Aplicarea funcțiilor de programabilitate, conectare în rețea și detectare de la distanță fără cabluri pentru sursele de alimentare de laborator

Sursele de alimentare sunt disponibile într-o gamă extrem de amplă de putere nominală, dimensiuni fizice și factori de formă. În timp ce optimizarea pentru dimensiune, eficiență și costuri este ceva obișnuit – în special în aplicațiile cu restricții de putere, cum ar fi dispozitivele portabile – există aplicații în care parametrii sursei de alimentare (PSU) trebuie să fie ajustați odată ce o unitate este implementată și pusă în funcțiune. Acest lucru este valabil în special în cazul surselor de alimentare pentru aplicații și medii de testare automatizate sau de laborator.

Astfel, au apărut surse de alimentare care oferă diferite grade de flexibilitate pe teren, de la actualizări firmware over-the-air pentru optimizarea eficienței, până la monitorizare și control de la distanță permanente pentru a asigura acuratețea, scalabilitatea, redundanța și echilibrarea eficientă a sarcinii rețelelor de surse de alimentare. Caracteristicile de programabilitate pot accelera proiectarea și evaluarea produselor, pot îmbunătăți funcționalitatea sistemului și pot oferi flexibilitatea necesară. Cu toate acestea, din gama tot mai mare de opțiuni programabile disponibile, unele se remarcă în mod special.

Acest articol examinează rolurile, funcțiile și caracteristicile PSU-urilor avansate, de ultimă generație, care sunt mult mai mult decât niște surse de alimentare autonome, de sine stătătoare, precise și receptive în propriile carcase. Apoi se pune accentul asupra caracteristicilor și capacităților, precum și asupra beneficiilor ulterioare ale surselor de alimentare de cea mai recentă generație, complet conectate în rețea și extrem de programabile de la XP Power, luate ca exemple.

PSU în comparație cu alimentarea tip open frame

În multe modele, sursa de alimentare c.a./c.c. este încorporată sau înghesuită pe placa PCB principală sau pe o placă separată care este „ascunsă” într-un colț. Totuși, alte produse au nevoie de o sursă de alimentare distinctă, independentă și separată. Aceste surse de alimentare – numite uneori „șasiuri” sau „open frame” – sunt autonome și îndeplinesc cerințele necesare în materie de ambalare, performanță și reglementare. Multe dintre acestea sunt disponibile de la mai mulți furnizori ca surse secundare sau alternative în ceea ce privește forma, potrivirea și funcția.

Aceste surse, caracterizate de unități precum UCH600PS36 de la XP Power, o sursă de 36 de volți, 4,16 amperi (A), 600 de wați (W) de tip open frame, nu au o interfață cu utilizatorul, deoarece nu este necesară (Figura 1). În schimb, acestea sunt încorporate în produsul final, fără a fi necesar ca utilizatorul să facă ajustări după ce sunt puse în funcțiune. Acestea au conexiuni minime de intrare/ieșire: intrare c.a., ieșire c.c. și, probabil, cabluri pentru detectare de la distanță.

Figura 1: o sursă de alimentare tip open frame, cum este UCH600PS36, este proiectată pentru a fi încorporată în produsul final, fără ca utilizatorul final să fie nevoit să o acceseze sau să îi ajusteze parametrii de performanță. (Sursa imaginii: XP Power)

În schimb, proiectele de inginerie au nevoie de o sursă de alimentare cu o interfață flexibilă și ușor de utilizat, implementată printr-o combinație de comutatoare, butoane, butoane programabile, contoare, indicatoare și chiar un afișaj alfanumeric. Aceste surse de alimentare complet reglabile sunt concepute pentru a permite ajustarea simplă a parametrilor, inclusiv a tensiunii de ieșire, a curentului maxim și a limitării tensiunii/curentului, printre alți factori. Acestea răspund nevoilor echipei tehnice în timpul fazelor de proiectare, de evaluare a prototipurilor și de depanare și sunt, în general, denumite consumabile de „banc” sau de „laborator”. De asemenea, pot fi montate în rack într-o configurație fixă, semipermanentă, pentru confort și ordine, ca parte a unui echipament de testare automată (ATE) sau a unei alte instalații pe termen lung (Figura 2).

