Источники питания MEAN WELL для автоматизации зданий, в том числе – ИП для шин KNX и DALI

1 марта 2023

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

В ассортименте источников питания MEAN WELL для автоматизации зданий и сооружений – базовые ультратонкие ИП на DIN-рейку семейства HDR, ИП для питания шины управления устройств умного дома семейства KNX, ИП для питания шины управления освещением DALI семейства DLP, LED-драйверы, управляемые по протоколам KNX, DALI, DALI-2 и 0-10 В семейства LCM и ограничители пускового тока семейства ICL. Все это позволяет построить полную систему электропитания умного дома/офиса.

Устройства для автоматизации зданий и сооружений (домашней автоматизации; Home Automation), как правило, выполняются в определенном форм-факторе, который позволяет быстро и с наименьшими затратами выполнить их монтаж. В основном это корпуса с возможностью крепления на DIN-рейку. С целью унификации и эргономичности размещения в шкафу управления на эти ИП распространяются определенные стандарты. В частности, эти стандарты определяют габаритные и присоединительные (монтажные) размеры (DIN 43880), требования к клеммам, к изоляции вторичных цепей и ряд других, обеспечивающих надежную и безопасную эксплуатацию устройств домашней и промышленной автоматизации (UL508, EN61558-2-16, IEC62368-1).

Одно из основных отличий устройств для домашней автоматизации от аналогичных для промышленной автоматизации (Industrial Automation) заключается в габаритных размерах. Глубина и ширина таких устройств соответствуют глубине и ширине обычных автоматических выключателей (автоматов) с кратностью в зависимости от конкретного устройства. Ширина измеряется в единицах UNIT STEP (SU), где 1SU=17,5 мм. Такая стандартизация габаритных размеров позволяет размещать устройства в щитках малой глубины и упрощает первоначальную оценку общих габаритов требуемого щитка управления.

Активное использование современных систем автоматизации зданий, систем контроля доступа, охранно-пожарных систем и в целом системы умного дома требует соответствующих по конструктиву, техническим и функциональным параметрам источников питания.

ИП этой группы условно можно разделить на основные источники питания с базовым функционалом и специализированные изделия. В первом случае от ИП требуется только обеспечить надежное питание устройства необходимой мощности с возможностью подстройки выходного напряжения (например, для компенсации падения напряжения на проводах). Во втором случае ИП должны обладать специфическими функциями: например, это могут быть источники питания для шины KNX, которая используется для управления устройствами умного дома, или для шины DALI, применяемой для управления освещением. Дополнительно могут применяться специальные модули для повышения качества питающего напряжения, например, ограничители пускового тока. Все они должны обладать габаритными размерами, позволяющими применять их в обычных щитках небольшой глубины.

Источники питания с базовым функционалом присутствуют в ассортименте многих производителей, а специализированные ИП и дополнительные модули встречаются реже. В настоящее время доступность в России продукции ряда европейских производителей ограничена, и становится более предпочтительной и востребованной продукция тех производителей, которые продолжают поставки на российский рынок.

Важное место среди них занимает компания MEAN WELL (Тайвань), которая известна на нашем рынке более 20 лет и за это время зарекомендовала себя как производитель качественной и надежной продукции для самых широких сфер применения (бытовое, промышленное и медицинское). Немаловажно, что в линейке продукции MEAN WELL есть как простые унифицированные ИП с базовыми функциями, так и ряд специализированных источников для шин KNX и DALI, а также дополнительные модули для повышения качества питающего напряжения и для организации управления по указанным протоколам.

HDR – унифицированные ИП с базовыми функциями

Для автоматизации зданий и сооружений в номенклатуре компании MEAN WELL имеются унифицированные ультратонкие источники питания семейства HDR (рисунок 1), монтируемые на DIN-рейку. Габаритные размеры по глубине и высоте одинаковы для всех моделей и сопоставимы с аналогичными размерами обычных автоматических выключателей в соответствии с DIN 43880; максимальная глубина составляет 58,4 мм, а высота 90 мм. Ширина – от 1SU до 6SU в зависимости от мощности источника питания. Семейство источников питания состоит из пяти серий мощностью 15, 30, 60, 100 и 150 Вт, что полностью перекрывает существующую потребность (таблица 1).

