Kuidas valida toiteplokki?

Valik toiteplokke siin https://energiatehnika.ee/tootekategooria/toiteplokid/delta-electronics-toiteplokid/

Toiteploki valikuga enamasti keegi eriti pead murdma ei hakka. Valitakse võimalikult odav seade, mille elektroonikapoest või netist leiab. Kui pinged ja voolud sobivad ning plokk oma  kohale ära mahub, siis ongi valik tehtud.

Praktikas näeme, et toiteploki valikul tehakse vigu, mis hiljem valusasti tunda annavad häiringutest elektriõnnetuse, turult kõrvaldamise ja kahjunõueteni. Artikkel “Kuidas valida toiteplokki?” kirjeldab ja aitab vältida levinumaid probleeme toiteploki valikul.

Lõpp-klient toiteplokile erinõudmisi esitada ei oska. Seda peab tegema seadme või masina projekteerija või tootja, lähtudes vastaval turul kehtestatud elektriohutuse, keskkonna alastest jm nõuetest.

Euroopa Liidus tuleb arvestada:

Madalpingedirektiivi (LVD)

Elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) direktiivi

Ohtlike ainete piiramise direktiivi (RoHS)

Masinaohutuse direktiivi (MD)

Ökodisaini direktiivi ja nendega seotud harmoneeritud standardeid.

 

Näiteks, EN 60204 Masinate elektriseadmete  ohutus, EN 62638 Info- ja telekommunikatsiooniseadmete ohutus, EN 60335 Kodumajapidamis- ja olmeseadmete ohutus, EN 60601 Meditsiiniseadmete ohutus jne.

Kui teie masinale või seadmele vastavat tootestandardit ei leidu või selle nõudeid täita ei saa, tuleb teha selle riskianalüüs nt standardi ISO 12100 põhjal.See standard hõlmab kõiki võimalikke riske, sh ka elektriohutusega seotuid. 

Kui on oht, et seadme kaitsemaanduse ahel võib katkeda, näiteks pikendusjuhtme kasutamisel, tuleb olenevalt raskeimatest võimalikest kasutusoludest kasutada tugevdatud isolatsiooniga või kaitseväikepinge toiteplokki. Kaitseväikepinge on vahelduvpinge väärtusega kuni 50 (42) V AC või alalispinge kuni 75 (60) V DC.

 

Millised on tehnilised nõudmised toiteplokkidele?

 Esmane nõue on ohutuse tagamine.

Toiteplokk on elektriohu ja häiringute allikas ning võib sisaldada ohtlikke aineid, näiteks pliid.

Ohutusnõuded erinevad riigiti. Kui seadet eksporditakse, siis tuleb tagada vastavus lõppkliendi juures kehtivatele nõuetele.

Euroopa Liidus näitab toote nõuetele vastavust CE, USAs UL, Kanadas CSA, Hiinas CCC, Jaapanis PSE, Venemaal EAC tähis jne.

Kõige kindlam on toiteplokk samuti valida lõppkliendi maa sertifikaadiga toodete hulgast. See lihtsustab oluliselt teie toote sertifitseerimist, mis võib olla nõutav.

 

Näiteks EL-s nõutakse meditsiiniseadmete, ohutusseadiste sertifitseerimist, USAs ja Kanadas tuleb elektriseadmed turule laskmise eel sertifitseerida NRTL nimekirja kuuluvates akrediteeritud testimislaborites.

Ohtlikud ja kehtestatud nõuetele mittevastavad tooted võidakse kohustada turult eemaldada ja tagasi osta. Euroopa Liidus on ohtlike toodete registreerimiseks ja turult kõrvaldamise nõudmiseks eraldi amet RAPEX (rapid alert system for dangerous non-food products – “Safety Gate”). Toiteploki või -adapteri isolatsiooni puudulikkus on üks levinumaid elektriseadme põhjusi sellesse registrisse sattumisel.

Võrgutoide

Võrgupinged ja -pistikud erinevad riigiti. Euroopas Liidus on põhiline TNS 230/400 V 50 Hz, USAs ja Kanadas esinevad võrgupinged TNS 115 V, 208 V, 240 V, 480 V, 575 V 60 Hz.

Maailma riikides võib leida muidki pingeid ja juhistikusüsteeme. Näiteks Norras on kasutusel isoleeritud IT juhistikusüsteem. Seda kasutatakse sageli ka laevades. Kui teie seadet võidakse müüakse üle maailma ja seda võidakse kasutada mitmes riigis, siis peaks ka seadme toiteplokk olema sobiv või kohandatav kõigi sihtriikide jaoks. Või siis tuleb toode varustada erinevate toiteadapteritega vastavalt lõppkliendi asukohas kehtivatele nõuetele.

Toiteploki sisselülitamisel tekib käivitusvoolu impulss, mis peab olema piiratud.

