Strömförsörjning

I de senaste 100 åren har vi iakttagit de grundläggande elektriska parametrarna – ström och spänning. Ursprungligen gjordes detta främst för att se till att elförsörjningen var stabil och hade kapacitet att driva den önskade lasten. Efterhand som kraftproduktionen blev mer centraliserad och mer sofistikerade kraftdistributionssystem blev vanligare i kommersiella och industriella miljöer så ökade också behovet mätning och övervakning. Både industrikunder och privata konsumenter har blivit mer medvetna om hur mycket effekt de förbrukar (watt) och hur effektivt den används.


fram till1980-talet var alla elmätare elektromekaniska (analoga) enheter med grundläggande elektromagnetiska principer. Detta förändrades då mikroprocessortekniken utvecklades och ändrade på hur vi alla lever och arbetar. Mikroprocessorer kom att användas i nästan allt tills de snabbt blivit vardagliga komponenter i den digitala tidsåldern. När det gäller energistyrning var bland de första applikationer för mikroprocessorer inom mätutrustning och kretsskydd. Fördelarna var enorma: en digital mätare kunde lätt ersätta flera analoga mätare. Denna omställning från analoga till digitala system var en bidragande orsak till den stora ökningen i energi- och effektmätning under 1990-talet och 2000-talet. På senare tid har detta medfört ett större medvetande. Nu kräver kunder noggranna och aktuella data för ett bättre beslutsunderlag som kan hjälpa dem att maximera produktiviteten och energieffektiviteten. Längre ner i denna artikel kommer vi att ta en titt på två huvudkategorier av strömförsörjning – linjära nätaggregat och switchade nätaggregat (SMPS) – men först kommer vi att titta på integrerade lösningar som förenklar utformningen av nätaggregat.

Integrerade lösningar

Det finns ett antal integrerade lösningar att välja mellan som spänner brett från effektstyrningskretsar som förenklar konstruktionen strömförsörjningar till fristående linjära och switchade nätaggregat.

Termen effektstyrningskretsar (engelska: Power Management Integrerade Circuit - PMIC) används för en mängd olika IC-kretsar som erbjuder elektroniska effektomvandlingsfunktioner och/eller effektregleringsfunktioner. Användning av PMIC-kretsar förenklar konstruktionen av strömförsörjningar och tillämpas i allt från enkla enheter med en enda funktion, som till exempel spänningsregulatorer eller switchande styrenheter, till mer invecklade PMIC-enheter som kan förena flera funktioner, som effektomvandling, övervakning och sekvensering.

Helt integrerade lösningar finns i form av nätaggregat för inbyggnad. Dessa erbjuder en helhetslösning för omedelbar integration med utrustning och finns med både linjära nätaggregat och switchade funktioner som erbjuder en eller flera spänningsskenor.

DC-DC-omvandlare

DC-DC-omvandlare är en mer praktisk lösning när likströmsförsörjning finns tillgänglig men andra spänningsnivåer behövs. De är helt integrerade, i allmänhet kretskortmonterade och kan ha en märkeffekt upp till 200 W. DC-DC-omvandlare kan användas för att generera både lägre och högre spänningar och har normalt en verkningsgrad över 90 %.

Level VI-standarden för fristående nätaggregat

I början av 2000-talet använde de flesta system och apparater nätaggregat och batterielminatorer som inte var konstruerade att stängas av när enheten eller systemet var inaktiverat, så de fortsatte att dra ström som om enheten fortfarande var påslagen. Nätaggregat kan utan vidare förbruka 1 W, vilket multiplicerat med antalet enheter som ständigt är inkopplade blir till ett omfattande slöseri med energi.

Därför har konstruktörer av fristående nätaggregat för laptop-datorer och hemelektronik på senare tid blivit föremål för allt strängare regler om ökad energieffektivitet. Konstruktörerna behöver nu uppfylla de mest krävande standarderna för att säkerställa att produkterna kan säljas internationellt.

Läs mer om Level VI-standarden för nätaggregat i vår artikel på DesignSpark: "Climb aboard the low-energy escalator"

Läs mer om Level VI-standarden för nätaggregat i vår artikel på DesignSpark: "Climb aboard the low-energy escalator"

Linjära och switchade nätaggregat

I diagrammen nedan visas de två huvudklasser av nätaggregat – linjära och switchade nätaggregat.

Oavsett vilken väg du väljer behöver du överväga följande viktiga faktorer:
• Dina specifika krav gällande märkeffekt, skydd, rippel-/störningsnivå och snabb återställning vid transienter
• Säkerhet och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)
• Energieffektivitetskrav
• Relevanta industristandarder och lagstiftning om alla de ovanstående punkterna, inklusive, men inte begränsat till: EMC-direktiv, CE-, TÜV-, FCC- och UL-certifiering

Linjära nätaggregat och spänningsregulatorer

Linjära nätaggregat är relativt enkla att konstruera och underhålla, men de kan uppfattas som lite föråldrade, utan styrning och reglering som krävs för att uppfylla de senaste kraven på energieffektivitet. Den grundläggande funktionen för en linjär spänningsregulator är att konvertera en variabel likspänning till en konstant, lägre och ofta specifik likspänning.

Konstant utspänning är en nödvändighet för många nätaggregat, men inspänningen kommer från flera olika energikällor och kan variera. En linjär spänningsregulator används därför för att hålla utspänningen konstant.

Switchade nätaggregat (Switch Mode Power Supplies - SMPS)

Jämfört med linjära nätaggregat är switchade nätaggregat oftast mindre, lättare, billigare och mer effektiva. Nackdelen är att de är mer invecklade, kräver ytterligare komponenter och därför kräver mer att ta i beaktande under utvecklingsarbetet. Däremot har styr- och reglerfunktioner i switchade nätaggregat kommit att spela en allt större roll för att minimera slöseriet med energi. Namnet kommer ifrån att likspänning ”switchas” på och av i mycket höga frekvenser (vanligtvis 10 kHz till 1 MHz) för att producera en växelström som kan passera genom en högfrekvensspole eller transformator. På grund av de höga frekvenser som används kan lättare, mindre och billigare kondensatorer och transformatorer användas. Den högfrekventa växelströmmen filtreras och likriktas sedan för att skapa en likströmsutspänning. Under idealiska förhållanden har ett switchat nätaggregat inte någon effektförlust.

Kontaktdon till nätaggregat

Alla system med strömförsörjning kräver säkra och tillförlitliga metoder för överföring av kraft. Att välja rätt kontaktdon är därför en viktig del av utformningen. Från enkla kopplingsplintar ända till kraftiga industriella kontakter och allt däremellan har RS Components i ett stort utbud av kontakter som garanterar en säker strömförsörjning, oavsett användningsområdet.