Tıbbi Cihazlar için Güç Faktörü Nasıl (Ve Neden) Belirlenir?

Neden alternatif akım (AC) gücü kullanıyoruz? Enerji şirketleri neden dağıtım yapmıyor? Doğru akım (DC) gücü, çünkü normalde modern cihazlarla yaptığımız ilk şey AC'yi DC'ye dönüştürmek? Bu soruların cevabı çabalarına dayanmaktadır. Thomas Edison'un Akkor lambasını tanıtın ve New York'u heyecanlandırın. Edison'un jeneratörleri, yerel dağıtım için iyi çalışan ancak gerekli olan DC gücü üretti. ya birkaç blok ötedeki yükleri besleyecek çok büyük kablolar ya da her birinde bir elektrik santrali birkaç blok. Bunun nedeni, son kullanım için pratik olan voltajlarda, büyük akımların gerekli olmasıdır. Küçük bir alandan daha fazlasını elektriklendirin. George Westinghouse tarafından desteklenen Nikola Tesla'ya girin. için her birkaç blokta bir alçak gerilim trafo merkezi bulunan yüksek gerilim AC iletim hatlarını teşvik etti. yerel dağıtım. Önemli fark, trafo merkezinin yalnızca bir transformatöre ihtiyaç duymasıydı. DC çözümü ise tam bir buhar gücüyle çalışan enerji santrali gerektiriyordu. Nihayetinde Westinghouse, bir hidroelektrik santrali kurduğunda ortaya çıkan savaşı sona erdirdi. Yüzlerce kilometre uzaktaki yükleri tedarik edebilen Niagra Şelalesi. Ancak az sayıda son derece uzun, noktadan noktaya iletim hatları, denge çok yüksek voltaja doğru dönüyor DC iletim hatları (örneğin, Washington Eyaletindeki Grand Coulee Barajı'ndan Los'a kadar olan elektrik hattı) Angeles). AC gücü, asenkron motordan sanayileşmenin anahtarı olan diğer birçok buluşa olanak sağladı. gaz deşarjlı lamba balastlarından ışık dimmerlerine ve elektrikli tıraş makinelerine kadar. Ama AC'nin karanlık tarafının bir parçası güç, güç faktörü kavramıdır. DC gücü için voltaj sabittir, dolayısıyla faz yoktur ile ilişkili; AC gücü (ideal olarak) sinüzoidaldir ve gerilim ve akım 0 V'u geçer. Saniyede 120 kez (60 Hz döngüde iki kez). Yük (veya hatta güç hattı) biraz endüktif veya kapasitif, akım voltajın ya gerisinde kalacak ya da ona öncülük edecektir. Şekil 1, bir indüktörü çalıştıran 120 VAC, 60 Hz, AC voltaj kaynağının LTspice modelini göstermektedir. direnç ve paralel bağlı bir kapasitör. Şekil 2'de bu simülasyonun çıktısı gösterilmektedir. kaynağın voltajı V(n001), indüktör akımı I(L1), direnç akımı I(R1) ve kapasitör akımı I(C1). Yalnızca direnç akımının gerilimle aynı fazda olduğuna dikkat edin. indüktör akımı voltajın 90 derece gerisinde kalırken, kapasitör akımı "önde gelir" voltajı 90 derece artırın. Güç Faktörü Nasıl (Ve Neden) Belirlenir? Güç faktörü klasik olarak ortalama kare kökü arasındaki açının kosinüsü olarak tanımlanır. (RMS) AC voltajı — aynı ısıtma etkisini üreten AC gücü miktarı olarak tanımlanır DC gücü ve RMS AC akımı olarak. Bir DC yükünün tükettiği gücü hesaplamak için, basitçe yükteki voltajı içinden geçen akımla çarpın. , AC yükünün tükettiği gücü hesaplamak için RMS gerilimi ve akımının çarpımı güç faktörü ile çarpılmalıdır. Gerilim ve akım aynı fazdaysa (0 derece faz hatası), 