ספקי כוח AC / DC מסופקים בדרך כלל במה שמוכר על ידי התעשייה כפורמט של מסגרת פתוחה. המושג מעטפת פתוחה מתאר בדרך כלל מוצר שהינו מבנה של מעגל מודפס בלבד, ספק הכוח מתוכנן להיות מותקן אל תוך יישום ציוד הקצה, אשר מספק את המארז עבור כל המוצר.
פורמט נפוץ נוסף עבור ספקי כוח, לצורך שילובם אל תוך ציוד הקצה הינו תעלת ה- U, שבה המעגל המודפס של ספק הכוח מותקן בתוך מארז בצורת U, העשוי בדרך כלל אלומיניום, ולעתים קרובות משמש כחלק מהניהול התרמי של המוליכים למחצה של ספק הכוח, כמו גם מספק ליצרן הציוד אפשרויות הצמדה מרובות, להתקנת ספקי הכוח לצורך הרכבתם באופן סופי.
קיימים מספר שיקולים, הנלקחים בחשבון בעת התקנת ספקי כוח עם מעטפת פתוחה ותעלת U, כשבאופן עקרוני שיקולים אלה קשורים לבטיחות, תאימות אלקטרו – מגנטית (EMC) וניהול תרמי, ובתחומים הללו נדון כאן.
שיקול חשוב נוסף הינו המפרט המפורט של ספק הכוח, שמתייחס בעיקר לירידה בטמפרטורה ומתח הכניסה, בעת שמשווים אותם לדירוג ההספק המופיע בכותרת של דף הנתונים. המוצרים הטובים ביותר שומרים על ההספק המצוין בטמפרטורת סביבה של 50 מעלות צלזיוס ויורדים עד למתח כניסה של VAC90, בעוד שמוצרים מסוימים מפרסמים כותרת של דירוג הספק עם ירידה בהספק בשיעור של עד ל- 20% בקצה התחתון של מתח הכניסה, וירידה בהספק הזמין בטמפרטורות סביבה נמוכות של עד 40 מעלות צלזיוס – דבר העשוי להפוך את המוצרים הללו לבלתי מתאימים עבור היישום הסופי.
בטיחות
כאשר מרכיבים ספק כוח עם מארז פתוח בתוך מארז הציוד, יש להקפיד לשמור על מרחקי הזחילה והמרווח הפנוי הדרושים, בין כל אחד מהצדדים של ספק הכוח לבין מארז הציוד. במערכת ברמה Class I פירוש הדבר
הוא, הבטחת מרחק של 3 או 4 מ”מ בין כל חלק מתכתי מוארק לבין כל חלק ראשי בספק הכוח, כשזה תלוי באם היישום הסופי הינו תעשייתי או רפואי, מה שעשוי לחייב את השימוש במבודדים מסביב למכלול ספק הכוח.
במקום בו נעשה שימוש בספק כוח ברמה Class I, חיבור הארקת הבטיחות אל ספק הכוח הינו חלק אינטגרלי ממערכת הבטיחות החשמלית ויש לחבר אותה היטב אל הארקת הבטיחות של הציוד. בדרך כלל חיבור זה נעשה זמין על ידי העברתו דרך אחד מחורי ההרכבה, דרך מחבר כניסת ה- AC, או דרך נעל כבל בסגנון שליפה מהירה במעגל ספק הכוח המודפס. ככל הנראה שיש יותר מחיבור הארקה אחד למכלול, המשפיע על הפליטות החשמליות וביצועי הרגישות והדבר נדון בהמשך.
במקומות בהם נעשה שימוש בספק כוח מסוג Class II, יתכן ומרחקי הזחילה והמרווח הפנוי, יידרשו להיות גדולים יותר במארזי מתכת, אם כי לעתים קרובות מארז הציוד, במקומות שבהם עובדים עם היחידות הללו, עשוי מחומר מבודד.
איור 1: ספק כוח מעטפת פתוחה
המבנה של תעלת ה- U מקל על הבעיות המקיפות את נושא הבטיחות, שכן שלדת תעלה
ה- U מחוברת להארקת הבטיחות של ציוד הקצה ויכולה להיות מוצמדת ישירות אל מארז הציוד, יחד עם חיבור ההארקה הבטיחותית של ספק הכוח. הדרישות למרווחי הבטיחות בין המעגל המודפס לתעלת ה- U המקיפה אותו קבלו מענה בתכנון. עם זאת, הקצוות של תעלת ה- U ופני המשטח העליונים של המכלול בדרך כלל עדיין פתוחים ויש לטפל באזורים האלה על מנת להבטיח את השמירה הנאותה על מרחקי הזחילה והמרווח הפנוי.
איורים 2 א’ ו -2 ב’: ספק כוח בתעלת U עם וללא כיסוי
למבנה תעלת ה- U יש את היתרונות הנוספים של קלות הטיפול וקלות ההתקנה.