Рис. 1. Внешний вид источников питания серий HDR-15, HDR-60

Таблица 1. Основные технические параметры источников питания семейства HDR

Источники питания соответствуют требованиям европейской энергетической директивы (ErP) и обладают высоким КПД в номинальном рабочем диапазоне и низким энергопотреблением на холостом ходу, не выше 0,3 Вт. Все модели имеют усиленную изоляцию между входом и выходом (4000 В) и соответствуют II классу электробезопасности (защитное заземление не требуется). Из дополнительных функций можно отметить возможность ручной подстройки выходного напряжения в широком диапазоне (ниже и выше номинального значения) и световую (LED) индикацию наличия выходного напряжения (работоспособности). Источники питания имеют выходное напряжение из стандартного ряда 5, 12, 15, 24 и 48 В (в зависимости от мощности модели) и работоспособны в широком температурном диапазоне -30…70°C (со снижением выходной мощности на верхнем пороге температуры). Продукция обладает защитой от короткого замыкания выхода, перегрузки и от превышения выходного напряжения.

В таблице 1 можно заметить, что в серии HDR-100 имеется две группы источников питания HDR-100 и HDR-100/N с некоторыми отличиями в основных параметрах. Так сложилось исторически. Вначале в семействе HDR была разработана серия HDR-100, которая имела некоторые ограничения по выходной мощности и диапазону подстройки выходного напряжения (LPS – Limited Power Source). Это значит, что выходной ток и мощность этой серии не превышают значений указанных в стандарте IEC 62368-1, что снижает риск возгорания в случае нештатных ситуаций. Группа этой продукции стала серийно выпускаться и заняла место на рынке. Однако некоторое время спустя, с одновременной разработкой самой мощной серии в этой линейке HDR-150, производитель выполнил и модернизацию серии HDR-100, устранив имеющиеся ограничения по мощности, и появилась серия HDR-100/N. В настоящее время выпускаются обе эти серии, причем по одинаковой стоимости. Учитывая сказанное, мы рекомендуем использовать новую серию (HDR-100/N) как имеющую лучшие параметры, но если для питания нагрузки достаточно выходной мощности серии HDR-100, то лучше её выбрать как более безопасную.

К вопросу надежности источников питания

О надежности косвенно можно судить по сроку гарантии. На рынке рассматриваемой нами продукции можно встретить различные источники с разным сроком гарантии. Обычно это 1, 2 или 3 года, редко можно встретить ИП с 5-летней гарантией. Принято считать, что срок службы изделия составляет как минимум двукратный срок гарантии. Именно на упомянутое выше семейство HDR MEAN WELL предоставляет гарантийный срок эксплуатации 3 года. Соответственно, можно ожидать, что данное изделие отработает не менее 6-7 лет в тех условиях, для которых она предназначена, то есть в здании или сооружении с соответствующей помеховой обстановкой и другими условиями согласно даташиту. Такой срок является очень хорошим, особенно если учитывать невысокую стоимость данной продукции.

KNX-20E и KNX-40E – источники питания для умного дома (шина KNX)

В системе умного дома (автоматизации зданий) для управления отдельными устройствами используется шина (протокол) KNX. В настоящей статье не планируется подробно рассматривать особенности этого протокола, но данной шине требуется собственный специализированный источник питания. Обычный источник питания для этой задачи не годится, а использование несертифицированного источника питания может привести к выходу всех узлов, подключенных к шине. В этом случае экономия на блоке питания может обернуться существенными потерями.

Компания MEAN WELL выпускает три модели источников питания, полностью соответствующих требованиям шины KNX. Различие моделей обусловлено разной выходной мощностью (для разного количества устройств в шине) и разным набором функций (рисунок 2, таблица 2).

Рис. 2. Внешний вид источников питания серий KNX-20E-640 и KNX-40E-1280(D)

Таблица 2. Основные технические параметры источников питания для шины KNX

Как видно из таблицы 2, имеются две модели с выходным током 1280 мА, но с различным функционалом. Это различие связано с рядом настраиваемых параметров, которые можно контролировать. Набор этих параметров здесь не приводится ввиду их большого количества, но его можно посмотреть в даташите на серию  KNX-40E. Кроме того, есть различие в алгоритме сброса шины. В моделях со стандартным функционалом для сброса шины KNX необходимо нажать и удерживать кнопку RESET не менее 20 секунд, а с наличием диагностической функции для этого нужно всего лишь кратковременно нажать на эту кнопку.

Для разделения управляющих сигналов шины KNX и питания в рассматриваемых источниках имеется встроенный дроссель. Однако при необходимости можно снять питание и без него. Для этого источники питания имеют дополнительный выход напряжения до встроенного дросселя. Этот выход можно использовать для питания исполнительных устройств, подключенных к шине. То есть, данные источники, кроме питания самой шины, могут питать и устройства, подключенные к этой шине. Для этого данные ИП можно включать по одному из двух вариантов (рисунок 3). Важно только соблюсти условие, чтобы суммарный ток (I1+I2) не превышал значение максимального тока источника питания (640 или 1280 мА, в зависимости от модели ИП).