0'ın kosinüsü 1'dir ve dolayısıyla DC ile aynı hesaplama. Bu, yükün dirençli görünmesi durumunda meydana gelir. Eğer faz hata 60 derece, 60'ın kosinüsü 0,5'tir; gerilim ve akımın çarpımının yalnızca yarısı yüke teslim edilir. Peki diğer yarısı nereye gidiyor? Bu akım hâlâ ortada dolaşıyor. Güç hatları; yüke faydalı güç sağlamaz. "Görünür güç" dalga formunu (volt-amper veya VA olarak adlandırılır) faz içi ve faz dışı kısımlarına (bazen "gerçek" ve "sanal" kısımlar olarak da adlandırılır) ayırırken, sırasıyla - faz içi kısım (kosinüs katsayısı) güç olarak adlandırılır (watt cinsinden ölçülür), faz dışı kısım (sinüs katsayısı) ise reaktif güç (ölçülen volt-ampreaktif veya VAR) olarak adlandırılır. Dolayısıyla güç faktörü, gerçek gücün VA'ya bölünmesiyle de tanımlanabilir (PF = W/VA). Güç panelinizdeki watt ölçer yalnızca gerçek gücü ölçer, bu nedenle müşterileriniz yalnızca gerçek güç için faturalandırılır, ancak hizmet kuruluşunun yine de toplam akımı karşılayacak şekilde ekipmanını boyutlandırması gerekir. akıyor, bu nedenle mevcut tüm “faturalandırılabilir” akımı sağlamaya çalışıyor. Bu Tıbbi Cihazlara Nasıl Uygulanır? Ancak bunların herhangi biri neden önemli olsun, özellikle de bunun için faturalandırılmıyorsanız? İlk olarak, yardımcı program sonuçta müşterilerine tüm masraflar için fatura keser, böylece güç faktörünü düzeltmenin maliyeti yansıtılır tüketicilere. İkincisi, EN60601, EN61000 ve IEC555 gibi giderek daha fazla kurum spesifikasyonu, tıbbi cihazlar için güç faktörü düzeltmesini zorunlu kılmaktadır (bazen enerji hattı harmonik kontrolü). Tıbbi cihaz üreticilerinin farklı özellikler sunması gerekmektedir. güç çıkışına bağlı olarak ürünlerinde güç faktörü düzeltme dereceleri ve başvuru. “Ürünüm az çok büyük yükler içermiyor” diye düşünüyorsanız endüktif veya kapasitif tipler” deyince çirkin yüzünü ortaya çıkaran bir incelik var: O küçük anahtarlama Verimliliği/genişliği karşılamak için ürününüze koyduğunuz güç kaynağı girdi/boyut/ağırlık/ambalaj gereklilikleri, güç faktörünün kendine özgü bir versiyonunu sunar yolsuzluk. Yük dirençli göründüğünde bir güç faktörünün oluştuğunu unutmayın. Bir geçiş modu güç kaynağı (SMPS) genellikle güç hattını düzeltir ve ardından büyük bir kapasitörü şarj eder. Gerilim sinüs dalgasının 0V'a düştüğü süre boyunca, iyileşene kadar enerji depolayın. Eğer bu kapasitör yeterince büyükse, güç hattının kesilmesine veya "kararmasına" yetecek kadar enerji depolayacaktır. hatta büyük bir yük bağlandığında meydana gelenler gibi birkaç döngü (örneğin, klima kompresörlerinin başlatılması veya lazer yazıcı ısıtıcılarının döngüsü). Bir güç kaynağı tasarımcısının bakış açısından görünüm, giriş kapasitörü ne kadar büyük olursa o kadar iyidir. Kapasitör yeterince büyükse, çok fazla boşalır. Güç hattının bir döngüsü sırasında ve kararlı durum sırasında çok az güç hattı voltajı yalnızca dalga formunun pozitif ve negatif zirvesindeki kapasitör voltajından daha büyüktür. Bu nedenle akım yalnızca güç hattı