השלדה בצורת ה- U מספקת קונסטרוקציה חסונה יותר שבה משולבים חורי הרכבה עם הברגות שהמתקין יכול לעשות בהם שימוש, דבר אשר מקל על הרכבת החומרה עד לכדי התקנתה בעזרת הברגה פשוטה. יש להקפיד לשמור על
עומק החדירה המקסימלי של הבורג לצורך הקפדה על מרחקי הבטיחות והמרווח הפנוי.
יתרון נוסף במבנה תעלות ה- U, הוא הפוטנציאל לתוספת הקירור של הרכיבים החשמליים על ידי קירור באמצעות הסעת החום אל מארז הציוד, דבר אשר מפחית הן את הטמפרטורה של הרכיבים המוצמדים וכתוצאה מכך הן את הטמפרטורה הכללית בתוך מבנה תעלת ה- U.
ספקי הכוח, הן במעטפת פתוחה והן בתעלת ה- U כוללים נתיך אחד בכניסה, או במקרים של מוצרים המיועדים ליישומי ציוד רפואי לפעמים שני נתיכים בכניסה, המהווים גם חלק אינטגרלי ובלתי נפרד מתכנון מערכת הבטיחות הכוללת של המוצר ומגנים עליו מפני סכנת שריפה במקרה של כשל קטסטרופלי. נתיך זה מותקן בדרך כלל בתוך ספק הכוח באופן קבוע ואינו מיועד להחלפה, משום שהסיבה היחידה לסילוק הנתיך הינה כשל במכלול ספק הכוח.
מאחר ובשתי הקונסטרוקציות דרוש חיווט בכניסה, גם בציוד הקצה דרוש נתיך נוסף על מנת להגן עליו מפני בעיות של סכנת שריפה אפשרית העלולה להיווצר כתוצאה מהשילוב של מחברים, מחוונים, מתגים והחיווט עצמו.
כבלי היציאה חייבים להיות בקוטר המתאים כך שהם יהיו יכולים להכיל את יכולת ההספק המרבית של ספק הכוח, כולל הטולרנסים המרביים במפרט ההגנה שלו מפני עומס יתר, על מנת להבטיח פעולה בטוחה במקרה של תקלה בציוד עצמו.
קיימים גם שיקולים תרמיים שיש לקחת אותם בחשבון מאחר ולחלק מהרכיבים הקריטיים מבחינת בטיחות יש דירוג טמפרטורה מקסימלי, ודבר זה נדון ביתר פירוט להלן תחת הכותרת ניהול תרמי.
תאימות אלקטרו מגנטית (EMC)
לספקי הכוח במעטפת פתוחה נדרשות בדרך כלל שתיים ולפעמים שלוש נקודות הרכבה האמורות להיות מחוברות אל ההארקה. כפי שהדבר נדון לעיל, במערכת ברמה Class I בדרך כלל אחת מנקודות החיבור הללו דרושה לחיבור הארקת הבטיחות והיא ממוקמת בצד הכניסה של המכלול, ונקודת חיבור זו תחבר גם
את קו המתח להארקה ואת הקו הניטרלי להארקה, על ידי קבלי סינון CM (Common Mode), הידועים גם כקבלי Y. קבלי Y אלה פועלים בשילוב עם סלילי ה-CM בתוך מכלול ספק הכוח בכדי להחליש את הרעש הקשור בשינויי מתח מהירים בכניסה של ספק הכוח.
הקבל או הקבלים האחרים, מצויים בדרך כלל בצד המשני ומחברים את קבל (י) הסינון -CM אל ההארקה. האלמנט הדיפרנציאלי של המסנן, אשר מתוכנן להחליש את הרעש הקשור בשינויים מהירים בזרם, כלול בתוך ספק הכוח בחיבורים של קו המתח והקו הניטרלי.
קבל CM ביציאה הינו חלק אינטגרלי בביצועי ה- EMC של ספק הכוח, והוא חייב להיות מחובר לביצועי EMC אופטימליים. במקומות בהם נעשה בציוד שימוש במארז מתכת זה מהווה בעיה רק לעיתים נדירות. במארזים העשויים פלסטיק, בתצורות ברמה Class I או ברמה Class II, יש צורך בחלופה אחרת על מנת לחבר את הנקודות הללו יחד על מנת להבטיח תאימות EMC. הנקודות הדרושות בחיבור אל ההארקה או לחברן יחדיו, מזוהות בדרך כלל בגיליון הנתונים של ספק הכוח כמו בדוגמה שלהלן (איור מספר 3).