Рис. 3. Схема подключения ИП (а – питание только шины; б – питание шины и исполнительного устройства)

Ситуация, когда в системе наблюдается превышения потребляемого тока, сигнализируется состоянием определенного светодиода (см. таблицу 3). Кроме того, в таблице 3 приведены и другие возможные состояния светодиодов индикации (A, B,C,D, E, F, G – для KNX-40E;  4, 5, 6 – для KNX-40E, рисунок 4).

Рис. 4. Расположение элементов индикации на ИП

Таблица 3. Состояние и значение элементов индикации

По глубине, высоте и ширине эта группа продукции соответствует источникам питания семейства HDR, гарантийный срок эксплуатации составляет 3 года.

DLP-04R(L) – источник питания для шины DALI (управление освещением)

В автоматизации зданий и сооружений для интеллектуального управления освещением используется шина (цифровой протокол) DALI (Digital Addressable Lighting Interface), которой также необходим собственный источник питания с определенными параметрами.

Для шины DALI в линейке продукции MEAN WELL имеется источник питания в двух конструктивных вариантах исполнения на DIN-рейку (DLP-04R) и на шасси (DLP-04L) (рисунок 5, таблица 4). Типовой вариант схемы подключения источника питания к шине DALI с внешними устройствами приведен на рисунке 6.

Рис. 5. Источники питания для шины DALI (DLP-04R и DLP-04L)

Таблица 4. Основные технические параметры источников питания для шины DALI

Блок питания рассчитан на выходной ток до 240 мА. Интерфейс управления DALI обычно потребляет порядка 2 мА; учитывая, что на одной шине может быть до 64 модулей, общий ток составит 128 мА. Оставшимися 240-128=112 мА при необходимости можно запитать некоторые элементы управления шины, не имеющие внутреннего источника питания.

Рис. 6. Схема подключения ИП DLP-04R(L) к шине DALI

По габаритным размерам DLP-04R полностью соответствует источникам питания семейства HDR; гарантийный срок эксплуатации также составляет 3 года.

Об унификации управления

На современном этапе в системе умного дома удобно для управления как различными устройствами, так и освещением использовать одну и ту же шину – KNX, а не прокладывать две линии: KNX для исполнительных устройств, DALI для освещения. Но использование линии KNX для управления освещением сдерживается отсутствием достаточного выбора LED-драйверов, которые могут управляться непосредственно по указанному протоколу. Напротив, имеется широкий выбор LED-драйверов, управляемых по протоколу DALI или по интерфейсу 0-10 В, ШИМ. При желании сделать управление освещением по шине KNX на LED-драйверах, управляемых по DALI или интерфейсу 0-10 В, ШИМ, требуются соответствующие преобразователи протоколов по количеству LED-драйверов, что удорожает систему освещения.

Чтобы можно было элегантно решить эту проблему, компания MEAN WELL имеет в линейке продукции LED-драйверы, управляемые по протоколу KNX. Это три серии драйверов LCM-25KN, LCM-40KN и LCM-60KN на мощность 25, 40 и 60 Вт, соответственно (рисунок 7). Драйверы отвечают всем необходимым требованиям к продукции такого рода (наличие коррекции коэффициента мощности и крайне низкий уровень пульсаций (Flicker Free), димминг). Начальный выходной ток можно выбирать с помощью DIP-переключателя. Используя эти LED-драйверы, можно легко и без дополнительных затрат построить систему освещения, используя только одну линию KNX. Кстати, подобные драйверы есть и для шины DALI (LCM-25DA, LCM-40DA, LCM-60DA), DALI-2 (LCM-25DA2, LCM-40DA2, LCM-60DA2), и для управления по интерфейсу 0-10 В, ШИМ (LCM-25, LCM-40, LCM-60). Кроме того, совсем недавно компания выпустила модель с функцией Tunable White LCM-40TW с управлением по шине DALI.

Рис. 7. LED-драйверы семейства LCM (внешний вид)

Дополнительные модули для управления по KNX/DALI и повышения качества питающего напряжения

Мы рассмотрели определенную группу продукции для домашней автоматизации, для шин KNX и DALI, которая, по сути, является источниками питания, и частично сказали о LED-драйверах, которые тоже относятся к источникам питания. Но продукция MEAN WELL для данного применения не ограничивается только источниками питаниями. Ввиду малого объема статьи мы не будем рассматривать дополнительные элементы для интеллектуального управления: актуаторы (исполнительные устройства), шлюзы, роутеры, изоляторы между шинами, контроллеры и преобразователи интерфейсов (KNX/DALI) и другую подобную продукцию. С этими изделиями можно ознакомиться на сайте производителя.

