Ograniczanie przestojów przez zastosowanie obwodów

Zasilacze impulsowe mają wiele zalet, ale kiedy stosuje się je do zasilania przemysłowych systemów sterujących, może ujwanić się jedna poważna wada. Po wystąpieniu błędu lub przeciążenia na jednym z obwodów sterujących, zasilanych przez zasilacz impulsowy prądu stałego (dc) 24 V, zasilacz może się wyłączyć, odcinając dopływ prądu do wszystkich podłączonych do niego komponentów i powodując kosztowne przestoje.

 

Zasilacz – wersja podstawowa

Rys. W przypadku przeciążenia zasilacza na bazie transformatora jego napięcie wyjściowe spada, ale nie następuje gwałtowne wyłączenie.

 

 

 

 Przy stosowaniu prostego zasilacza, opartego na transformatorze, przeciążenie spowoduje stopniowy spadek napięcia na wyjściu (patrz: schemat powyżej „Zasilacz – wersja podstawowa”), ale zasilacz będzie pracował dalej, chyba że przeciążenie jest bardzo duże lub utrzymuje się przez dłuższy czas. Z drugiej natomiast strony, zasilacze impulsowe szybko się wyłączają, gdy prąd obciążenia osiąga 110% wartości nominalnej (patrz: schemat na str. 15 „Zasilacz impulsowy”). Jeśli obciążeniem są kondensatory lub silniki, początkowy prąd rozruchowy może spowodować wyłączenie. Zasilacze impulsowe są zaprojektowane w taki sposób, aby załączały się z powrotem po krótkiej przerwie. Jeśli przeciążenie ma miejsce nadal, zasilacz może wielokrotnie załączać się i wyłączać, co potocznie jest nazywane trybem czkawki.

 

Selektywne zabezpieczanie obwodu

Oczywistym rozwiązaniem tego problemu jest dodanie wyłącznika do każdego obciążonego obwodu, dzięki czemu przeciążenie na jednym obwodzie nie spowoduje wyłączenia zasilacza. Niestety, konwencjonalne wyłączniki nie są przydatne w takiej sytuacji.

24-woltowy zasilacz prądu stałego na bazie transformatora normalnie zapewnia prąd 10 A. Powiedzmy, że składa się on z czterech obwodów, z których każdy pobiera 2 A (i jest zabezpieczany przez bezpiecznik termiczno-magnetyczny, 2 A), dla obciążenia bazowego wynoszącego 8 A. Jeśli w jednym z obwodów wystąpi przeciążenie, to bezpiecznik wyłączy sześć razy wartość znamionową, czyli 12 A w ciągu jednej sekundy. Zasilacz musi (przez tę sekundę) dostarczać 18A (12 A + 2 A + 2 A + 2 A), aby wybić bezpiecznik. Zasilacz na bazie transformatora może to zrobić, aczkolwiek przy zredukowanym napięciu.

Maksymalny prąd dostarczany przez zasilacz impulsowy 10 A wynosi 11 A (110% wartości nominalnej). W przypadku wystąpienia przeciążenia większego niż 2 A na jednym z obwodów, zasilacz wyłączy się, zanim bezpiecznik termiczny zdąży zareagować i odciąć ten obwód.

Rozwiązaniem mogłoby być zastosowanie bezpieczników, które reagowałyby dostatecznie szybko na dwukrotną, a nie sześciokrotną wartość znamionową. Ale szybko działający bezpiecznik może reagować przy początkowych prądach rozruchowych, które często są od sześciu do dziesięciu razy większe od normalnych obciążeń i trwają od sześciu do dziesięciu milisekund.

Lepszym rozwiązaniem jest nowa klasa bezpieczników, które pozwalają na wybiórcze zabezpieczanie sprzętu podłączonego do zasilacza impulsowego, równocześnie wykluczając bezsensowne odcinanie zasilania. Nowe, „inteligentne” wyłączniki elektroniczne tolerują chwilowy nagły wzrost prądu i ograniczają prąd maksymalny do nie więcej niż 1,8 wartości znamionowej. I, tak jak wyłączniki konwencjonalne, przerywają obwód, kiedy prąd jest za wysoki lub przeciążenie trwa za długo.

 

Nowa generacja

Wyłączniki elektroniczne są zbudowane na tranzystorach i mogą zapewniać „aktywne ograniczanie prądu (active current limiting) – tranzystor mierzyprąd obciążeniowy przez bocznik, porównuje z wstępnie zadaną, zaprogramowaną wartością i elektronicznie dodaje wymaganą impedancję w celu zredukowania go do bezpiecznej wartości, zanim wewnętrzny wyłącznik zostanie wybity.

Kiedy przetężenie prądu osiągnie od 110% do 180%, „inteligentny” bezpiecznik wyłączy się w ciągu 3 sekund lub nawet szybciej. Wyłączy również wysokie przeciążenia trwające dłużej niż 50 milisekund. Ponadto fizycznie odizoluje przeciążenie po wybiciu lub po naciśnięciu ręcznego przycisku załaczania/wyłączania (on/off).

Wyłączniki elektroniczne często łączą w sobie wyłącznik mechaniczny i elektroniczny (mechanical circuit breaker + electronic switch). W ślad za fizycznym rozłączeniem zazwyczaj w ciągu pięciu sekund następuje rozłączenie elektroniczne. Status błędów jest komunikowany przez diodę LED, a urządzenie może wysłać sygnał do sterownika logicznego lub do oprogramowania systemu.

W celu zabezpieczenia przez uszkodzeniami wyłącznik wyposaża się również w mechanizm zabezpieczenia termicznego, który wybija bezpiecznik w przypadku awarii elektroniki lub w przypadku ewidentnych błędów w postaci wyraźnie zbyt wysokich wartości prądu.

Zasilacze impulsowe charakteryzują się wysokim współczynnikiem sprawności, który pomaga minimalizować nagrzewanie się szaf sterowniczych, ale sposób, w jaki reagują na przeciążenia, może powodować niepotrzebne przestoje. Nowe wyłączniki elektroniczne mogą zabezpieczać poszczególne obwody obciążenia przez ograniczanie awaryjnych prądów, w ten sposób zapobiegając wyłączaniu się zasilacza.

Kenneth Cybart jest starszym inżynierem ds. aplikacji w firmie E-T-A Circuit Breakers, www.e-t-a.com. Przedstawicielstwo E-T-A w Polsce www.el-cab.com.pl