voltajı dalga formunun tepe noktaları sırasında akar. Tamamen aynı fazda olduğundan güç faktörü 1 olmalıdır, değil mi? Peki, yükü unutma dirençli görünmelidir. Şekil 3 Şekil 4 dirençli bir yükün AC akım dalga biçimini gösterir ve eşdeğer güç seviyelerinde anahtarlamalı bir güç kaynağınınki. Direncin ürettiğine dikkat edin Beklenen faz içi sinüzoidal dalga formu, anahtarlayıcı ön ucu ise bir darbe üretir döngü başına iki kez akım. Bir darbe birden fazla sinüs dalgasının üst üste binmesidir, çünkü bu darbe Düzenli aralıklarla meydana geldiğinde, darbeyi oluşturan sinüs dalgalarının tümü harmonik olmalıdır. ilgili. Bu durumda 60Hz temeldir ve diğer sinüs dalgaları 60Hz'in harmonikleridir. Basit, çevrimdışı, anahtarlamalı bir güç kaynağının ön ucunun topolojisi şekilde gösterilmektedir. Şekil 3'ün sağ tarafı. AC voltaj kaynağı (Vswitcher) dört diyot tarafından doğrultulur ve bir kondansatörü (C1) şarj eder. Normalde anahtarlamalı güç kaynağı enerjiden çalışır. kapasitörde depolanır (R1 tarafından dağıtılan güç, kaynaktaki bir yükü simüle eder). İçin Karşılaştırıldığında, Şekil 3'ün sol yarısı yalnızca dirençli yüke (R2) sahip dalga biçimini göstermektedir. Şekil 4 bu devrelerin dalga şekillerini göstermektedir. Beklendiği gibi gerilim ve akım aynı fazdadır Üst bölmede gösterilen dirençli yük için. Sıfıra yakın küçük bir süreksizlik olacak diyot ileri gerilimi nedeniyle geçiş yapıyor ancak ölçek nedeniyle burada görünmüyor. Uygulanan voltaj anahtarlayıcının ön ucu için aynıdır ancak ortaya çıkan akım orta bölme. Akımın ölçeğine dikkat edin (üst bölmenin sağ tarafında gösterilir) orta bölmede yaklaşık 20 kat daha fazladır (800 mA tepe noktasına karşılık 40 mA tepe noktası). Alt bölme her iki devrenin de direnç üzerindeki voltajla ölçülen aynı gücü tükettiğini gösterir içinden geçen akımla çarpılır. R1, R2'den daha büyüktür çünkü R1, R1'de çalışmaktadır. R2 120 V RMS'de çalışırken yaklaşık 169 VAC, ancak her birinde harcanan güç aynısı. Bu çizim en kötü durumu temsil ediyor ancak zirvenin ne kadar yüksek olduğunu gösteriyor. akımlar, aynı güçte çalışan dirençli bir yükten ziyade anahtarlamalı mod girişi için olabilir seviye. Harmonik Üretim ve Üç Fazlı Enerji Üretimi Güç hatlarındaki anahtarlayıcı giriş akımı dalga biçiminden iki sonuç ortaya çıkar; çok sayıda anahtarlama kaynağı kuruludur. Birincisi, hattın tepe noktasında büyük bir akım darbesi gerekli olduğundan, bunu tüm döngüye yaymak yerine voltaj düşer. iletkenlerdeki direnç düşüşü ve transformatörlerdeki doyma veya kesintisiz güç nedeniyle tedarik. Bu, gerilim dalga biçimini bozar ve daha fazla enerji hattı harmonikleri üretir. Eşit Her ne kadar akım darbesi gerilim dalga biçiminin zirvesi ile zamanlanmış olsa da, yalnızca temel dalga biçimi frekans gerçekten voltajla aynı fazdadır; Harmonik akımlar içeri ve dışarı akar diyot “açık” iken kondansatörü kullanın, ancak içinde önemli miktarda yük depolamayın. RMS ampermetre tüm harmonik akımı ölçer, ancak gerçek güç yalnızca