Bezpieczeństwo w projektowaniu systemów zasilania - najlepsze praktyki

Prawidłowo zaprojektowany system zasilania jest podstawą niezawodności oraz bezpiecznego działania urządzeń wykorzystujących układy elektryczne i elektroniczne – od sprzętów codziennego użytku, po skomplikowane systemy przemysłowe.

Kluczową rolę odgrywa tutaj zasilacz impulsowy, który dzięki swojej wydajności, kompaktowym rozmiarom oraz elastyczności w dostosowaniu napięcia wyjściowego jest trudny do zastąpienia innymi rozwiązaniami. Aby jednak właściwie pełnił on swoją rolę musi być elementem szerzej przemyślanej całości. W poniższym artykule prezentujemy skondensowaną dawkę wiedzy na temat wybranych aspektów bezpieczeństwa związanych z używaniem zasilaczy impulsowych.

Jak działa zasilacz impulsowy?

Zasilacz impulsowy to urządzenie przekształcające wejściowy prąd przemienny (AC) na prąd stały (DC) za pomocą zestawu kondensatorów i tranzystorów. Prąd ten przechodzi następnie przez transformator obniżający lub podwyższający napięcie do oczekiwanych wartości, zaś na wejściu jest prostowany i filtrowany, co zapewnia stabilne napięcie stałe. Układ sprzężenia zwrotnego kontroluje cykl pracy kondensatorów i tranzystorów, stabilizując napięcie wyjściowe.

Podstawowe zalety zasilacza impulsowego to przed wszystkim: wysoka efektywność przy stosunkowej niewielkiej masie i gabarytach, stabilność i wysoka zdolność adaptacji do zmieniającego się obciążenia, szerokie spektrum zastosowań oraz niskie koszty eksploatacji - zasilacz impulsowy jest znacznie efektywniejszy energetycznie niż tradycyjny zasilacz liniowy.

Zasilacz impulsowy – klasy ochrony IEC

Termin klasa bezpieczeństwa określa zespół cech danego urządzenia elektrycznego lub elektronicznego, jakie musi ono posiadać, aby zapewnić pożądany poziom ochrony przeciwporażeniowej w sytuacji awaryjnej. W przypadku zasilaczy impulsowych zostały one zdefiniowane przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC), która wyróżniła trzy klasy bezpieczeństwa, zwane również klasami ochrony:

• Klasa I – ochronę przeciwporażeniową zapewnia warstwa izolacji podstawowej (chroniąca przez dotykiem bezpośrednim) i uziemiona przewodząca obudowa. W razie uszkodzenia izolacji, prąd jest kierowany do ziemi, co wyzwala zadziałanie zabezpieczenia (np. wyłącznika różnicowoprądowego).

• Klasa II – oprócz izolacji podstawowej urządzenie posiada warstwę izolacji dodatkowej lub izolacji wzmocnionej, chroniącej przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim. Dodatkowa izolacja sprawia, że zasilacz impulsowy klasy II nie wymaga uziemienia.

• Klasa III – znajduje zastosowanie w układach tzw. napięcia bardzo niskiego (ELV), czyli U≤50V AC lub U≤120V DC. Zasilacz impulsowy III klasy nie generuje napięcia wejściowego na poziomie stwarzającym zagrożenie dla użytkownika, nie wymaga więc stosowania zabezpieczeń.

Klasy bezpieczeństwa IEC pozwalają wybrać zasilacz impulsowy o dedykowanym dla danego środowiska lub aplikacji poziomie bezpieczeństwa – często wymaganym odrębnymi przepisami i normami branżowymi.

Zasilacz impulsowy a bezpieczeństwo systemów zasilania

Sprawnie działający zasilacz impulsowy to kluczowy element bezpieczeństwa i prawidłowego funkcjonowania układów elektronicznych i aplikacji. Dlatego też ważną kwestią jest jego optymalny dobór do potrzeb aplikacji już na etapie prac projektowych systemów zasilania. Takie podejście pozwala zminimalizować ryzyko późniejszych kosztownych awarii i zagrożenia bezpieczeństwa użytkowników.

Dobrą i rekomendowaną praktyką jest projektowanie systemów zasilania z uwzględnieniem zasady redundancji (nadmiaru), aby zapewnić ciągłość działania w sytuacjach krytycznych. Popularnymi rozwiązaniami są tutaj m.in. stosowanie więcej niż jednego zasilacza (co pozwala przełączyć się na zapasowy w razie awarii), układy UPS zabezpieczające przed nagłym zanikiem zasilania, czy zasilanie awaryjne (back-up) – stosowanie akumulatorów lub kondensatorów o dużej pojemności w celu chwilowego podtrzymania pracy układu. Istotnym elementem są także zabezpieczenia przeciwzwarciowe oraz przeciwprzepięciowe – oparte na warystorach i/lub bezpiecznikach. Układy te chronią zasilacz i podłączone do niego urządzenia przed uszkodzeniem, w przypadku wystąpienia nagłych i niepożądanych zmian napięcia w sieci.

Zasilacz impulsowy (https://www.polimet.com.pl/poradnik-elektrotechniczny/zasilacze-impulsowe-zasady-dzialania) to urządzenie pracujące na wysokich częstotliwościach (rzędu nawet kilkudziesięciu kHZ), co powoduje emisję zakłóceń elektromagnetycznych (EMI – Electromagnetic Interference) – mogących niekorzystnie wpływać zarówno na sam zasilacz, jak i podłączone urządzenia. Można je ograniczyć stosując obudowy ekranujące lub filtry EMI instalowane na wejściu zasilacza.

Szczególnej staranności wymaga dobór odpowiednich zasilaczy do konkretnych zastosowań – nierzadko pracujących pod dużym obciążeniem, w trudnych warunkach środowiskowych, wysokiej wilgotności, temperaturze i zapyleniu. Urządzenia takie muszą cechować się m.in. zwiększoną szczelnością obudowy (IP), odpowiednim zapasem mocy znamionowej rzędu 15-30%. Praca w środowisku o wysokiej temperaturze wiąże się ze spadkiem mocy wyjściowej zasilacza - dlatego też niezbędny będzie wydajny system chłodzenia.

Szeroki wybór zasilaczy renomowanych producentów oferuje hurtownia elektrotechniczna Polimet w Bielsku – Białej. Kompleksową ofertę dostępnych modeli znaleźć można w sklepie internetowym https://e-polimet.com.pl/.