Nauwkeurige efficiëntiemetingen zijn belangrijk voor de klant

Steeds meer klanten beseffen dat de efficiëntie van een elektronische voeding de betrouwbaarheid direct beïnvloedt. Dit is essentieel voor een compacte en betrouwbare voeding (vooral bij convectie gekoelde voedingen). Zonder geforceerde ventilatie is warmte enkel in beperkte mate af te voeren, dus de ontwikkelaar van de voeding moet zorgen voor een zo laag mogelijke warmtegeneratie. Ook andere belangrijke systeemelementen halen voordeel uit deze lage vermogensverliezen en de daarbij horende minimale warmtegeneratie. Steeds meer fabrikanten van elektronische voedingen streven daarom naar een hogere efficiëntie.

Vijf aanbevelingen bij het meten van efficiëntiewaarden:

Deze aanbevelingen dienen de hoogste prioriteit te krijgen bij het meten van de efficiëntie en hebben bewezen onmisbaar te zijn in de praktijk.

• Gebruik precisiemeters: indien mogelijk, gebruik vermogen-analyzers of hoog accurate wattmeters.
• Zorg voor een goede bekabeling bij het opzetten van de meting en meet de correcte spanning.
• Gebruik bij het nemen van AC metingen steeds een elektronische AC bron indien beschikbaar.
• Vermijd EMC-storingen van het toestel onder test.
• Houd rekening met invloeden van tijd en temperatuur.

Minimale efficiëntieveranderingen hebben veel invloed op de nullast-verliezen

Efficiëntie is een cijfer dat helpt om een goede vergelijking tussen verschillende elektronische voedingen te maken. Systeemontwikkelaars en gebruikers van voedingen zijn echter meer geïnteresseerd in de warmte die overblijft in de voeding – namelijk de vermogensverliezen. Aangezien deze vermogensverliezen niet op een directe manier elektrisch gemeten kunnen worden, is het enkel mogelijk rekening te houden met het verschil tussen het ingangs- en uitgangsvermogen.

De efficiëntiewaarden liggen tegenwoordig rond de 95%. Dit komt overeen met een verlies van 5%. Kleine meetfouten in het ingang- en uitgangsvermogen leiden echter tot grote fouten bij het berekenen van de vermogensverliezen: bij een meetfout van 1% (0,5% bij de in- en uitgangsstroom), zal de berekening van de vermogensverliezen er met 20% naast zitten (zie diagram 1).

Diagram 1: De impact van een meetfout van 1% op de verandering in nullast verliezen met toenemende efficiëntie

Het is belangrijk om steeds in gedachten te houden dat schijnbaar kleine verschillen in efficiëntie een groot verschil in vermogensverlies betekenen. De waardes van moderne voedingen liggen tussen 92 en 95%. De gebruiker denkt misschien dat een verschil van 1 of 2% niet belangrijk is. Maar dit is een misvatting. Het is namelijk niet de absolute waarde van efficiëntie, maar veeleer het verschil tussen de absolute waarde en de ideale waarde van 100% dat er het meest toe doet.

Een voorbeeld van goed vergelijkbare voedingen met 48V / 5A uitgang: de in 2005 geïntroduceerde PULS QS10 heeft een efficiëntie van 92%. 10 jaar later is de PULS CP10 met een efficiëntie van 95,5% op de markt gekomen. Op het eerste zicht lijkt het verschil van 3,5% geen grote verbetering. De vermogensverliezen van de CP10 zijn echter met 41% gereduceerd in vergelijking met de QS10 unit.

Dit betekent dat bij een hoge efficiëntie zelfs de kleinste stijging een belangrijke reductie van nullastverliezen genereert. Nu de efficiëntie steeds stijgt, is de meetnauwkeurigheid steeds belangrijker. Anders is het onmogelijk om de vermogensverliezen juist te bepalen.

De efficiëntie accuraat bepalen en fouten voorkomen:

Hoe dichter de ontwikkelaar bij de magische 100% efficiëntie komt, hoe moeilijker het is om nauwkeurig te meten. Absolute meetprecisie is daarom ook essentieel om de vermogensverliezen in een elektronische voeding juist te meten. Veel fouten zijn ook te voorkomen door een goede voorbereiding en professionele meetapparatuur. De meest voorkomende oorzaken van fouten zijn:

• Onjuist meetprincipe door ongeschikte meters
• Onnauwkeurige meters
• Foutieve meetopstelling
• Over het hoofd zien van omgevingsomstandigheden

Multimeter, wattmeter of vermogen analyzer – wat is de juiste keuze (meet) gereedschap?