kapasitörde depolanan enerjidir her döngü. Bu nedenle, RMS akımının ve voltajının çarpımı belirtilen değeri gösterecektir. görünen güç gerçek güçten daha büyüktür. IEC 60601'de tıbbi cihazları yeniden sınıflandıran paragraflar dağıtılmıştır. aksi takdirde Uluslararası Özel Radyo Paraziti Komitesi (CISPR) gerekliliklerini yerine getirmek, enerji hattının üçüncü harmoniğinin bozulması dışında. Bu özellikle aşağıdakiler için geçerlidir: faz başına 75 W'tan büyük ve 16 A'dan az yüke sahip cihazlar. Üçüncü harmonik bozulma yükteki herhangi bir doğrusal olmama durumu tarafından oluşturulabilir, ancak çoğunlukla anahtarlamalı işlemlerden kaynaklanır. mod güç kaynağı (SMPS) ön uçları. Şekil 5, Şekil 4'ün orta bölmesindeki akımın spektral analizidir (FFT tarafından gerçekleştirilir) (bir SMPS'e simüle edilmiş giriş akımı). Genlik y ekseninde gösterilir ve frekans x ekseninde gösterilir (her iki eksen de logaritmik ölçekte çizilmiştir). Tamamen sinüzoidal bir giriş akımın 60 Hz'de tek bir tepe noktası olacaktır, ancak Şekil 4'teki bozuk dalga biçimi, 60 Hz'de temel artı 180 Hz'de neredeyse eşit derecede büyük bir artış (60'ın üçüncü harmoniği), çok sayıda yüksek harmonik eşlik ediyor. Sadece 60601 tarafından hedeflenen üçüncü harmoniğin etkisini görmek için Şekil 6, 60 Hz'lik bir akımın süperpozisyonu [üçüncüsü ile I(60Hz) etiketli yeşil iz Harmonik I(180Hz).Sonuçtaki dalga formu I(yük), harmonik I(180Hz)'e benzeyen şeyi gösterir. SMPS'in giriş akımı. Akımın her ikisinde de orantısız derecede düşük olduğuna dikkat edin. sıfır geçişin yanında ve ardından voltajla birlikte zirveye ulaşır. Karakteristik SMPS giriş akımının dalga biçimi özel olarak 60601 tarafından adreslenir. Bu harmonik oluşumun ötesinde, ikinci bir sonuç (anahtarlayıcı giriş akımının çok sayıda anahtarlama kaynağının kurulu olduğu güç hatlarındaki dalga şekli) üç fazlı güç üretimi olgusudur. Bunu anlamak en kolayı 120 derece aralıklı üç fazın hepsinin ortak bir paya sahip olduğu "WYE" (Y) konfigürasyonunda Şekil 7'de gösterildiği gibi ortak nötr. Her fazdan (A, B ve C) nötr kabloya bağlanan dirençli bir yük düşünün. Matematiğe inmeden, A aşamasının pozitif seviyesinin zirvesinde olduğunu hayal edin. gezi, B aşaması 120 derece gecikecek ve C aşaması 240 derece gecikecek derece (bu, A fazının 120 derece ilerlemesiyle aynıdır). Akan akım R1 direncine giren akım, R2 ve R3'ten akan akımın toplamına tam olarak eşittir. Şekil 7'nin alt bölmesi, üç akımın her birinde akan üç akımı göstermektedir. faz dirençleri. Yük mükemmel şekilde dengelendiği sürece bu nötr teldeki akım sıfırdır. Nötr akımı, I(Nötr), alttan ikinci bölmede yaklaşık 0'da gösterilir. Üç fazın tamamındaki akım dengelenecektir. Bu, seçilen herhangi bir faz açısı için geçerlidir: Aslında nötr kablo yalnızca iki uç arasındaki küçük dengesizliklerle başa çıkmak için oradadır. fazlar ve tipik olarak her faz teliyle aynı ölçü telidir. Şimdi değiştir Anahtarlamaya benzer şekilde üçgen darbeli üç fazlı sinüzoidal tahrik Yukarıda