Przykład 1.

Mamy zasilacz o mocy wyjściowej 100 W, który pobiera z sieci energetycznej 117,6 W. Obliczmy jego sprawność.

Najczęściej w danych zasilacza mamy podaną moc wyjściową i sprawność. Producenci w specyfikacji nie podają, ile zasilacz pobiera mocy. Możemy to łatwo obliczyć, podstawiając wartości do przekształconego wzoru.

Przykład 2.

Mamy zasilacz o mocy wyjściowej 150 W i sprawności 86%. Obliczmy, jaka moc jest pobierana z sieci energetycznej.

Łatwo możemy też obliczyć, ile mocy jest tracone na ciepło w tym zasilaczu (P_d – moc strat), stosując prosty wzór (odejmujemy od mocy pobranej moc oddaną).

W tym przypadku 24,4 W jest tracone na ciepło oczywiście przy pełnym obciążeniu. Te 24,4 W zwiększa temperaturę wewnątrz obudowy i podgrzewa wewnętrzne elementy.

MTBF – średni czas między awariami (Mean Time Between Failure)

Wyrażany jest w godzinach i jest to informacja o niezawodności urządzenia.

Bardzo często ten parametr jest niewłaściwie interpretowany. Przykładowo MTBF zasilacza wynosi 700 000 godzin, czyli prawie 80 lat. Nie oznacza to, że zasilacz bezawaryjnie będzie pracował tyle czasu.

Sposoby i metody obliczania MTBF zostały wprowadzone przez armię amerykańską w 1965 roku wraz z publikacją modelu MIL-HDBK-217. Zawarto w nim częstotliwość awarii dla różnych podzespołów elektronicznych, np. kondensatorów, rezystorów, tranzystorów. W tym modelu opublikowano metody obliczania awaryjności. Miało to służyć standaryzacji ocen niezawodności urządzeń elektronicznych i sprzętu wojskowego.

Oprócz modelu MIL-HDBK-217 stosuje się również inne sposoby obliczeń parametru MTBF, z którymi możemy spotkać się w danych technicznych urządzeń elektronicznych. Wszystkie modele mają różne algorytmy do obliczeń niezawodności. Przykładowe metody: HRD5, Telcordia, RBD, model Markowa, FMEA/FMECA, drzewo uszkodzeń, HALT.

Znając czas MTBF, możemy obliczyć prawdopodobieństwo uszkodzenia urządzenia przed upływem czasu MTBF. Jest to bardzo przydatna informacja, która pozwala ocenić awaryjność systemu. Generalnie zasada jest prosta: im większy MTBF, tym bardziej niezawodne urządzenie.

Pamiętajmy, że zawsze MTBF oznacza czas, po którym niezawodność urządzenia spada do 36,8%.

Dlaczego? Do obliczeń musimy wprowadzić wzór na niezawodność.

R(T) – niezawodność wyrażona w procentach w stosunku do czasu pracy urządzenia

T – czas pracy urządzenia

MTBF – średni czas między awariami

2,718 – liczba Eulera (występuje we wzorach jako litera „e”)

Słownie: 2,718 podniesione do ujemnej potęgi czasu pracy podzielonego przez MTBF.

Obliczmy awaryjność urządzenia, którego MTBF wynosi 50 000 godzin po czasie 50 000 godzin.

Czyli urządzenie o MTBF = 50 000 godzin ma niezawodność 36,8% po czasie 50 000 godzin. Inaczej mówiąc, po czasie 50 000 godzin istnieje prawdopodobieństwo, że na 100 urządzeń ~37 będzie sprawnych, a 63 ulegną awarii.

Sprawdźmy prawdopodobieństwo wystąpienia usterki w ciągu 3 lat dla np. dwóch zasilaczy o różnych MTBF.

1. MTBF = 50 000 godzin, 3 lata = 3 lata x 24 godziny x 365 dni = 26 280 godzin i podstawiamy do wzoru:

Wynik ten pokazuje prawdopodobieństwo, że po 3 latach 59,1% zasilaczy będzie działać bezawaryjnie (np. na 100 urządzeń ~59 będzie sprawnych, a 41 ulegnie awarii).

