Sposoby równoległego łączenia zasilaczy
| TechnikaRównoległe połączenie dwóch lub więcej zasilaczy może okazać się najlepszym rozwiązaniem w sytuacji, gdy wymagane jest zasilenie obwodu prądem o natężeniu przekraczającym możliwości pojedynczego źródła zasilania. Takie połączenie nie daje jednak gwarancji, że łączone urządzenia będą pracowały we właściwy sposób, zapewniając odpowiednio wysokie natężenie prądu zasilania. Na wydajność takiego rozwiązania wpływa wiele czynników, które warto poznać przed przystąpieniem do jego praktycznej realizacji.
Niektóre zasilacze, zazwyczaj te bardziej zaawansowane i charakteryzujące się wyższym kosztem, mają specjalizowane rozwiązania służące do kontroli pracy równoległej, jak np. dodatkowe linie sterujące czy pomiarowe. W przypadku mniej skomplikowanych urządzeń również możliwe jest uzyskanie poprawnej pracy równoległej, należy jednak pamiętać o przestrzeganiu pewnych podstawowych zasad przy projektowaniu tego typu połączenia. Łączone zasilacze muszą charakteryzować się takim samym napięciem zasilania, przy czym najlepiej, aby były to urządzenia dokładnie tego samego typu. Producenci w dokumentacji układu umieszczają zazwyczaj wskazówki oraz informacje na temat możliwości i zalecanego sposobu równoległego łączenia zasilaczy, zawierające porady specyficzne dla danego produktu. Niewątpliwie warto szczegółowo zapoznać się z dokumentacją i wdrożyć owe zalecenia. W dalszej części tekstu przedstawione zostaną ogólne zasady oraz porady, mające charakter uniwersalny i odnoszące się do wszystkich rodzajów zasilaczy i innych źródeł zasilania.
Idealne źródło napięciowe
Na zaciskach idealnego źródła napięciowego zawsze panuje taka sama różnica potencjałów (napięcie), bez względu na wartość natężenia prądu wypływającego ze źródła. W rzeczywistym świecie idealne źródło napięciowe nie istnieje – w praktyce wszystkie źródła zasilania mają skończoną moc, zatem również i ograniczenie w postaci maksymalnej wartości natężenia prądu obciążenia. Idealne źródło napięciowe jest przede wszystkim modelem teoretycznym wykorzystywanym w symulacji działania obwodu.
Źródło napięciowe z ograniczeniem prądowym
Jak wspomniano, wszystkie rzeczywiste źródła zasilania mają ograniczenie natężenia prądu obciążenia. Po przekroczeniu tej wartości napięcie na wyjściu zasilacza spadnie do zera. Od szczegółów konstrukcji urządzenia zależy jego sposób zachowania po osiągnięciu maksymalnego dopuszczalnego obciążenia. Układ może stopniowo obniżać napięcie zasilania wraz ze wzrostem natężenia prądu (aby utrzymać stałą wartość mocy zasilania) lub gwałtownie odciąć zasilanie, wystawiając zerową wartość napięcia na wyjściu. Urządzenie może również automatycznie powrócić do normalnej pracy po przeciążeniu lub oczekiwać na reset generowany przez czynniki zewnętrzne, np. przyciśnięcie przycisku przez użytkownika. Przy łączeniu równoległym zasilaczy bardzo ważna jest znajomość zachowania układu w sytuacji przeciążenia prądowego – użytkownik powinien wiedzieć, w jaki sposób kontrolować pracę urządzenia i przywrócić jego prawidłowe funkcjonowanie.
Wewnętrzna impedancja źródła napięciowego
Wszystkie rzeczywiste źródła zasilania mają wewnętrzną impedancję o dodatniej wartości. Z tego powodu wraz ze wzrostem prądu obciążenia maleje wartość napięcia na zaciskach zasilacza. Zasilacze projektowane są zazwyczaj w taki sposób, aby impedancja oraz spadek napięcia były jak najmniejsze, z reguły znacznie poniżej wartości 1 Ω – jest to jeden z najważniejszych parametrów podawanych w charakterystyce urządzenia.
Dodatkowo rzeczywista wartość napięcia wyjściowego zasilacza zależy od wielu parametrów jego elementów, zatem nawet poszczególne egzemplarze tego samego modelu będą się nieznacznie różnić pod tym względem. Do pracy równoległej korzystnie jest wybierać układy o możliwie najbardziej zbliżonej wartości napięcia zasilania – zbyt duża różnica napięć może spowodować, że jedno z urządzeń (o wyższym napięciu) będzie samodzielnie próbowało zasilać układ, zaś drugie pozostanie nieobciążone.