incelenen güç kaynağı. Üç üçgen fazlı dalga formunun üst üste bindirilmesi Şekil 8'in üst kısmından ikinci bölmede gösterilmektedir. Şimdi, A fazı pozitif gezisinin zirvesi ve o büyük akım yükselişini yaratıyor, diğer ikisi Fazlar herhangi bir akım taşımamaktadır ve nötr, geri dönüşün tamamını taşımalıdır. akım. Nötr, faz kablosuyla aynı boyutta olduğundan sorun nedir? Faz 120 derece döndürülürse B fazı zirveye ulaşacak ve aynı enerjiyi sağlayacaktır. nötrün taşıması gereken akımı, ardından C fazına ulaşana kadar fazı döndürün onun zirvesi. Güç hattının bir döngüsünde nötrün üç kat daha fazla yük taşıması gerekiyordu. faz tellerinin her birinin akımı. Bu üstte I(Nötr) olarak gösterilen akımdır. bölmesi. En iyi sonuç senaryosunda bile nötr tel çok ısınır ve voltaj beklenenden çok daha fazla düşüyor. Cihazınızdaki Güç Faktörünün Kontrolü Tamam, güç faktörünü kontrol etmek endişe edilecek bir konu olabilir; ne olabilir düzeltmek için yapılacak mı? İyi haber şu ki yarı iletken şirketleri çok çalışıyor size bir çözüm satmak için. Tasarımınız gereksinimlerinizi karşılamaya yakınsa güç faktörü düzeltmesi, bu tasarımı tekrar gözden geçirin ve kullandığınız giriş voltajı aralığına bakın. IC'yi değiştirmek, daha düşük giriş limitiyle çalışacaktır (veya yenisini seçecektir). Giriş iletim açısını artırmak için giriş kapasitörünün boyutunu azaltın ve bu akım artışını zamana yayar (daha çok bir direnç gibi). Elbette bunu yapmak Kaynağınızı düşmeye ve kararmaya karşı daha duyarlı hale getirin. Boyutu artırmak Çıkış kapasitörlerinin kullanılması bazılarına yardımcı olacaktır, ancak bu oldukça fazla yer kaplamaya başlar ve başka sorunlara yol açabilir. Güç hattı için pasif 60 Hz bant geçiren filtreler Ayrıca mevcuttur, ancak aynı zamanda önemli miktarda alan da gerektirirler. Alternatif olarak tasarımınıza bir güç faktörü düzeltici (PFC) ekleyebilirsiniz. Bazı anahtarlama kontrolörleri güç faktörü düzeltmesini içerir, ancak ön kısım bağımsızdır uçları en yaygın olanıdır. Anlaşılması en basit bağımsız ön uç, “sabit açık kalma süresi” (COT) güçlendirme dönüştürücüsü. Güç hattı arasına yerleştirilir ve Yukarıdaki tüm sorunlara neden olan giriş kapasitörü. Bu PFC pratikte giriş kapasitansı yok (filtredeki X ve Y kapasitörleri dışında) ve Adından da anlaşılacağı üzere, giriş enerjisi depolama kapasitörünü, cihazın görmek üzere tasarlandığı güç hattının en yüksek zirvesinden daha yüksek bir voltaja şarj etmek için sabit bir çalışma süresi yükseltme topolojisi kullanır. Örneğin, yüksek hat 120 VAC + yüzde 10 ise (120 X √2 X 1,10 = 187 V), Yükseltme voltajı olarak 200 V seçilebilir. Takviye denetleyicisi açılacak indüktörü, doymasını önleyecek kadar kısa bir süre boyunca güçlendirin. çizginin zirvesi. "Hızlı" bir kontrol döngüsü indüktör anahtarlamasını yönlendirir, böylece her biri anahtar döngüsü aynı süre boyunca “açık” durumdadır. İndüktör akımı LVt'ye eşit olduğundan (L = endüktans, V = gerilim ve t = zaman) — L ve t sabit tutularak — indüktör (I) akım ve dolayısıyla güç hattı akımı V ile orantılıdır. I olduğundan V ile orantılı olduğundan giriş dirençli görünür. Bu, sabit bir güç seviyesi için kabul edilebilir şekilde çalışabilir ancak yük dalgalanırsa, çıkış voltajı çılgınca değişecektir. Bunu çözmek için, güçlendirme denetleyicisinin aslında iki tane var döngüler: Yukarıda açıklanan hızlı döngü ve “açık” zamanı ayarlayan yavaş döngü kapasitör voltajını kontrol etmek için, ancak bunu birkaç güç hattı döngüsü boyunca yavaş bir şekilde yapar, bu dirençli görünümü korumak için. Kapasitör voltajı yalnızca gevşek bir şekilde düzenlenir, bu, kapasitörün, kapasiteyi karşılayacak şekilde boyutlandırılması ve derecelendirilmesi gerektiği anlamına gelir. varyasyon. Ancak yükseltme devresi kapasitöre girişin görünmesini sağladığından dirençli olduğundan kapasitör artık nispeten büyük olabilir. Çünkü bu topoloji bir destektir dönüştürücü, eğer çıkış (enerji depolama kapasitörü) voltajı giriş voltajından daha azsa Gerilim, kondansatörü şarj etmek için akım girişten çıkışa akacaktır. Bu durumda, güç kaynağı gayet iyi çalışmaya devam edecek, ancak güç faktörü düzeltme mağlup olacaktır. Sabit çalışma süresine sahip bir güçlendirme dönüştürücüsü için abartılı bir akım dalga biçimi gösterilmektedir Şekil 9'da. AC besleme voltajı V(vac) olarak gösterilmiştir, filtrelenmemiş besleme akımı I(Ac) olarak gösterilir ve çıkış kapasitöründeki voltaj Vout olarak gösterilir. Fark etme Güçlendirme dönüştürücüsüne giden mevcut dalga formunun ortalamasının yaklaşık olduğu sinüzoidaldir ve gerilimle aynı fazdadır. Burada gösterilen anahtarlama hızı çok Bireysel darbeleri daha görünür hale getirmek için yavaşlayın. Anahtarlamanın hızlandırılması Anahtar gürültüsünü filtrelemeyi ve sürekli iletimde çalışmayı kolaylaştırır modu bireysel anahtarlama çevrimlerinin genliğini daha da azaltacaktır. Boost topolojisinin bir diğer avantajı da gerçek anahtarlama kaynağının — güç faktörünü düzelten ön ucun arkasında - artık nispeten sabit bir noktadan çalışıyor Gerilim. Yükseltme aşaması geniş bir giriş aralığını barındırabiliyorsa, gereklilik Bu girdiyi karşılayacak arzın geri kalanı azaltılır. Her birinin kendine göre avantaj ve dezavantajları olan başka topolojiler de mevcuttur. Bazı güç kaynağı modülleri artık güç faktörü düzeltme özelliğiyle mevcuttur yerleşik; sadece bir giriş kapasitörüne, bir yükseltme kapasitörüne ve bir çıkışa ihtiyaç duyarlar kapasitör. Hangi çözüm seçilirse seçilsin tasarımın simülasyonu son derece önemlidir. tavsiye edilir, çünkü devrenin nasıl tepki verdiğine dair daha iyi bir fikir verecektir köşe kasalarına. TI'dan Tina, Intersil'in çevrimiçi simülatörü ve Linear Technologies' LTspice simülasyon için mevcut seçenekler arasındadır. Birçok çözümle mevcut olduğundan, güç faktörü düzeltmesi artık eskisi kadar göz korkutucu bir iş değil. Bu makalenin ana görseli HackerNoon'un tarafından "thomas edison ampule bakıyor" istemi aracılığıyla oluşturuldu Yapay Zeka Görüntü Oluşturucusu