Układ zasilania dla aplikacji sterowania inteligentnym budynkiem

Koncepcja inteligentnego budynku lub mieszkania integruje w sobie udogodnienia życia rodzinnego w zakresie: okablowania, komunikacji internetowej, bezpieczeństwa, systemów automatyki oraz systemów multimedialnych, co poprawia komfort życia, a jednocześnie zapewnia oszczędność energii. System zasilania stanowi rdzeń tej koncepcji oraz fundament zapewniający prawidłowe działanie każdego systemu kontrolnego. Na rysunku 1. przedstawiono strukturę inteligentnego budynku, w skład którego wchodzą: oświetlenie, system załączania gniazd zasilania, sterowanie systemem tła muzycznego, kontrola drzwi i zasłony sterowane elektronicznie, system audiowizualny, system bezpieczeństwa, okablowanie itd. Ze względu na ograniczoną dostępną przestrzeń w domach mieszkalnych, poszczególne kontrolery wchodzące w skład takiego systemu cechują się przede wszystkim niewielkimi wymiarami, bo często są ukrywane w puszkach osprzętu elektroinstalacyjnego. Tak więc jednostka zasilająca dla tych kontrolerów powinna także cechować się niedużym wymiarami. Również ze względów czysto estetycznych cechą pożądaną są nieduże wymiary kontrolerów i paneli sterujących. Rysunek 1. Struktura inteligentnego budynku Współpraca rozwiązań Rysunek 2. Rozwiązanie sterownika z zasilaczem beztransformatorowym Zasilanie dla urządzeń inteligentnego domu lub budynku realizowane jest w sposób prosty, bazujący na zasilaczu beztransformatorowym i bezindukcyjnym opierającym się na elementach RC oraz na klasycznej przetwornicy z transformatorem impulsowym obniżającej napięcie sieci. W dalszej części artykułu zostaną omówione cechy obu tych rozwiązań. Schemat poglądowy obwodu zasilania z wykorzystaniem zasilacza beztransformatorowego (kondensatorowego) na elementach RC dla panelu kontrolnego systemu sterowania budynkiem przedstawia rysunek 2. Zasilanie dołączone jest do obwodów głównego kontrolera, bloku izolacji sygnałowej oraz wyświetlacza. Na wejściu znajduje się obwód ochrony przeciwprzepięciowej,co ma gwarantować stabilność oraz niezawodne działania obwodu zasilającego. Napięcie dostarczane przez zasilacz następnie poprzez regulator LDO podawane jest w postaci stabilizowanej do obwodów zasilania mikrokontrolera i układu izolacji sygnałowej. Dodatkowy obwód zabezpieczenia nadprądowego na wyjściu stabilizatora chroni sterownik w przypadku nieprawidłowegod działania lub uszkodzenia zasilacza. Główne zalety takiego rozwiązania to niski koszt i nieduża powierzchnia zajmowana na PCB, a więc spełnione są podstawowe założenia projektu. Ale tego typu rozwiązanie ma także swoje liczne wady, takie jak: niska sprawność,wąski zakres dopuszczalnego napięcia wejściowego, duże wahania napięcia w zależności od stopnia obciążenia,czy trudność w testowaniu układu. Jednak najbardziej istotną kwestią z punktu widzenia bezpieczeństwa jest brak izolacji między wejściem i wyjściem, co może nawet skutkować porażeniem elektrycznym. Innymi słowyw zasilaczu kondensatorowym (beztransformatorowym) wszystkie obwody sterownika są na potencjale sieci energetycznej co wymusza wiele innych działań ochronnych zapewniających izolację użytkownika od obwodów sterujących i środowiska. Rysunek 3. Zasilacz oparty na transformatorze sieciowym Rysunek 3 przedstawia koncepcję zasilania panelu kontrolnego opartego na tradycyjnym transformatorze sieciowym. Obwody wejściowe i wyjściowe,jak również zabezpieczenia przeciwprzepięciowe oraz nadprądowe są identyczne,jak w przypadku poprzednio opisanego rozwiązania. Różnica polega na tym, że konwersja napięcia następuje w transformatorze a nie na reaktancji kondensatora. Transformator obniża wejściowe napięcie AC o częstotliwości 50 Hz, które to napięcie podawane jest na obwód prostownika i filtra,a następnie na regulator LDO. Do obciążenia finalnie dostarczane jest napięcie stabilizowane. Zaletami takiego rozwiązania są: prostota budowy, łatwość testowania, niższy koszt, a także wysoki poziom bezpieczeństwa z uwagi na izolację między wejściem, a wyjściem poprzez transformator. Do wad z kolei należą: ograniczony