Kui seda ei ole tehtud, sõltub käivitusvoolu tippväärtus võrgupingest ja toitevõrgu näivtakistusest. Alajaama lähedal võib sellise toiteploki käivitusimpulss kergesti kaitsmed välja lüüa.

Kuidas valida toiteplokki kaitsefunktsioonide järgi

Toiteploki väljund peab olema kaitstud lühise ja liigvoolu eest. Toiteploki väljundi lühiskaitset ei saa reeglina teostada sulavkaitsmega, kuna toiteploki väljundi kaitsmiseks pole sulavkaitse piisavalt kiire. Seetõttu piiratakse väljundvoolu automaatselt maksimaalväärtusega, vähendades vastavalt pinget.

Teise võimalusena kasutatakse nn voolulõiget. See tähendab, et väljundpinge katkestatakse ülekoormuse tuvastamisel. Seejärel võib toiteplokk jääda perioodiliselt käivituma ja kontrollima, kas ülekoormus on kadunud (trip&restart). See avaldub toitepinge perioodilise sisse-välja klõpsimisena. Sellise liigvoolukaitsega toiteplokid ei sobi suure käivitusvoolu korral, nt kondensaatorite või akude laadimiseks. Neis tuleks kasutada kas piiratud voolu või piiratud võimsusega toiteplokke. Toiteplokil võib olla ka kombineeritud ülekoormuskaitse.

Toiteplokist toidetavad elektriahelad vajavad samuti vähemalt lühisekaitset. Ideaaljuhul peaks olema ette nähtud eraldi kaitse igale toidetavale seadmele. Seda enamasti ei tehta, kui kõik ahelad on teostatud sellise ristlõikega juhtmega, mis talub kestvalt toiteploki lühisvoolu. Sageli on osa nt andurite juhtmeid sellest oluliselt peenemad ja lühise korral ähvardab seadme süttimine. Mida siis teha? Siin on abi piiratud võimsusega toiteploki kasutamisest. Kui aga toiteplokk peab olema võimsam, tuleb kasutada täppiskaitsmeid. Kõige täpsemad on elektroonilised kaitsmed.

Toiteploki sisend peab olema kaitstud toite liigpingete eest, mis võivad kasutuskohas esineda. Enamasti on toiteplokil võrgu poolel vajalik kaitse 2,5 kV impulsi eest, mis võib elektripaigaldises esineda. Kui toiteplokil piisavalt tugevat liigpingekaitset pole, tuleb kasutada välist liigpinge kaitseseadist koos sulavkaitsmetega. Samuti peavad kõik toiteploki sisendid ja väljundid olema piisaval määral kaitstud staatilise elektri laengute eest.

Akude laadimiseks kasutatavad toiteplokid peavad vastavalt kasutatava aku nõuetele piirama laadimisvoolu ja -pinget ning kaitsma akut ülelaadimise eest. Näiteks väiksematel liitiumakudel on vastav akumonitori elektroonikaplokk sisse ehitatud.

Liigtemperatuurikaitsest

Toiteplokil peab ülekuumenemise ja süttimise vältimiseks olema liigtemperatuurikaitse. Kui liigtemperatuurikaitset ei ole, siis näiteks puuduliku jahutuse tõttu ülekuumenenud toiteplokk jätkab tööd, kuni maha põleb. Lühisel tekkiv kaarleek võib kergesti süüdata põlevaid materjale. Toiteploki materjalid peavad olema raskesti süttivad ja isekustuvad. Isolatsioonimaterjalide kohta on eraldi nõuded, mis on eriti olulised ühistranspordivahendites, avalikes kohtades ja kõrghoonetes.

Isolatsiooni nõuetest

Toiteploki või -adapteri isolatsiooni tagab eelkõige kõrgsagedustrafo, mille ehitus on ohutuse seisukohalt kriitilise tähtsusega. Vastavates standardites on antud isolatsioonivahemikud õhus ja mööda isolatsioonipindu, samuti nõuded mähistraadile, mähise alustele ja trükkplaatide materjalidele. Mõnel pool kasutatakse trafo primaar- ja sekundaarmähise vahel maandatud ekraani, mis ei võimalda mähiste vahelise isolatsiooni läbilööki, kuna enne tekib lühis. Trafole võidakse mõnel juhul nõuda eraldi sertifitseerimist.

Diagnostika ja juhtimine

Toiteploki veadiagnostika piirdub enamasti rohelise lediga, mis põleb, kui väljundpinge on korras. Leidub ka kasutajaliidesega toiteplokke, millel saab jälgida koormust, seadistada kaitseid, vaadata järelejäänud ressurssi, mille määrab tavaliselt kondensaatorite ja jõupooljuhtide vananemine kuumenedes ja jahtudes. Samuti on saada releeväljundiga toiteplokke, mis signaliseerivad korrasolekust kontakti sulgumisega.

