Strømforsyning

I næsten 100 år har vi overvåget forholdsvis basale elektriske parametre – strømstyrke og spænding. Tidligere var formålet primært at sikre, at strømforsyningen var stabil og havde kapacitet til at drive belastningen. Efterhånden som strømforsyningsområdet udviklede sig, og mere avancerede eldistributionssystemer gjorde deres indtog i både erhvervs- og industrimiljøer, udviklede behovene for måling og overvågning sig parallelt hermed. Erhvervs- og privatkunder blev mere interesserede i, hvor meget effekt de brugte (watt), og hvor effektivt de brugte den (effektfaktor).

Før 1980'erne var alle elektriske målere elektromekaniske (analoge) enheder, der anvendte grundlæggende elektromagnetiske principper. Det ændrede sig fuldstændigt med udviklingen inden for mikroprocessorindustrien, og det har ændret hverdagen og arbejdslivet for os alle. Mikroprocessorer dukkede hurtigt op i stort set alting og blev hurtigt til standardkomponenter i den digitale tidsalder. Set fra et strømstyringsperspektiv fandt mikroprocessorer forholdsvis tidligt anvendelse inden for måleudstyr og kredsløbsbeskyttelse. Fordelene var kolossale: Et enkelt digitalt instrument kunne nemt erstatte en række analoge måleinstrumenter. Dette skift fra analoge til digitale enheder drev en voldsom vækst i effektmåling gennem 90'erne og 00'erne, og den nyere udvikling har løftet niveauet gennem øget tilførsel af intelligens. Nu kræver kunderne præcise og opdaterede data til bedre beslutningstagning og som hjælp til at maksimere produktiviteten og energieffektiviteten. Senere i denne artikel vil vi se nærmere på to vigtige kategorier inden for strømforsyning – lineære strømforsyninger og switch-mode strømforsyninger (SMPS, Switch Mode Power Supplies) – men først vil vi se på embeddede løsninger, der forenkler designet af strømforsyninger.

Embeddede løsninger

Der findes en række løsninger, lige fra integrerede strømstyringskredse, der forenkler designet af strømforsyninger, til selvstændige lineær og switch-mode strømforsyninger.

Betegnelsen PMIC (Power Management Integrated Circuit, integreret strømstyringskredsløb) dækker over en kategori af chips, der normalt benytter elektronisk strømkonverteringsfunktionalitet eller strømstyringsfunktioner. Brugen af PMIC'er forenkler designet af strømforsyninger i meget betydelig grad, og de strækker sig fra enkle enheder med en enkelt funktion, såsom spændingsregulatorer eller switching-kontrollere, til mere komplekse PMIC-enheder, som kan integrere flere funktioner, herunder strømkonvertering, overvågning og sekvensering.

Der findes fuldt integrerede løsninger i form af embeddede strømforsyninger. Det er nøglefærdige løsninger til umiddelbar udstyrsintegration med lineære og SMPS-egenskaber, der kan drive strømskinner med én eller flere spændinger.

DC-DC konvertere

DC-DC-konvertere er en mere praktisk løsning, når der er behov for dc-strømskinner, og der allerede er adgang til dc-forsyning. De er selvstændige, normalt kortmonterede og har nominelle effekter op til 200W. dc-dc-konvertere kan steppe op eller ned og har typisk en effektivitet på over 90 %.

Level VI standard til eksterne strømforsyninger

I de tidlige 00'ere anvendte et meget stort antal systemer og enheder strømforsyninger, der ikke var konstrueret til at lukke ned, når apparatet eller systemet ikke var aktivt. Derfor fortsatte de med at bruge strøm, som om apparatet stadig var tændt. Strømforsyninger kan nemt bruge 1 W, og hvis man ganger det med antallet af enheder, løber det op i et voldsomt energispild.

Derfor er designerne af eksterne strømforsyninger til computere og forbrugerelektronik kommet under stigende lovgivningsmæssigt pres for at øge energieffektiviteten. I dag skal designerne overholde de strengeste standarder for at sikre, at produkterne egner sig til internationalt salg.

Få mere at vide om Niveau VI-standarder for strømforsyninger i vores DesignSpark-artikel: Stig op på lavenergi-rulletrappen.

Lineære og switch-mode strømforsyninger

I diagrammerne nedenfor ser vi nærmere på to vigtige klasser af strømforsyninger – lineær og switch-mode strømforsyninger.

Uanset den tilgang, du bestemmer dig for, bør følgende vigtige faktorer tages i betragtning:

• Dine særlige krav til nominel effekt, beskyttelse, støj og reaktionstid over for transienter
• Sikkerhed og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)
• Effektivitetskrav
• Relevante industristandarder og lovgivning vedrørende alle ovennævnte punkter, herunder, men ikke begrænset til: EMC-direktiver, CE-, TÜV-, FCC- og UL-certificering

Lineære strømforsyninger og spændingsregulatorer

Lineære strømforsyninger er enkle, og de er lette at designe og vedligeholde, men de kan betragtes som lidt forældede med mindre styring i forhold til nutidige krav om energieffektivitet. Den grundlæggende funktion for en lineær spændingsregulator er at konvertere en variabel dc-spænding til en konstant, lavere og ofte specifik dc-spænding.

Konstant udgangsspænding er en nødvendighed for mange løsninger med strømforsyninger, men forsyningsspændingen kommer fra mange forskellige energikilder og kan variere. En lineær spændingsregulator anvendes derfor til holde udgangsspændingen stabil.

Switch-mode strømforsyninger (SMPS)

Sammenlignet med lineære strømforsyninger er switch-mode strømforsyninger – ofte kaldet SMPS – som regel mindre, lettere, billigere og mere effektive. Ulempen er, at de er mere komplekse, kræver ekstra komponenter og derfor giver flere overvejelser i designfasen. Dog bliver styringsniveauet for SMPS-systemer stadigt vigtigere for at minimere energispil. Navnet skyldes at dc-spændingen "skiftes", altså slås til og fra, ved meget høje frekvenser (normalt 10 kHz til 1 MHz) for at danne en ac-strøm, der kan føres gennem en højfrekvensinduktor eller transformer. På grund af de høje frekvenser kan man anvende lettere, mindre og billigere kondensatorer og transformatorer. Den højfrekvente ac filtreres og ensrettes til at danne en dc-udgangsspænding. Under ideelle forhold afgiver en SMPS ingen varmeenergi til omgivelserne.

Konnektorer i strømforsyninger

Alle strømforsynede systemer kræver sikre og pålidelige metoder til strømleveringen, så valget af den rigtige konnektor er en vigtig del af designet. RS Components har et meget omfattende sortiment af konnektorer, lige fra enkle klemrækker til meget robuste industristik og alt derimellem, så du kan levere sikker strøm uanset opgaven.