zakres dopuszczalnych napięć wejściowych, niska sprawność jak również znaczne rozmiary i waga, co stoi w opozycji do głównych założeń projektu odnośnie kompaktowych rozmiarów i oszczędności energii. Rysunek 4. Rozwiązanie zasilania oparte na izolowanej przetwornicy impulsowej Strukturę rozwiązania z zasilaczem impulsowym przedstawia rysunek 4. Zgodnie ze specyfikacją zasilacza impulsowego na wyjściu otrzymujemy napięcie stabilizowane, jak również mamy do dyspozycji komplet zabezpieczeń takich jak obwody przeciążeniowe czy przeciwzwarciowe. Tego typu rozwiązanie cechuje się prostotą konstrukcji, wysoką sprawnością i wyposażeniem w liczne funkcje ochronne. Ponieważ zasilacz impulsowy pracuje na wysokiej częstotliwości kluczowania rzędu kilkuset kiloherców, można zastosować transformator niedużych rozmiarów, co owocuje niewielkimi wymiarami i wagą. W ten sposób można wyeliminować wady poprzednio omówionych dwóch tradycyjnych rozwiązań. Typowy moduł zasilacza impulsowego dla aplikacji inteligentnego budynku Przykładowe impulsowe konwertery zasilające do systemów inteligentnego budynku to seria LS firmy Mornsun (LS01/LS03/LS05). Są to wysokosprawne, energooszczędne moduły zasilaczy zamknięte w miniaturowej obudowie typu SIP. Charakteryzują się szerokim zakresem napięć wejściowych od 100 do 400 VDC (85 ~ 264 VAC), wysoką sprawnością i niezawodnością, niskim poborem mocy oraz dobrej jakości izolacją między wejściem i wyjściem. Wszystkie modele mogą także być wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych, w branży energetycznej, do zasilania aparatury pomiarowej itp. Konwertery mają pełne zabezpieczenie nadprądowe i przeciwzwarciowe i spełniają wymogi norm UL/EN60950. Inteligentny sterownik zawarty w układzie przetwornicy zapewnia też ograniczenie możliwości uszkodzenia zasilacza i zasilanego obwodu w przypadku zwarcia, pomyłki w instalacji. Wówczas kontroler odłącza napięcie wyjściowe w momencie wykrycia awarii. Po ustąpieniu awarii zasilacz automatycznie wznawia swoją pracę. Dzięki temu nie ma silnego nagrzewania i możliwości uszkodzenia kaskadowego. Zasilacz impulsowy w aplikacji inteligentnego sterownika zasłon Rysunek 5. Schemat inteligentnego sterownika zasłon Na rysunku 5 pokazano przykładowe rozwiązanie kompaktowego zasilacza impulsowego używanego w aplikacji inteligentnego sterownika zasłon. Przy rozbudowanej sieci elektrycznej napięcie na wejściu konwertera może wahać się w szerokim zakresie i nie jest stabilne – f luktuacje napięcia osiągają poziom ±10%, a w oddalonych obszarach są znacznie większe i mogą osiągać poziom ±30%. Dlatego zasilacz impulsowy powinien cechować się możliwie szerokim zakresem napięcia wejściowego. Zakres napięcia dla modułów zasilaczy z serii LS zawiera się w przedziale od 85 do 264 VAC i pokrywa ewentualne f luktuacje, które nie mają wpływu na pracę zasilacza. Z drugiej strony źródło zasilania dostarcza energię do wielu urządzeń jednocześnie. W przypadku urządzeń większej mocy – w momencie ich włączania bądź w czasie pracy – najprawdopodobniej będą zakłócać pozostałe urządzenia w podobny sposób jak przepięcia bądź zakłócenia impulsowe EMC. Dlatego aby chronić urządzenia przed zakłóceniami należy zaopatrzyć stronę wejściową w obwody zabezpieczające. Ponieważ moduły konwerterów z serii LS mają funkcje zabezpieczenia nadprądowego i przeciwzwarciowego, nie jest konieczne umieszczanie obwodów ochronnych na wyjściu i zapewniona jest odporność systemu na krótkotrwałe przeciążenie, związane np. z załączeniem przekaźnika. Podsumowanie Moduły zasilaczy impulsowych z serii LS cechują się przede wszystkim kompaktowymi wymiarami, a także zgodnością ze standardami CE i UL. Do prawidłowej pracy wymagany jest tylko kondensator filtrujący po stronie wejściowej i wyjściowej zgodnie ze schematem aplikacyjnym, możliwa jest praca modułów LS01/LS03/LS05 z napięciem wejściowym stałym lub zmiennym wejściowym. Moduły mogą być stosowane w wielu współczesnych aplikacjach i z punktu widzenia projektanta są bardzo wygodne w stosowaniu. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic © Micros