Mõnedel toiteplokkidel on distantsjuhtimissisend, mis võimaldab plokki distantsilt digitaalsignaaliga sisse ja välja lülitada. Keerukamatel, nt programmeeritavatel laboratoorsetel või telekomi toiteplokkidel võib olla ka kuvar ja arvutiliides(ed).

Täiendavalt võivad toiteplokkidel olla ülema ja alluva toiteploki ühendamise ja sünkroniseerimise sisendid. See võimaldab vajaduse korral toiteplokke rööbiti ja jadamisi ühendada.

Jada- ja rööpühendus

Impulsstoiteplokke üldjuhul jadamisi ja rööbiti ei ühendata, kui see pole lubatud kasutusjuhendis. Sellised ühendused on tavaliselt siiski piiratud lõpliku arvu kindlat tüüpi toiteplokkidega.

Toiteplokil võivad olla ka juhtimissisendid ja mõõtesisendid nt pinge stabiliseerimiseks pikemate juhtmetega ühendatud koormusel.

Kuum reserv ja töökindlus

Mida teha, kui seadmel on vaja toiteplokk välja vahetada, kuid välja lülitada ei tohi?

Kuum vahetus (hot swap)  on vajalik näiteks serverite või telekomi toiteplokkidel. Sellisel juhul tuleb kasutada kas liiasusega (redundancy) või varutoite akuga nn UPS toiteplokke. Vahetuseks tuleks koormust niipalju vähendada, et töösse jäävat toiteplokki või aku ahelaid üle ei koormata.

Rakendustes, kus liiasus e kuum reserv on vajalik ohutuse või 100% töökindluse tagamiseks, ei või koormus ületada ühele toiteplokile kestvalt lubatut. Kui toiteplokki kasutatakse ohutusega seotud seadmete toiteks, peaks ka toiteploki töökindlus olema piisav. Seda näitab MTTF (mean time to failure) väärtus tundides. Parematel toiteplokkidel on MTTF u 700 000 tundi. See väärtus võib olla saavutatud suure arvu toiteplokkide töökindlustestidega või arvutuslikult.

Väljundpinge stabiliseerimise kvaliteedist

Kõige levinum probleem on toiteploki pinge kõikumine. Tühijooksul on pinge kõrgem, koormamisel see langeb. Toitepinge suurenedes väljundpinge tõuseb, temperatuuri tõustes tavaliselt langeb.

Väljundpinge väärtus peaks võimalikult vähe sõltuma koormusest, temperatuurist, toitepingest ja komponentide ajalistest muutustest ehk vananemisest. Väljundpinge kvaliteedi kohta saab lugeda artiklist „Toiteplokid“ (link).

Toitepokkide klassidest

Sarnaselt muude elektriseadmetega jagunevad ka toiteplokid IEC klassidesse.

Klass I on kaitsemaanduskontaktiga, klass II tugevdatud isolatsiooniga ja kaitsemaanduskontaktita, klass III ohutu väikepingeline (SELV) toiteplokk.

Toiteploki klass peab vastama elektriseadme klassile ja vastupidi. See tähendab, et toiteplokist võib sõltuda elektriseadme klass. Klassi II seadet ei tohi toita I klassi toiteplokist, kuna tekivad juhtivuslikud häiringud. Klassi I seadet võib mõnel juhul toita klassi II toiteplokist, tagades seadme nõutava kaitsemaanduse.

Toiteplokkide võimsusklassid USA NEC (National Electrical Code) alusel. LPS (limited power source) 1. klassi kuuluvad signalisatsiooni- ja kaugjuhtimis- ning piiratud võimsusega ahelad. Klassi 1 piiratud võimsusega ahela toitepinge ei tohi üldjuhul ületada 30 V ja toiteploki automaatne võimsuspiirang kuni 1000 VA. Sellest toidetavat elektriskeemi osa nimetatakse 1. klassi piiratud võimsusega ahelaks. 

Teise klassi toiteploki automaatne võimsuspiirang ülekoormusel, lühisel vm ei tohi ületada 100 VA taset. 2. klassi automaatse võimsuspiiranguga toiteploki pinge võib olla kuni 150 V AC/DC. Välise liigvoolukaitsega võib pinge olla kuni 30 VAC või 60 V DC. Sellest toidetav 2. klassi elektriahel loetakse elektri- ja tuleohutuks. 3. klassi automaatse võimsuspiiranguga toiteploki väljundpinge võib olla kuni 100 V AC/DC. Välise liigvoolukaitsega võib 3. klassi toiteploki pinge olla kuni 150 V AC/DC.