Niektóre zasilacze wyposażone są w funkcję Remote Sensing, czyli specjalne wejście do monitorowania napięcia wyjściowego. Pozwala to na kompensację spadku napięcia związaną ze wzrostem prądu obciążenia, jak również innymi czynnikami, np. rezystancją przewodów.
Równoległe łączenie zasilaczy
Jak już wspomniano, warunkiem koniecznym przy pracy równoległej jest taka sama wartość napięcia na zaciskach połączonych zasilaczy. Dopóki wartość ta będzie różna, pod obciążeniem pracować będzie jedynie urządzenie o wyższym napięciu. W związku z niezerową impedancją wewnętrzną zasilacza wraz ze wzrostem prądu obciążenia malało będzie jego napięcie wyjściowe. Przy określonym obciążeniu, po zrównaniu napięć, do pracy powinien zatem włączyć się drugi zasilacz, o początkowo niższym napięciu. Jeśli jednak spadek napięcia przy maksymalnym dopuszczalnym obciążeniu pojedynczego zasilacza będzie niższy niż różnica napięć pomiędzy połączonymi urządzeniami, pierwszy z układów wyłączy się przed załączeniem kolejnego, a cały obwód nie będzie pracował prawidłowo. Istnieją metody pozwalające zwiększyć efektywność pracy równoległej, zazwyczaj wiążą się one jednak z celowym pogorszeniem wydajności łączonych urządzeń.
Jednym z takich sposobów jest zwiększenie spadku napięcia w funkcji przyrostu prądu obciążenia. Poprawia to zbieżność charakterystyk zasilaczy, przez co zwiększa prawdopodobieństwo poprawnej wspólnej pracy pod obciążeniem. Efekt taki można osiągnąć przez zwiększenie wewnętrznej rezystancji urządzenia. Niektóre modele zasilaczy mają wbudowane układy regulacji, które pozwalają na modyfikację tej wartości w określonym zakresie. W inny przypadku należy skorzystać z zewnętrznej rezystancji dołączonej szeregowo do wyjścia zasilacza, w postaci elementów dyskretnych (rezystorów), dłuższych przewodów połączeniowych lub kombinacji obu tych środków. Oczywistą wadą tego rozwiązania jest spadek efektywności zasilania – wzrasta ilość energii rozpraszana w postaci strat cieplnych, co może jednocześnie wywołać dodatkowe kłopoty związane z chłodzeniem. Poza tym zmniejsza się efektywny zakres napięcia pracy zasilacza, co spowodowane jest spadkiem napięcia wywołanym obecnością dodatkowej rezystancji.
Zabezpieczenie wejść źródeł zasilania
W przypadku połączenia równoległego kilku źródeł zasilania istnieje ryzyko, że prąd obciążenia z jednego ze źródeł (o wyższym napięciu) będzie wpływał do wyjść pozostałych źródeł (o niższym napięciu). Większość rynkowych zasilaczy ma zabezpieczenia przed tego typu sytuacją, nie jest to zatem dla nich szkodliwe. Niektóre źródła zasilania mogą być jednak wrażliwe na takie zjawisko (mogące skutkować uszkodzeniem elementu), warto zatem zadbać o odpowiednią ich ochronę. Jedną z najprostszych metod jest szeregowe przyłączenie diody prostowniczej na wyjściu źródła. Wiąże się to niestety ze spadkiem napięcia wyjściowego oraz efektywności zasilania.
Podsumowanie
Równoległe połączenie zasilaczy może być skutecznym sposobem zasilania obwodów większej mocy, jednak prawidłowa implementacja takiego rozwiązania może wymagać starannego doboru urządzeń oraz zastosowania dodatkowych elementów. Uzyskana w ten sposób wydajność prądowa nie musi być wcale równa sumie parametrów łączonych urządzeń, należy liczyć się również z koniecznością degradacji innych charakterystyk zasilaczy, jak np. zakresu regulacji napięcia. Do pracy równoległej należy wybrać zasilacze o możliwie zbliżonej rzeczywistej wartości napięcia wyjściowego, w czym bardzo pomocna może być m.in. dostępna w przypadku niektórych modeli kalibracja urządzenia.
Damian Tomaszewski