2. MTBF = 700 000 godzin, 3 lata = 3 lata x 24 godziny x 365 dni = 26 280 godzin i podstawiamy do wzoru.

Ten przypadek pokazuje prawdopodobieństwo, że po 3 latach 97,1% zasilaczy będzie działać bezawaryjnie (np. na 100 urządzeń ~97 będzie sprawnych, a 3 ulegną awarii).

Najczęściej parametr MTBF jest określany przez producenta w odniesieniu do pracy urządzenia w temperaturze otoczenia 25°C. W przypadku pracy w wyższych temperaturach obowiązuje zasada, że zwiększenie temperatury otoczenia o 10°C powoduje dwukrotne zmniejszenie wartości MTBF. Dlaczego jedne urządzenia mają wysoki, a inne niski MTBF? Różnice wynikają z jakości użytych elementów i stopnia skomplikowania urządzenia. Nie wszyscy producenci umieszczają ten parametr w danych technicznych.

Napięcie wyjściowe (Output Voltage)

Napięcie wyjściowe jest to napięcie, które powinno być stabilizowane przy zmianach obciążenia zasilacza od 0 do 100%. Trzeba sobie uświadomić, że we wszystkich zasilaczach na wyjściowe napięcie stałe nakładają się szumy, tętnienia i zakłócenia. Mogą one mieć amplitudę sięgającą kilkuset mVp-p. Czasami zbyt duża wartość tętnień napięcia wyjściowego może być przyczyną problemów, jeżeli zasilane urządzenie jest podatne na tętnienia, np. zakłócenia w obrazie z kamery w aplikacjach CCTV albo częste restarty jakiegoś urządzenia elektronicznego.

Poniżej zaprezentowano zrzut oscylogramu tętnień napięcia zasilacza impulsowego 12 V.

Odpowiedź dynamiczna na skokowe zmiany obciążenia (Dynamic Response)

Każdy zasilacz powinien dostarczać do obciążenia napięcie wyjściowe o stałej wartości, które nie zmienia się przy zmianie prądu obciążenia. Jednak czasami występują skokowe zmiany obciążenia (np. załączenie/wyłączenie się oświetlacza podczerwieni w kamerze CCTV albo załączenie/wyłączenie dodatkowego obciążenia). Przy zmianie obciążenia od 0 do 100% (lub odwrotnie) pojawiają się zakłócenia i wahania napięcia wyjściowego, które mogą wpłynąć na pracę innych urządzeń podłączonych do zasilacza.

Na rysunku poniżej widać zmiany napięcia wyjściowego w stosunku do zmian obciążenia od 0 do 100% wysokiej jakości zasilacza, zaczerpnięte z jego dokumentacji technicznej.

V - napięcie wyjściowe

L - obciążenie

Większość zasilaczy impulsowych wyposażono w układy zabezpieczające wyjście przed skutkami zwarć i przeciążeń. Ponieważ stosuje się różne sposoby zabezpieczeń, należy właściwie dobrać zasilacz do rodzaju obciążenia. Silniki, żarówki, obciążenia o dużej pojemności, indukcyjności itp., czyli tzw. obciążenia o charakterystyce nieliniowej, mogą potrzebować dużego impulsu prądowego przy starcie, przekraczającego znacznie maksymalny prąd znamionowy zasilacza. Może to spowodować zadziałanie zabezpieczeń i uniemożliwić załączenie zasilacza. Może się okazać w praktyce, że zasilacz np. 12 V 50 W nie będzie w stanie się uruchomić po podłączeniu obciążenia 12 V 30 W (np. żarówka, silnik).

Konstruktorzy zasilaczy stosują różne metody zabezpieczeń przed skutkami zwarć i przeciążeń. Zabezpieczenia powinny chronić zasilacz i obciążenie. Poniżej omówiono najczęściej spotykane.