Poznaj prawdę o układzie PFC

Czym jest system PFC?

Od 10 lutego 2001 w Unii Europejskiej (do której obecnie należy Polska) zaczęła obowiązywać norma EN61000-3-2 dotycząca ochrony sieci energetycznych przed zakłóceniami poprzez ograniczenie wprowadzania harmonicznych prądu przez urządzenia z niej zasilane. W nowoczesnym świecie nasyconym układami elektroniki i automatyki za kształt prądu pobieranego z sieci odpowiedzialny jest przede wszystkim zasilacz stanowiący pierwsze ogniwo łączące te układy z siecią energetyczną.

Niesinusoidalny kształt prądu pobierany z sieci energetycznej przez zasilacze komputerowe jest przyczyną takich zjawisk, jak: zmniejszenie zdolności zasilającej sieci, nadmierny wzrost temperatury przewodów (w szczególności przewodu zerowego), a co za tym idzie konieczność stosowania większych przekrojów, wywoływanie niestabilności, rezonansów przepięć w sieci, odkształcenia sinusoidalnego przebiegu napięcia sieci, a także zakłócenia w pracy urządzeń wykorzystujących w celach pomiarowych momenty przechodzenia przez zero napięcia (prądu) sieci zasilającej.

Należy w tym momecie dwa rodzaje mocy o których będziemy pisać. Mocy rzeczywistej, mierzonej w watach [W] i mocy pozornej mierzonej w [VA]. Układ PFC i współczynnik mocy dotyczy JEDYNIE mocy pozornej [VA] za którą zwykły użytkownik komputera nie płaci, w większości przypadków jesteśmy rozliczani za rzeczywistą moc pobraną wyrażaną w watach. Tak więc sam współczynnik mocy nie jest bezpośrednio odpowiedzialny za oszczędność energii. Jest on za to odpowiedzialny za przyjazność zasilacza środowisku.

Warto zauważyć, że w większości przypadków zauważyć można pewną prawidłowość pomiędzy rzeczywistą wydajnością zasilacza a występowaniem układu PFC. Wynika ona z użycia w zasilaczach z PFC wyższej klasy podzespołów. Cecha ta istotnie ma znaczenie dla ilości mocy rzeczywistej [W] pobieranych przez nasz zasilacz.

Zasilacze bez układu PFC

Zasilacze takie generują wiele zakłóceń w linii energetycznej, oraz pobierają dużo więcej mocy pozornej co znacznie obciąża sieć energetyczną.

Wykres pokazuje pełnię drugiej, mniej znanej nazwy zasilaczy ATX - mianowicie "Zasilacze Impulsowe". Pobierają one prąd w cyklicznych, krótkich impulsach. Aby zapewnić niezbędną moc, impulsy te muszą mieć dużą amplitudę, co powoduje duże obciążenie przewodów w mieszkaniu/biurze i w konsekwencji całej sieci energetycznej.

Zasilacz komputerowy przekształca zmienne napięcie 230V, na napięcie stałe, o wartości +3.3V, +5V, +12V, -12V, -5V i +5Vsb. Obciążenie każdego z nich zmienia się nieustannie podczas pracy komputera. Sprawia to, że obciążenie zasilacza komputerowego jest czymś bardziej złożonym niż obciążenie generowane przez - powiedzmy toster. Tu właśnie pojawia się PFC i współczynnik mocy. W dużym uproszczeniu można napisać, że rolą układu PFC jest sprawienie, aby zasilacz zachowywał się jak obciążenie proste, jak nasz przysłowiowy toster. Dążymy do tego, aby sinusoidy napięcia i natężenia były zgodne w fazie - wpółczynnik mocy jest wówczas równy jedności. Im bardziej nieregularne będzie obciążenie tym niższy będzie współczynnik mocy.

Jak działa system PFC?

W zasilaczu komputerowym od strony sieci znajduje się prostownik wejściowy (bez lub z układem PFC) przekształcający zmienne napięcie sinusoidalne 230V o częstotliwości ~50Hz na napięcie stałe (ok. 320V). Za prostownikiem znajduje się przekształtnik DC/DC (generator o częstotliwości drgań od kilkunastu do kilkudziesięciu kHz). Przekształtnik ten ma za zadanie zamienić owe 320V na napięcia potrzebne komputerowi, czyli: +3.3V, +5V, +12V, -5V, -12V. Dodatkowo w pasywnym PFC blok ten zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy siecią a wyjściem zasilacza (zapewnia to transformator się tam znajdujący).

Układ prostownika z aktywnym układem PFC koryguje przesunięcie w fazie prądu względem napięcia sieciowego - jego zadaniem jest uzyskanie zerowego przesunięcia fazowym, ponieważ wtedy w kablach w sieci energetycznej płynie najmniejsza z możliwych moc pozorna. Dodatkowo eliminowane są wyższe harmoniczne prądu pobieranego z sieci, co poprawia warunki pracy przekształtnika (przy okazji zakłócenia z generatora zasilacza nie przechodzą w takim stopniu do sieci).

Zastosowana wysoka częstotliwość przekształcania energii pozwala na zmniejszenie gabarytów (i masy!) transformatora separującego obwody oraz umożliwia uzyskanie bardzo dobrych odpowiedzi dynamicznych na zmiany obciążenia (szybka reakcja na zmianę obciążenia). Wyróżnia się dwa rodzaje układu PFC:

Pasywny układ PFC (pPFC)

Sprawność zasilacza z tym elementem jest nieznacznie niższa od tej z modeli z aktywnym PFC. Układ PFC w takim rozwiązaniu jest ustawiony na stałe na określone obciążenie przez co nieco obniża jego efektywność w stosunku do elementu aktywnego jeżeli obciążenie jest inne niż to obmyślone przez projektanta, jednak w większości przypadków takie rozwiązanie w zupełności się sprawdza.

Zasilacze z pasywnym PFC mają, współczynnik mocy wyższy od ich braci pozbawionych układu PFC - około 0,80 - 0,95. Co jest już bardzo dobrym wynikiem - zakłócenia harmoniczne powracające do siecie energetycznej są niewielkie.

Aktywny układ PFC (aPFC)

Układ sterujący z dużym kondensatorem dostosowujący się do obciążenia zasilacza oraz warunków sieci elektrycznej.

Jak widać na ilustracji, zasilacze z aktywnym PFC mają, współczynnik mocy najbardziej zbliżony do jedności - około 0,90 od 0,99. Fazy napięcia i prądu są sobie nieomal równe. Pociąga to za sobą najlepsze wykorzystanie energii elektrycznej, oraz relatywnie niewielkie zakłócenia harmoniczne powracające do sieci energetycznej.

Modele z aktywnym PFC przełączanie 110/220V realizują automatycznie. Układ aktywnego PFC pozwala także na takie wydatkowanie mocą, że model kupiony z dużą rezerwą zużywa mniej mocy niż tradycyjny. Układ aktywnego PFC przydziela moc dynamicznie przez co np. podczas startu komputera kiedy to pobór mocy jest największy, szczególnie z 12V, w tym krytycznym momencie napięcia podawane są bez ich spadków co zapewnia poprawny start. Zdarza się bowiem, że zbyt słaby zasilacz nie jest w stanie podać mocy startowej komputerowi choć jest w stanie zasilić komputer w pracy ciągłej.

---