Figura 2: sursele de alimentare „de laborator” sunt utilizate pe bancul de lucru al inginerului, dar sunt adesea montate și într-un rack împreună cu alte unități de testare pentru a forma o configurație de instrumentație completă, compactă. (Sursa imaginii: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

PSU-urile de astăzi trebuie să satisfacă nevoi mai sofisticate decât cele de acum câteva decenii, chiar dacă funcția lor de bază este aceeași. Pe lângă afișajele de bază ale tensiunii și curentului și ajustarea manuală a valorii tensiunii de ieșire, o sursă de alimentare trebuie să permită și alte funcții realizate manual, dar și să ofere acces de la distanță.

Sursele de alimentare, precum seria PLS600 de surse c.c. programabile de la XP Power, fac acest lucru prin faptul că permit ajustarea parametrilor de funcționare prin intermediul controalelor simple și neaglomerate de pe panoul frontal, și prin diverse opțiuni de conectivitate de pe panoul din spate, inclusiv interfețe USB, Ethernet și analogice (Figura 3). În plus, sursa de alimentare trebuie să își monitorizeze propria situație și pe cea a sarcinii și să raporteze situația direct și de la distanță, atât la cerere, cât și în mod excepțional, pentru a menține încrederea în unitatea însăși, precum și în sistemul general.

Figura 3: panoul frontal (sus) al unităților din seria PLS600 este funcțional și neaglomerat, oferind în același timp caracteristici solide pentru accesul utilizatorului și monitorizare; panoul din spate (jos) are cablul c.a. și conectorii pentru interfețele USB, Ethernet și analogice. (Sursa imaginii: XP Power)

Funcțiile de pe panoul frontal (reprezentate de la 1 la 7 în Figura 3) sunt descrise mai detaliat în manualul de utilizare, dar acestea sunt, în ordine crescătoare: pornire/oprire; setarea curentului; setarea tensiunii; pornirea/oprirea ieșirii; afișajul; și prizele de ieșire pentru cablurile de alimentare.

Familia PLS600 este formată din cinci unități de ieșire c.c., începând cu PLS6003033 c.c. de 30 de volți și terminând cu PLS6004002.5 de 400 de volți, toate cu o putere nominală maximă de 600 de wați.

Programabilitatea completă aduce beneficii suplimentare

Nu este suficient să afirmi că o sursă de alimentare este „programabilă”, ci este important și să clarifici ce înseamnă acest lucru pentru o sursă de alimentare modernă. În primul rând, sursa de alimentare trebuie să aibă o tensiune de ieșire care poate fi reglată de către utilizator, și nu fixă; în multe cazuri, sursa de alimentare poate funcționa și ca sursă de curent care poate fi reglată de utilizator. Pentru comoditate, valorile acestor parametri principali sunt ușor de reglat în funcție de necesități, de pe panoul frontal. Pe lângă afișajul digital, controalele rotative încă sunt cel mai confortabil mod de a seta, ajusta sau „regla fin” setările de valoare dorite, într-un mod rapid.

Printre alți parametri pe care utilizatorii îi pot seta se numără valorile importante ale protecției la supratensiune (OVP), ale protecției la supracurent (OCP) și chiar ale protecției la supraputere (OPP). Aceasta din urmă este utilă pentru aplicațiile în care „grija” nu este limita de putere de 600 W a sursei de alimentare PLS600, ci cantitatea maximă de putere (tensiune × curent) pe care sarcina ar trebui să o poată trage de la sursă, pentru a preveni orice deteriorare a acesteia.