Elektromagnetilisest ühilduvusest

Toiteplokkide elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) tasemed näitavad raadiohäiringute ja juhtivuslike häiringute tugevust sisend- ja väljundpingetes. A-klassi EMC tasemega toiteplokid on ette nähtud kasutamiseks äri- ja tööstuskeskkondades. B-klassi EMC tasemega toiteplokid on ette nähtud kasutamiseks olmekeskkondades, kus lubatavad häiringud ja nõuded häiringukindlusele on nõrgemad. Kui toiteplokki on kavas kasutada audioseadme vm tundliku analoog-mõõteahela toiteks, tuleks valida B-klassi toiteplokk või lineaarne toiteallikas.

Elektromagnetilise ühilduvuse teemadega liituvad ka lekkevoolu, võrguvoolu moonutuste, filtreerimise, võimsusteguri kompenseerimise jm probleemid. Nende lähem käsitlemine on siinkohal välja jäetud artikli piiratud pikkuse tõttu.

Keskkonnanõuetest

Seadme lõppkasutaja juures võib esineda teistsugune keskkond, kui esmapilgul eeldada võiks. Temperatuur, samuti õhuniiskus võib olla kõrgem või madalam. Võivad esineda vesi, tolm, mis võib mõnel juhul olla vooljuhtiv või plahvatusohtik. Mõnesid seadmeid võidakse kasutada plahvatusohu olukorras, näiteks tanklates, kütusehoidlates või kaevandustes. Seadmele võivad mõjuda vibratsioon ja löögid transpordil või ka lõppkasutaja juures, näiteks seismilises piirkonnas. Seade mustub kasutamisel, mis halvendab jahutust. Näiteks ehitusmasinad kattuvad aegamööda betoonikihiga, puidutööstuses aga tungib tolm pikkamööda kõikjale. Seadmesse võivad elama asuda putukad. Seda on esinenud ka Eestis. Oli juhtum, kus putukad tegid pesa garaažiukse ajamisse. Jahutus halvenes niivõrd, et toitetrafo temperatuurikaitse põles läbi. Toiduainetetööstuse seadmete ja meditsiinitehnika pesemiseks ja desinfitseerimiseks võidakse kasutada kangeid korrodeerivaid kemikaalilahuseid. Tugevalt korrodeerivad gaasid võivad esineda näiteks keemiatööstuses ja (reo)veepuhastusseadmetes. Olulist kahju võivad teha vandaalid. Kilbiuksi soditakse, lõhutakse ja kangutatakse lahti, tuleb ette ka süütamiskatseid.

Toiteplokkide tühijooksu võimsuse piiramisega hakati tegelema sajandivahetuse eel, kui saadi aru, et mitu elektrijaama EL-s töötavad ainult selleks, et toota sadade miljonite võrku ühendatud tühijooksul töötavate toiteplokkide võimsust. EL Ökodisaini direktiivi määrusega  (EL) 2019/1782 on sätestatud kuni 250 W toiteplokkide – määruses välistoiteallikate – tühijooksuvõimsuse piirangud 0,1 W nimivõimsusel alla 50W ja üle selle 0,21 W. Samuti on ette antud kasutegurid erineval koormusel. Need on väga karmid tehnilised nõuded, mille täitmine nõuab toiteploki skeemi, iga komponendi ja režiimi hoolikat valikut.

Toiteplokke puudutavaid direktiive on teisigi. RoHS piirab plii, elavhõbeda, kaadmiumi, 6-valentse kroomi, polübroomitud bifenüüli (PBB) ja polübroomitud difenüüleetri (PBDE) kasutamist elektroonikatoodetes. Näiteks ei tohi kasutada pliid sisaldavaid tinajoodiseid. Elektri- ja elektroonikaseadmete jäätmete direktiiv sätestab nõuded elektri- ja elektroonikaseadmete jäätmete tekke vältimiseks, nende jäätmete korduvkasutamiseks ja ümber töötlemiseks.

Kokkuvõte

Artiklis on antud lühiülevaade toiteplokkidega seotud probleemistikust. Temaatika on väga lai, hõlmates erinevaid ohutusnõudeid, liigitust, skeemitehnikat, keskkonna aspekte, disaini, ergonoomiat, töökindlust, katsemetoodikaid, rakendusi jne. Suur osa toodud infost on kogemuslik.

Valik toiteplokke siit: https://energiatehnika.ee/tootekategooria/toiteplokid/

 

Kui soovite täiendavat infot ja nõuannet kuidas valida toiteplokki, pöörduge Energiatehnika OÜ  poole telefonil 655 1312 või emailiga info@energiatehnika.ee.

 

Energiatehnika OÜ on firmade Delta Electronics, kes on maailma suurim toiteplokkide tootja, ja Saksamaa toiteplokkide ja trafode tootja Block GmbH esindaja Eestis.