Рассматривая импульсные источники питания, нельзя не коснуться такого параметра как пусковой ток (Inrush Current). Импульсные источники питания хороши всем, но их недостаток – повышенный пусковой ток при включении. Это связано с зарядом емкости, установленной после выпрямительного моста. Значение этого тока может достигать 40…70 А. Его стараются ограничить различными способами, но он все равно остается высоким. Длительность импульса этого тока весьма коротка (несколько сотен микросекунд), и если включается один источник питания, большой проблемы импульс не представляет. Но если одновременно включается группа источников питания, может сработать автоматический выключатель. Придется выбирать автомат с большей кратностью тока – а это может привести к его несрабатыванию при КЗ или перегрузки в линии. Конечно, есть специальные источники питания, где проблема пускового тока решена, но они редки и дороги.

MEAN WELL предлагает другое, простое решение этого вопроса: использовать имеющиеся недорогие источники питания, а пусковой ток ограничить дополнительным устройством ICL-16R(L) или ICL-28R(L). Указанные модули ограничивают пусковой ток на приемлемом уровне, и на них можно повесить большую группу источников питания. Проблемы, связанные с пусковым током и с отключением автомата, можно решить, применив рассмотренные модули (рисунок 8, таблица 5).

Рис. 8. Ограничители пускового тока ICL-16R(L)

Ограничители пускового тока выпускаются в двух конструктивных вариантах: монтаж на DIN-рейку (окончание наименования R) и монтаж на шасси (окончание L), и на разный номинальный рабочий ток: 16 и 28 А.

Устройство содержит ограничительный резистор, реле и схему контроля (рисунок 9). При включении нагрузки в сеть в первый момент ток ограничивается резистором R, по мере заряда емкости в блоке питания происходит замыкание контактов реле (Relay), и в дальнейшем нагрузка питается через контакты этого реле.

Типовая схема включения ограничителя пускового тока к группе источников питания показана на рисунке 10. Температурный диапазон использования этой группы продукции составляет -30…70℃, а гарантийный срок – 3 года.

Рис. 9. Блок-схема ограничителя пускового тока ICL-16/28

Рис. 10. Типовая схема включения ограничителя пускового тока ICL-16/28

Таблица 5. Основные технические параметры ограничителей пускового тока

Как рассчитать максимальное количество источников питания, которое можно подключить к одному ограничителю тока?

Рассмотрим это на примере ICL-16. Как видно из таблицы, максимальный непрерывный ток выбранной модели имеет значение 16 А, а максимальное значение емкости нагрузки составляет 2500 мкФ. Пусть у нас имеется некоторая группа источников питания HDR-100. В даташите на этот источник находим параметр AC Current (Typ.), который имеет значение 1,6 А/230 В.

Находим отношение 16/1,6 = 10. Таким образом, получается, что можно подключить группу из десяти HDR-100.

Но есть еще и ограничение по максимальной емкости (не более 2500 мкФ). Как узнать, конденсатор какой емкости установлен в HDR-100? Это можно узнать из таблицы 1, а для других моделей следует зайти на сайт производителя (см. ссылку выше), выбрать искомую модель источника питания и открыть даташит. Находясь на странице отрытого даташита, кликнуть вверху закладку Report и открыть соответствующий выбранной модели документ (Test Report). В таблице в разделе Component Stress Test найти Input Capacitor и определить его значение. В данном случае это будет 180 мкФ/420 В.

Таким образом, в нашем случае имеется только ограничение по потребляемому току, поскольку 10 шт х180 мкФ =1800 мкФ меньше, чем допустимая емкость 2500 мкФ.

Если бы емкость этого конденсатора оказалась бы более 250 мкФ, максимальное число источников питания в группе ограничивалось бы именно параметром емкости.

Данные ограничители пускового тока можно использовать и с источниками питания других производителей.

Ограничители пускового тока, монтируемые на DIN-рейку, имеют точно такие же размеры, как и источники питания семейства HDR.

Заключение

Различные группы продукции MEAN WELL для автоматизации зданий и сооружений, выполненные в одном форм-факторе (на DIN-рейку), обладают одинаковыми или близкими размерами по глубине и высоте, а по ширине имеют кратность в 1SU, что позволяет собирать безопасные и эргономичные щитки управления.

Продукция MEAN WELL давно присутствует на российском рынке и подтвердила свое качество и надежность. Большой спектр продукции (источники питания, дополнительные модули, компоненты для управления по интерфейсам KNX и DALI) позволяет обеспечить надежное и качественное питание ответственных приложений бытового и промышленного сегментов.