Adesea, după ce au efectuat diverse ajustări ale tensiunii, curentului, puterii sau ale altor valori de referință sub presiunea timpului și a stresului de depanare și testare, utilizatorii pot omite din greșeală înregistrarea valorilor pe care le-au setat efectiv pentru acești factori. Din acest motiv și din alte motive, PSU PLS600 permite afișarea rapidă a valorilor parametrilor. În plus, toți aceștia sunt stocați intern, astfel că nu este necesară reintroducerea lor la pornire.

O astfel de programabilitate de bază este doar primul aspect al unui PSU cu adevărat versatil. Pentru multe situații de testare și evaluare, este necesar ca sursa să execute un „script” predefinit în timp real, independent de o conexiune la rețea. Pentru aceasta, seria PLS600 oferă o capacitate sofisticată de scripting integrat care permite utilizatorilor să scrie programe personalizate pentru generarea de profiluri de ieșire definite de utilizator, pentru a se potrivi unei ample varietăți de cerințe unice, și să le încarce în sursa de alimentare pentru a fi executate la comandă.

Acest lucru permite surselor de alimentare să joace un rol avansat în cadrul sistemului general și să fie un element eficient într-o secvență de performanță a produsului sau într-un test avansat al ciclului de viață, cum ar fi un test foarte accelerat pentru durata de viață (HALT) și, eventual, să ajute la găsirea unor anomalii subtile legate de caracteristicile subsistemului de alimentare a produsului final.

Conectivitate și control, de la simplu la rețea

Chiar dacă o sursă de alimentare de laborator ar trebui să aibă un panou frontal, controale practice și ușor de utilizat pentru acces de bază și imediat, acestea sunt inadecvate pentru o sursă de sistem eficientă. În plus față de controalele rotative simple pentru reglarea tensiunii și a curentului, seria PLS600 acceptă și controlul de la distanță prin USB, Ethernet și intrări de control analogice.

Controlul analogic poate părea un anacronism, dar permite configurarea directă și ușoară a unui scenariu de bază cu control de la distanță și poate fi necesar în unele situații cu dispozitive mai vechi. Rețineți că instrumentele de laborator tind să aibă o durată de viață lungă și că încă mai există unități IEEE-488 General Purpose Interface Bus (GPIB) în uz. Controlul analogic este, de asemenea, convenabil atunci când alimentarea este utilizată într-o configurare de reacție în buclă închisă, în care tensiunea de alimentare trebuie ajustată în timp real în funcție de tensiunea detectată sau derivată.

Dincolo de acest control analogic de bază, toate sursele de alimentare PLS600 au certificare LAN eXtensions for Instrumentation (LXI), respectând astfel standardele de interoperabilitate pentru instrumentele bazate pe LAN. Driverele standard LabVIEW și Interchangeable Virtual Instrument (IVI) pot fi utilizate cu toate programele software standard. Unitățile sunt compatibile cu comenzile standard pentru instrumente programabile (SCPI), precum și cu software-ul bazat pe SCPI dezvoltat de utilizator. Intrările USB și Ethernet sunt compatibile cu SCPI și au drivere LabVIEW disponibile pe site-ul web National Instruments. Pentru a asigura încrederea în setarea și citirea valorilor, sursele de alimentare includ convertoare digitale-analogice și analogice-digitale încorporate, pe 12 biți, pentru măsurarea și raportarea precisă a tensiunii și curentului.

Combinația dintre configurarea de la distanță, în rețea, și capacitatea de a modifica manual valorile sau de a face acest lucru din controlul programului, precum și raportarea stării alimentării cu energie electrică și a condițiilor de alarmă este mai mult decât o comoditate. Aceasta reduce nevoia ca inginerii să „dădăcească” unitatea testată și să caute și să coreleze anomaliile pe măsură ce acestea apar. Utilizarea acestuia în combinație cu instrumente precum un înregistrator de date sau un osciloscop digital cu memorie profundă și declanșatori adecvați face posibilă executarea de teste pe termen lung și apoi descărcarea rezultatelor pentru o analiză mai cuprinzătoare.