איור 3: שרטוט מכני של ספק כוח מעטפת פתוחה המציג חיבורי הארקה בנקודת הרכבה
הדרך האופטימלית לחיבור הנקודות הללו היא על ידי הרכבת ספק כוח במארז פתוח על גבי לוחית מתכת שאינה צריכה להיות מחוברת לשום דבר אחר, אך מספקת נתיב בעל עכבה נמוכה בעל אלמנטים טפיליים בעצימות נמוכה, עבור קבלי הסינון שיש לחבר.
במקומות בהם סוג זה של הרכבה אינו מעשי, אזי על מנת לחבר את נקודות הרכבה הללו יש לעשות שימוש בשיטות חיבור אחרות, כגון כבל רב – גדילי.
במבנה תעלת ה- U, כל חיבורי ההארקה נעשים בתוך מארז תעלת ה- U, כך שזה מפשט את התקנת ספק הכוח מנקודת המבט של ה- EMC. ישנה גם תועלת בחיבור טוב בין מארז תעלת ה- U למארז הציוד, באמצעות נקודות קיבוע מרובות, מה שמצמצם את האלמנטים הטפיליים.
איור 4: פרטים מכניים אופייניים של ספק כוח בתעלה בפרופיל U המפרט קיבולים וחיבורים
בשני המקרים יש לדאוג להרחיק היטב את כבל הכניסה מכבל היציאה, ולמנוע קרבה אל המכלול הפתוח, על מנת למנוע פוטנציאל של בעיות קרינת מרכיבי המיתוג והמכלולים המגנטיים שבתוך ספק הכוח, המוזרמת אל תוך המערכת ויוצרת פוטנציאל של בעיות פליטות מולכות (מהמילה הולכה) ומוקרנות עבור ציוד הקצה.
ניהול תרמי
ספקי כוח במארז פתוח עשויים להיות בעלי דירוג הספק, כאשר הם מקוררים בהסעת חום, באוויר מאולץ או שתי השיטות יחד. במקרה של ספקי כוח בתעלת U יכול להיות גם דירוג קירור בהסעת חום, כשנעשה שימוש במארז הציוד או בהורדת חום באופן חיצוני, להענקת תוספת קירור של המכלול.
מיקום ההרכבה, הכיוון, המרחב ההיקפי הזמין, העומס המופעל והחלקים הסובבים, יחד עם קירור אוויר כלשהו של המערכת, הינם ייחודיים לכל יישום. חשוב לבדוק את טמפרטורת ההפעלה של רכיבי המפתח במכלול ספק הכוח, לאחר התקנתם, על מנת להבטיח שהרכיבים הקריטיים של הבטיחות לא יחרגו מהדירוג המקסימלי שלהם כפי שמפורט בדו”חות אישורי הבטיחות וכי האמינות וחיי השירות של ספק הכוח לא נפגמו.
גיליונות נתונים, הן עבור ספקי כוח במעטפת פתוחה והן בתעלת U המיועדים להיות משולבים בתוך ציוד, מזהים בדרך כלל את רכיבי הבטיחות העיקריים ואת דירוגי הטמפרטורה המרביים שלהם המשתנים בין ספק כוח אחד למשנהו, כשזה תלוי ברמת מערכת הבידוד אשר נעשה בה שימוש. הם מספקים בדרך כלל גם את עקומת אורך חיי השירות המשוער, בהתבסס על טמפרטורת הקבלים האלקטרוליטיים העיקריים, שהם החלקים היחידים בעלי מנגנון שחיקה המצויים בתוך ספק הכוח.
איור 5: טבלה וגרפים המציגים מגבלות בטיחות ואורך חיי השירות המשוער לפעולה 7 / 24.
תחזיות אורך חיי השירות מתבססות על אורך החיים המתוכנן של הקבלים האלקטרוליטיים ודירוג הטמפרטורה המרבי שלהם, ועל הטמפרטורה הממוצעת שנחוותה בפרופיל המשימה של יישום הקצה. ברור שבשום פנים ואופן לא ניתן לחרוג אל מעבר לדירוג הטמפרטורה המרבי או פעולה באופן קיצוני.
כל חישובי אורך החיים של הקבלים האלקטרוליטיים מבוססים על משוואת Arrhenius (ארהניוס) שבה השיעור של קצב חצאי התגובה, ומכאן גם אורך החיים, מוכפלים עבור כל הפחתת טמפרטורה ב- 10 מעלות צלזיוס, מה שהופך את זה לאלמנט קריטי באורך חיי השירות או במרווחי הטיפולים של יישום הקצה כולו. חישובי אורך חיים אשר בוצעו על ידי יצרן ספק הכוח יכללו אלמנטים המבוססים על זרם האדווה המיושם, אך מכיוון שדבר זה אינו מעשי במכלול ספק הכוח המוגמר, ניתן לקבל אינדיקציה טובה לאורך חיי השירות על ידי מדידת טמפרטורת מארז הרכיב והצבת משוואת Arrhenius בטמפרטורה ובאורך חיי התכנון אשר צוינו.