Er zijn meerdere meetinstrumenten om de efficiëntie te bepalen. Maar de meettoleranties en mogelijkheden van meetinstrumenten om verschillende signalen (AC of DC) te meten variëren aanzienlijk.

Multimeter:

Accurate multimeters zijn uitstekend om de  spanning en stroom bij zuivere DC-ingangen en uitgangen te meten. De spanning kan direct aan de ingang en uitgang van de voeding met veel precisie gemeten worden. Veel multimeters kunnen ook stroom meten, maar dit is meestal te onnauwkeurig (onnauwkeurigheid van 1% of meer) of heeft niet voldoende meetbereik (meestal gelimiteerd tot 10A). In plaats hiervan moeten we de stroom met nauwkeurige shunt weerstanden met 0,01% tolerantie meten.

Nadeel: De niet synchrone waardedetectie kan problematisch zijn omdat het bij de aanwezigheid van fluctuerende omstandigheden tot fouten leidt.

Data loggers:

Voor DC-metingen zijn data loggers de betere keuze. Zij bestaan uit een enkele, meestal zeer nauwkeurige meter die meerdere keren door multiplexing is gebruikt. In hetzelfde meetbereik heffen de fouten elkaar op en kunnen alle waarden snel opgenomen en geëvalueerd worden in een spreadsheet.

Nadeel: AC ingangsvermogen is niet meetbaar door een data logger of multimeter. Het is een veelgemaakte fout om aan te nemen dat het genoeg is om de “True RMS“ van de stroom en spanning te meten en deze twee waarden te vermenigvuldigen om het ingangsvermogen te bepalen. Deze berekening bepaalt het schijnbaar vermogen en niet het effectieve vermogen wat cruciaal is voor de vermogensverliezen. AC-ingangsvermogen meten, zelfs met “True RMS multimeters“ geeft dus incorrecte meetwaarden en is een absolute no-go!

Wattmeters:

Wattmeters worden gebruikt om AC-signalen te meten en de juiste meetprincipes te volgen. Een wattmeter vermenigvuldigt de ogenblikkelijk gemeten waarden van spanning en stroom en berekent een gemiddelde waarden van deze producten. Dit komt overeen met de definitie van performance.

Nadeel: De meest eenvoudige wattmeters hebben een hoge meetonnauwkeurigheid (rond 1%). Vaak wisselende ingangs- en uitgangsstromen (AC-ingang, afwisselde uitgangsbelasting) zorgen voor nog meer extra meetfouten. Variërende waarden zijn dus moeilijk te interpreteren. In het algemeen gebruikt u best enkel hoge precisie wattmeters voor het meten van de efficiëntie.

Vermogen analyzer:

PULS gebruikt vermogen analyzers om de efficiëntie van hun elektronische voedingen te meten. (Zie foto 1) De voordelen hiervan zijn:

• Hoge basis nauwkeurigheid van 0,02%
• Correct meten van het actieve vermogen
• Gelijktijdig en dus synchroon meten van ingang en uitgang
• Directe weergave van vermogensverliezen en efficiëntie

Nadeel: De hoge aankoopprijs is een nadeel. Niettemin is de vermogen analyzer de correcte keuze gereedschap om een accurate efficiëntie te bepalen.

foto 1: De efficiëntie van PULS voedingen wordt met ultra moderne vermogen analyzers gemeten

Fouten vermijden in de meetopstelling:

Een precieze en dure vermogen analyzer kan echter geen nauwkeurige resultaten leveren als er fouten gebeuren bij de meetopstelling.

Correcte bedrading:

Alle vermogensverliezen die niet van het toestel onder test komen mogen niet in de metingen worden opgenomen! Daarom is de correcte bedrading in een meetopstelling ook heel belangrijk. Elke kabel en elke weerstand zorgt namelijk voor extra vermogensverliezen die mogelijk de meetresultaten verstoren. Een goede vierpolige meting (Kelvin meting) moet aparte kabels voor het meten van stroom en spanning hebben (zie foto 2).

foto 2: Vierpolige meting met aparte kabels

Spanningsbron:

Simpele DC-spanningsbronnen zijn voldoende voor schakelende voedingen met DC-ingang. Voor AC-metingen is het belangrijk te weten dat de interne weerstand van de spanningsbron de meting beïnvloedt door de curvevorm van de netspanningssinus. In een 240W voeding zonder PFC, is er een verschil van 0,4% gemeten tussen het zachte vermogen van een isolerende, regulerende transformator en het harde vermogen van een elektronische AC-spanningsbron. Bij een voeding met DC-ingang geeft de spanningsbron de meest reproduceerbare waarden en verdient daarom de voorkeur.