Abordarea detecției și calibrării de la distanță

Toate conductoarele care transportă curent și șinele de alimentare sunt supuse unor căderi de tensiune (V) și rezistență a curentului (IR). Un calcul de bază folosind legea lui Ohm (V = IR) arată amploarea problemei. Drept urmare, tensiunea livrată la sarcină poate fi cuprinsă cu ușurință de la câțiva milivolți sub valoarea nominală la sursa de alimentare, până la zeci sau chiar sute de milivolți.

O modalitate de a face față acestei căderi este de a compensa prin creșterea tensiunii nominale la PSU cu o valoare egală cu căderea, dar acest lucru este considerat o practică proastă deoarece căderea IR este o funcție a curentului consumat și, prin urmare, va fluctua. Drept urmare, tensiunea la sarcină poate fi, de fapt, prea mare în momentele în care curentul și căderea IR rezultată sunt scăzute.

Din acest motiv, soluția obișnuită este de a utiliza detectarea la distanță prin intermediul a două cabluri suplimentare într-o dispunere de detectare Kelvin. În această configurație, tensiunea reală de la sarcină este detectată și transmisă înapoi la sursă pentru a regla dinamic ieșirea astfel încât tensiunea de la sarcină să aibă întotdeauna valoarea dorită. Această soluție utilizată pe scară largă este acceptată ca practică standard și, de obicei, funcționează bine, dar are unele dezavantaje.

În primul rând, este nevoie de cele două cabluri suplimentare, ceea ce pare a fi o chestiune banală, dar acest lucru aglomerează și mai mult bancul. În al doilea rând, nu este întotdeauna ușor să adăugați două contacte suplimentare de rezistență redusă la sarcină, în special atunci când contactele de sarcină nu au fost proiectate pentru a le găzdui. Oricine a încercat să conecteze cablurile de detectare #24 AWG la terminalele cu șurub sau la alte terminale concepute pentru șina de alimentare #14/12/10 AWG care transportă curentul a întâmpinat această dificultate.

În cele din urmă, aceste două cabluri de detectare suplimentare pot părea doar fire pasive, dar nu sunt. Din punct de vedere electric, ele formează o buclă de reacție pentru un amplificator care se întâmplă să fie o sursă de alimentare. Ori de câte ori există o astfel de buclă de reacție, există posibilitatea de preluare a zgomotului sau chiar de oscilație din cauza buclei necontrolate și, de obicei, prost definite. Așadar, în timp ce detectarea de la distanță poate rezolva problema căderii IR, aceasta poate, de asemenea, să cauzeze o problemă mai subtilă de oscilație a ieșirii de alimentare. O filtrare suplimentară de tipul potrivit poate fi necesară, însă o astfel de filtrare poate modifica și degrada răspunsul dinamic tranzitoriu al sursei.

Detectare de la distanță – fără cabluri care induc căderea IR

Pentru a evita problemele mecanice, electrice și chiar estetice asociate cu detectarea de la distanță, seria PLS600 oferă o abordare alternativă, folosind o tehnologie brevetată pentru a compensa digital aceste rezistențe, fără a fi nevoie de cabluri suplimentare. Pe scurt, utilizatorul invocă modul de detectare de la distanță de pe panoul frontal, scurtcircuitează firele de sarcină la sarcină și setează curentul PSU la cel puțin valoarea așteptată pentru consumul sarcinii (Figura 4).

Figura 4: sursele de alimentare PLS600 de la XP Power acceptă o schemă unică de precompensare a căderii IR, eliminând necesitatea unor cabluri suplimentare de detectare la distanță. (Sursa imaginii: XP Power)

PSU măsoară curentul de ieșire și căderea totală de tensiune în firele de sarcină, apoi calculează rezistența firelor de sarcină. Apoi, PSU poate ajusta în timp real tensiunea de ieșire la bornele de alimentare pentru a corecta căderea din cablurile de sarcină. Prin urmare, nu este nevoie de cabluri de detecție separate în instalația propriu-zisă.

