Jest to istotne, gdy przetwornice te zasilają czułe obwody wejściowe aparatury pomiarowej lub akwizycję danych. Seria R3 jest zgodna z EN55022 Class B, co też jest lepszym wynikiem w stosunku do rynkowej średniej, która zwykle zapewnia tylko klasę A w zakresie zaburzeń przewodzonych.

Na koniec warto dodać, że seria R3 dostępna jest w dwóch rodzajach standardowych obudów, zachowujących pinową kompatybilność pomiędzy poszczególnymi modelami. Ułatwia to modernizacje i projektowanie. Modele 6-10 W mają obudowę o podstawie 1×1 cal, wersje 15, 20 i 30 W 2×1 cal.

Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic
www.mornsun-power.com