Belastingen:

Niet alleen de spanningsbron, maar ook de gebruikte belasting dient stabiel en reproduceerbaar te zijn. De belastingen van vermogensweerstanden zijn problematisch, omdat ze geen constante stroom trekken. Maar elektronische belastingen vormen een gedefinieerde en reproduceerbare belasting van het toestel onder test en zelfs schommelende overgangsweerstanden veranderen de stroom niet.

EMC-storingen:

Elektronische voedingen die nog niet in hun behuizing zitten tijdens de designfase verstoren meters en/of doen belastingen schommelen. U mag geen signalen accepteren met HF-interferentie van meters. Extra filters (meestal spoelen in de ingangslijnen) voorkomen deze problemen. Ook vermogensverliezen die in de meting vloeien moeten vermeden worden. Er zou geen probleem zijn met schone, radiostoring-onderdrukkende voedingen.

Het in overweging nemen van omgevingsomstandigheden:

Met betrekking tot omgevingsomstandigheden speelt temperatuur een beslissende rol, omdat de vermogensverliezen van een elektronische voeding temperatuurafhankelijk zijn. De temperatuur van de componenten in een voeding zijn van cruciaal belang. Temperatuur van componenten = omgevingstemperatuur + zelfopwarming.

Temperatuur:

Alle verschillende componenten in een elektronische voeding reageren anders op temperatuur. Bij sommige essentiële onderdelen kan een stijging in temperatuur voor minder vermogensverlies zorgen en bij andere componenten krijgt u net meer vermogensverlies. De NTC-weerstand die de inschakelstromen limiteert heeft een sterke invloed. Voedingen met deze componenten hebben minder vermogensverliezen tijdens werking en in hoge temperaturen (negatieve temperatuur coëfficiënt), want bij hoge temperaturen zullen andere essentiële elementen de vermogensverliezen compenseren (zie diagram 2). Toestellen met een actieve inschakelstroombegrenzer tonen een stabieler temperatuurgedrag. Hierbij is er slechts een kleine stijging van vermogensverlies door de temperatuur (zie diagram 3).

Diagram 2: door de NTC-weerstand is de efficiëntie zeer afhankelijk van tijd en temperatuur.

Diagram3: de actieve inschakelstroombegrenzer zonder NTC-weerstand geeft een efficiëntie die veel minder tijd- en temperatuurafhankelijk is.

Hoogte en luchtdruk:

Luchtdruk heeft een invloed op de zelfopwarming van de elektronische voeding, omdat de koeling gebeurt door lucht die zich door de voeding verplaatst. Voor de hoogte heeft PULS berekeningen gedaan om te zien hoeveel extra warmte de componenten ontwikkelen bij een grotere hoogte: circa + 10°C bij een hoogte van 2000 meter boven zeeniveau en circa + 20°C bij 4000 meter. Vochtigheid speelt slechts een zeer kleine rol en is verwaarloosbaar.

Sample distributies: Elke component heeft zijn toleranties en daardoor is niet elk toestel hetzelfde. Maar om echte fouten te vinden zal PULS de vermogensverliezen van zeer dichtbij meten, zelfs tijdens de productie. Er is een waarde van 95.27% efficiëntie gemeten met een deviatie van ±0.15% op een productiebatch van 200 stuks CP10.241. (Zie diagram 4)

Verzoeken van accurate efficiëntie specificaties:

In plaats van zelf uw metingen te moeten uitvoeren is het uiteraard makkelijker om te vertrouwen op de specificaties van de producent. Natuurlijk moeten de metingen op een correcte manier gebeurd zijn. Jammer genoeg bevatten de datasheets vaak algemene uitspraken, zoals “ Up to X% efficiency”. Dit is een best-case statement en betekent enkel dat deze waarde niet wordt overschreden. Bijvoorbeeld de vermogensverliezen bij verschillende netspanningen of belastingen zijn niet weergegeven. Als u toch de specificaties in meer detail wilt weten, moet u dus nog steeds uw eigen metingen doen.

Daarom bevatten de datasheets van PULS steeds zoveel informatie. U krijgt als gebruiker alle nodige informatie over de voedingen in 1 document zonder zelf metingen te moeten voeren. Hierdoor bespaart u tijd, geld en bent u zeker dat het product dat u krijgt voldoet aan de specificaties weergegeven in de datasheet.

Indien u meer informatie wenst over de efficiëntie van voedingen kan u steeds informeren bij info@elipse.eu of telefoneren naar +32 33 54 51 80

U kan ons ook bezoeken op de Power electronic beurs en u inschrijven via: https://registration.n200.com/survey/3r28s3xbldqzz?actioncode=PE2122