PSU-urile avansate oferă și flexibilitate în calibrare

Cu toate că, în mod normal, sursele de alimentare precum cele din seria PLS600 nu au nevoie de calibrare, pot exista circumstanțe în care performanța tensiunii de ieșire a unității trebuie verificată și sunt necesare unele ajustări de calibrare. Pentru a calibra tensiunea și curentul de ieșire și tensiunea și curentul afișate, dispozitivele din seria PLS600 necesită un voltmetru calibrat și un element de șuntare pentru curent calibrat.

Sursa de alimentare este setată în modul de calibrare, iar ieșirea acesteia este lăsată deschisă, având atașat doar voltmetrul. Pe scurt, valoarea afișată de PSU și valoarea voltmetrului se potrivesc, iar butonul de pe panoul PSU este apăsat pentru a înregistra valorile. Apoi, elementul de șuntare pentru curent este conectat la ieșire, iar voltmetrul este conectat la elementul de șuntare. Ieșirea PSU este apoi reglată până când voltmetrul extern citește exact curentul indicat pe afișajul sursei de alimentare (Figura 5). Rețineți că tensiunea afișată pe contor va depinde de valoarea elementului de șuntare pentru curent utilizat, tot conform legii lui Ohm.

Figura 5: pentru a calibra sursele de alimentare XP Power se utilizează un proces simplu în doi pași: o măsurare a tensiunii de ieșire în circuit deschis, urmată de o măsurare a tensiunii pe un element de șuntare pentru sarcină calibrat. (Sursa imaginii: XP Power)

Cum să obțineți mai multă tensiune sau mai mult curent

Deși sursele de alimentare din seria PLS600 sunt oferite în combinații de valori nominale pentru tensiune și curent, vor exista, fără îndoială, circumstanțe în care va fi nevoie de mai multe valori pentru unul dintre parametri sau pentru ambii. Soluția evidentă este utilizarea unei surse mai mari, cu dezavantajul unui cost suplimentar. Acest lucru poate fi greu de justificat, deoarece poate fi necesar doar pentru o perioadă scurtă de timp. O alternativă este luarea în calcul a posibilității de a pune două sau mai multe surse de alimentare PLS600 în serie pentru o tensiune mai mare, sau în paralel pentru un curent mai mare.

Cu toate acestea, pentru a obține această creștere a tensiunii sau a curentului nu este suficient să conectați două surse în serie sau în paralel. Atunci când acestea sunt combinate într-un astfel de mod, s-ar putea întâmpla unul dintre următoarele trei lucruri:

1. Configurația nu va furniza ieșirea necesară, este incontrolabilă, iar sursele de alimentare sunt susceptibile la deteriorare
2. Configurația funcționează într-o oarecare măsură, dar nu cu performanța, acuratețea, consecvența sau încrederea necesare
3. Totul funcționează foarte bine, fie datorită norocului – în general, nu este o tactică bună de inginerie – fie datorită unui proiect deliberat

Rezultatele nr. 1 și nr. 2 sunt nedorite și inacceptabile, deși există modalități de a evita într-o oarecare măsură neajunsurile acestora, cu ajutorul unor componente externe atent selectate și evaluate, cum ar fi rezistoarele de curent comun sau diodele de izolare (Figura 6). O schemă similară este utilizată pentru cuplarea tensiunilor. Chiar dacă funcționează, performanța generală este limitată de specificațiile celei mai mici dintre cele două surse și de nepotrivirile dintre componentele adăugate, și este, de asemenea, degradată de aceste componente.

