L’alimentatore giusto per il picco di carico

Scegliere l’alimentatore Ac/Dc per sistemi che richiedono picchi di carico superiori ai normali requisiti di alimentazione per brevi periodi può portare a selezionare prodotti più grandi, con maggiore potenza e con un costo più alto. In queste applicazioni, la potenza media richiesta è in genere notevolmente inferiore al picco richiesto e, con attenzione, ci possono essere risparmi in termini di dimensioni e costo del prodotto senza compromettere l’affidabilità e la durata del sistema. Utilizzando un alimentatore in grado di supportare il picco di carico, ma con una potenza continua inferiore, si tradurrà in un power supply fisicamente più piccolo, riducendo le dimensioni, il peso e il costo del sistema. Ad esempio, in un sistema che richiede 300 W per una breve durata, utilizzando un alimentatore da 200 W continui che può sopportare un picco di 300 W si tradurrà in un notevole risparmio sia in volume che in costo rispetto ad un alimentatore da 300 W di potenza continua, a condizione che il carico medio sia inferiore a 200 W. L’alimentazione deve essere in grado di sostenere elettricamente in modo sicuro il picco di potenza richiesta, ma può essere valutato termicamente al livello di potenza inferiore. Le applicazioni che richiedono elevate correnti di picco spesso includono alcuni elementi elettromeccanici, come testine di stampanti, pompe, motori e azionamenti. Questi prodotti hanno richieste di potenza media di gran lunga inferiore rispetto ai requisiti di potenza di picco e si trovano in automazione industriale, dispositivi medicali, movimentazione di fluidi e materiali, robotica, utensili elettrici, lavorazioni con macchine, confezionamenti, test, sistemi di erogazione e stampanti. Alcuni prodotti specificano una capacità di picco del carico che può essere caratterizzata in diversi modi.

• Il power supply è valutato fino a 30 secondi di picco del carico con un duty cycle dal 10 al 15% che è appena al di sotto del limite di protezione da sovracorrente - L’Ocp è di solito impostato a circa il 20-30% al di sopra della corrente nominale continua. Si tratta essenzialmente di uno standard di progettazione, valutato e caratterizzato per dare un certo margine al di là della potenza nominale continua. Ci sono applicazioni dove è richiesto un ulteriore 20-30% della potenza per brevi periodi. Questi sono in genere le applicazioni elettromeccaniche che richiedono corrente di picco più alte per una durata più breve. Sfruttando queste caratteristiche per sostenere occasionali richieste di potenza di picco si determina un’alimentazione più piccola e a minor costo, ma la potenza media richiesta deve essere mantenuta al di sotto del valore continuo massimo nominale.
• Un picco molto alto fino al 200% della potenza nominale per una durata molto breve dove l’Ocp non interviene nella condizione di sovraccarico - In genere, questo permette una gestione della corrente di picco per 200-500 us. Questo tipo di funzionalità di picco copre una gamma limitata di applicazioni.
• Elevata potenza nominale con alta tensione di ingresso, normalmente da 180 Vac in su - Ad esempio, un alimentatore da 1200 W può essere in grado di fornire 1500 W di potenza continua quando lavora con tensione Ac di ingresso superiore a 180 Vac. Questo produce dei benefici in termini di dimensioni e costi se l’ingresso Ac è nell’intervallo high-line ed è ideale per sistemi ad alta potenza connessi tra fase e fase quando l’alimentazione nominale a singola fase è bassa.
• Un alimentatore con topologia e caratteristiche termiche, progettato per supportare alti picchi da carichi elettromeccanici - Questo tipo di unità può fornire fino a due volte la potenza nominale per 10 secondi o più, con duty cycle fino al 35% per applicazioni elettromeccaniche nel controllo dei processi industriali. Il sistema di potenza modulare FlexPower di XP Power è un esempio che consente di avere diverse uscite standard accanto a quella che fornisce una corrente di picco. Gli alimentatori con una potenza nominale a convezione naturale e una maggiore con raffreddamento con ventola sono spesso trascurati quando si considerano applicazioni con picchi di carico. Non è raro che tale alimentatore venga valutato con una potenza in uscita fino al 50% superiore con un sistema di ventilazione rispetto a uno in un ambiente naturalmente raffreddato. Questi prodotti sono generalmente di tipo open frame o U channel, e coprono potenze fino a 500 - 600 W. Tali prodotti sono valutati dal punto di vista elettrico per la potenza nominale con raffreddamento a ventilazione e valutati termicamente per la potenza con raffreddamento a convezione naturale.

In generale, maggiore è la differenza tra il rating con raffreddamento a ventilazione e quello a convezione, minore è la capacità per picchi di carico. Un vantaggio per il progettista del sistema è che questi prodotti dual rating normalmente identificano i componenti chiave e le loro massime temperature per garantire un funzionamento sicuro e affidabile quando installati nell’applicazione finale. Queste informazioni possono essere utilizzate per garantire che il prodotto rimanga sicuro e affidabile in un sistema con picco del carico, controllando la temperatura dei componenti fondamentali nella fase di sviluppo. La specifica tipicamente delineerà anche le aspettative del life time basate sulla temperatura dei condensatori elettrolitici chiave, permettendo di confermare l’idoneità del prodotto in base ai requisiti del sistema. Quando si seleziona un alimentatore per applicazioni con picchi ad alta potenza, basandosi sul rating con raffreddamento ad aria forzata e quello a convezione naturale, i parametri chiave sono la potenza di picco richiesta, che non deve superare la potenza massima con raffreddamento ventilato, la durata massima del picco, il duty cycle e la potenza assorbita dal carico durante il periodo non di picco per garantire che la potenza massima nominale continua in convezione naturale non venga superata.

Un esempio con un carico di picco di 250 W

L’esempio che segue si basa su un alimentatore open frame con potenza nominale in raffreddamento forzato di 250 W e con raffreddamento a convezione naturale di 180 W, la serie GCS250 di XP Power, che lavora in un’applicazione con raffreddamento a convezione in cui il sistema richiede un carico di picco pari a 250 W per 10s ogni 40s o un duty cycle del 25%. Questo requisito di potenza di picco (Ppk) definisce l’assorbimento massimo nel periodo non di picco in modo che la potenza media non superi quella massima con il raffreddamento a convezione. In questo caso, la potenza massima disponibile durante il periodo non di picco (Po) sarà 156 Watt in modo che la potenza media assorbita (Pav) non superi quella con raffreddamento a convezione (Fig. 1). Utilizzando la stessa formula, se il duty cycle è ridotto al 15%, o 10s ogni 67s, allora la potenza non di picco può essere aumentata a 168 W senza superare il limite di potenza media continua in convezione di 180 W. I calcoli mostrano che queste condizioni operative non supereranno i limiti dell’alimentatore. Tuttavia, dobbiamo anche considerare le temperature dei componenti chiave del power supply quando installato nella macchina per garantire un funzionamento sicuro e affidabile (Fig. 2). La temperatura deve essere monitorata tramite termocoppie di tipo K poste sulla parte più calda dei componenti (fuori dal flusso d’aria diretto). La scelta e la valutazione di un prodotto come questo, sulla base dei dati termici subito disponibili, piuttosto che una valutazione della piena potenza di picco continua, dà luogo a una soluzione di dimensioni ridotte, leggera e con un costo inferiore senza compromettere le prestazioni, l’affidabilità e la durata dell’applicazione finale.