Figura 6: componentele externe, cum ar fi rezistoarele de curent comun (stânga) sau diodele de izolare (dreapta), pot fi utilizate pentru a pune două surse de alimentare în paralel pentru a obține o capacitate de curent suplimentară, dar acest lucru scade performanța. (Sursa imaginii: XP Power)

Prin urmare, ideea generală este că este mult mai puțin problematică utilizarea unei singure surse de alimentare evaluată pentru aplicație, decât a două sau mai multe surse în paralel sau în serie. Cu toate acestea, rezultatul nr. 3, cel dezirabil, de „funcționare bună” va apărea dacă sursele sunt proiectate special pentru funcționarea în serie sau în paralel – așa cum sunt sursele de alimentare din familia PLS600.

Pentru a pune sursele de alimentare PLS600 în paralel sau în serie, o sursă de alimentare trebuie să fie configurată ca master, iar restul surselor de alimentare trebuie să fie configurate ca dispozitive slave. Până la două surse (care trebuie să fie identice) pot fi conectate în serie pentru amplificarea tensiunii, în timp ce până la patru unități identice pot fi utilizate în paralel pentru amplificarea curentului. Configurarea și desemnarea unităților master și slave se face prin intermediul panoului de control frontal și există anumite limite maxime care trebuie înțelese, atât din motive de siguranță, cât și de performanță.

Instalare în rack și în stive pentru confort, disciplină și eficiență

Aspectul vizual al bancurilor de lucru ale inginerilor variază de la destul de îngrijit la incredibil de dezordonat. Realitatea este că multe bancuri încep prin a fi ordonate, dar adesea dezordinea se „acumulează”, iar un singur sau mai multe PSU-uri și cablurile lor se adaugă la această dezordine. În alte cazuri, sursa de alimentare face parte dintr-un ansamblu de instrumentație care a fost montat în rack din mai multe motive:

• Face parte dintr-un ATE independent sau dintr-un proiect de evaluare pe termen lung
• Asigurarea integrității sistemului și creșterea fiabilității, garantând că totul este la locul său, că toate cablurile sunt complet acoperite și că sunt prevăzute cu elemente de reducere a solicitării
• Nevoia de transport și eventuala reinstalare

Din aceste motive, XP Power oferă kitul de montare în rack PLS600 pentru sursele de alimentare PLS600 (Figura 7).

Figura 7: kitul de montare în rack PLS600 de la XP Power facilitează instalarea unei singure unități PLS600 sau a unei perechi de unități alăturate într-un rack de echipamente cu șasiu standard. (Sursa imaginii: XP Power)

Deoarece toți membrii din seria PLS600 au aceeași dimensiune a carcasei, kitul este valabil pentru toate. Instalarea unei surse de alimentare cu ajutorul acestui kit este o sarcină rapidă și simplă, iar kitul permite montarea a două surse de alimentare una lângă alta.

Concluzie

Sursele de alimentare de laborator sunt foarte diferite ca formă și funcție față de unitățile încorporate care au puține controale sau reglaje pentru utilizator, sau nu le au deloc. Sursele de alimentare de banc sau „de laborator” sunt instrumente esențiale pentru dezvoltarea, depanarea și testarea prototipurilor, precum și pentru standurile de testare fixe. O sursă de alimentare de laborator bine concepută și bogată în caracteristici, cum ar fi cele din seria XP Power PLS600, oferă atât performanțe superioare, cât și capacitățile și funcțiile suplimentare necesare pentru o utilizare eficientă și flexibilă, de la controlul convenabil de pe panoul frontal până la accesul în rețea și programabilitatea bazată pe scripturi.

Referințe

1. Surse de alimentare c.a. - c.c. seria PLS600 de la XP Power
2. Manual de utilizare pentru sursele de alimentare c.c. programabile din seria PLS600 de la XP Power
3. Manual de programare pentru utilizator pentru sursele de alimentare c.c. programabile din seria PLS600 de la XP Power