Программируем электропитание: источники питания от TDK-Lambda

8 апреля 2014

Промышленная и научно-лабораторная электроника нуждается не просто в энергообеспечении, а в возможности точно регулировать питание различных устройств. В то же время современная тенденция объединения отдельных узлов в одну систему ведет к необходимости центрального дистанционного управления для любого такого устройства. Поэтому к источникам вторичного электропитания предъявляются особые требования. Статья освещает всю существующую на данный момент линейку программуемых источников питания известной компании TDK-Lambda.

Управляемые источники питания компания TDK-Lambda выпускает с 2001 года. Все началось с линейки ZUP, созданной силами инженеров израильского подразделения компании. Они представляют собой импульсные источники питания с высокой точностью установки выходных значений тока и напряжения.

Рис. 1. Программируемые источники питания серии ZUP производства компании TDK-Lambda

Рис. 1. Программируемые источники питания серии ZUP производства компании TDK-Lambda

Рис. 2. Использование модулей ZUP36-12 в аэрокосмическом приборостроении

Рис. 2. Использование модулей ZUP36-12
в аэрокосмическом приборостроении

Серия ZUP (от Zero Up) включает модели мощностью 200…800 Вт с выходными напряжениями в диапазонах от 0…6 В до 0…120 В (рисунок 1). Модули ZUP имеют широкий входной диапазон 85…265 В, значения выходных параметров можно задавать как непосредственно с передней панели, так и дистанционно через аналоговый RS-232 или GPIB-интерфейс. Модули имеют ЖК-индикаторы текущих показаний тока и напряжения, что дает возможность контролировать выдаваемые параметры не только программно, но и визуально. Также имеется целый ряд дополнительных функций, таких как защита, запоминание последних настроек, возможность параллельной работы, внешняя обратная связь и другие. Ширина корпуса составляет 70 мм и позволяет установить в стандартной 19-дюймовой ширине до шести источников, что делает применение блоков незаменимым в системах, где нужно независимо управлять большим количеством выходов. Например, в одном из проектов аэрокосмической промышленности Израиля в одной 24-дюймовой стойке установлены 82 модуля ZUP36-12, управляемых через центральный компьютер (рисунок 2).

Затем в 2002-м году на основе ИП ZUP были созданы первые модули более мощной серии Genesys. С этого момента линейка развивалась и совершенствовалась, пополняясь моделями с более высокими показателями удельной мощности. На сегодняшний день серия представлена устройствами с номиналами мощностей 750 Вт, 1500 Вт, 2400 Вт, 3300 Вт, 5 кВт, 10 кВт и 15 кВт (рисунок 3).

Рис. 3. Программируемые источники питания серии Genesys

Рис. 3. Программируемые источники питания серии Genesys

В каждой из этих подгрупп представлено более десятка моделей. Например, в таблице 1 показано разнообразие моделей номинала 1500 Вт.

Таким образом, линейка Genesys включает в себя 94 модели. Все они имеют идентичный принцип управления и одинаковые функции, которые можно описать следующими пунктами:

  • Значения выходных напряжения и тока постоянно отображаются на передней панели, а светодиодные индикаторы дают исчерпывающую информацию о рабочем состоянии источника питания.
  • Два режима работы: режим стабилизации напряжения (CV) и режим стабилизации тока (CC), которые выбираются автоматически, в зависимости от установленных настроек и значения тока нагрузки.
  • Кроме настроек через переднюю панель, возможно программирование через встроенный последовательный интерфейс RS-232/485, а также аналоговое программирование/мониторинг (4…20 мА; 0…5 В или 0…10 В, выбирается пользователем). Последовательный порт позволяет осуществить соединение Multidrop и работать с 31 источником посредством одного компьютера.
  • Возможность установки опциональных интерфейсов GPIB или LAN, а также интерфейса для изолированного аналогового программирования/мониторинга.
  • Использование 16-битных цифровых инкодеров, позволяющее достичь высокой точности программирования/обратного считывания, а также резолюции уставок.
  • Возможность соединения источников для параллельной работы в режиме «ведущий/ведомый» с активным перераспределением тока.
  • Автоматическая регулировка скорости охлаждающего вентилятора для снижения шума и увеличения срока работы вентилятора.
  • Отсутствие вентиляционных отверстий на верхней и нижней поверхностях источника питания, что позволяет осуществлять монтаж корпусов вплотную друг к другу без зазоров.
  • Возможность блокировки передней панели, а также запоминание последних параметров настройки, устанавливающих прибор в прежний режим при последующих включениях.
  • Возможность компенсации падения напряжения на нагрузке благодаря имеющимся выводам удаленной обратной связи (Remote Sense).

Таблица 1. Линейный ряд и параметры программируемых источниковGENESYS мощностью 1500 Вт

Наименование Диапазон регулирования вых. напряжения, В Диапазон регулирования вых. тока, А Номинальная выходная мощность, Вт
GEN-6-100 0…6 0…200 1200
GEN-8-90 0…8 0…180 1440
GEN-12.5-60 0…12.5 0…120 1500
GEN-20-38 0…20 0…76 1520
GEN-30-25 0…30 0…50 1500
GEN-40-19 0…40 0…38 1520
GEN-60-12.5 0…60 0…25 1500
GEN-80-9.5 0…80 0…19 1520
GEN-100-7.5 0…100 0…15 1500
GEN-150-5 0…150 0…10 1500
GEN-300-2.5 0…300 0…5 1500
GEN-600-1.3 0…600 0…2.6 1560

 

Источники ZUP и Genesys, кроме управления с передней панели, имеют возможность управления через ряд интерфейсов, что обуславливает их частое и удобное применение в автоматизированных системах контроля, с внешним управляющим компьютером или контроллером. При этом источники могут выдавать различные уровни и формы сигналов.

Например, в автомобильной промышленности возникает задача симулировать напряжение аккумуляторной батареи при запуске двигателя или симулировать импульсы напряжения для проверки работоспособности автозамков. Здесь имеются сложности при обеспечении резких спадов напряжения. Также проблематично применение источников с активными нагрузками, такими как двигатели постоянного тока или ШИМ-управляемые двигатели, которые превращаются в источник энергии, когда двигатель переходит в режим торможения.

Понимание специфики таких применений дало начало разработке новой дополнительной функции: в 2010 году компания TDK-Lambda представила модели серии Genesys с опцией Power Sink, предназначение которой мы сейчас рассмотрим.

Что происходит при торможении обычного коллекторного двигателя постоянного тока или двигателя, управляемого с помощью ШИМ-контроллера? В обмотке якоря вырабатывается ЭДС, она превращается в источник энергии, ток начинает течь в обратном направлении, т.е. к источнику. При этом, напряжение на выходах, подключенных к источнику питания, повышается и ведет себя непредсказуемо.

Рис. 4. Напряжение при смене направления тока без модуля Power Sink: вверху – осциллограмма напряжения; внизу – осциллограмма тока

Рис. 4. Напряжение при смене направления тока без модуля Power Sink: вверху – осциллограмма напряжения; внизу – осциллограмма тока

На осцилограмме (рисунок 4) видно, что в момент рекуперации энергии (при пересечении линией тока отметки маркера «0 А») напряжение начинает расти, и эти пульсации могут достигать 5…10 В в зависимости от значения обратного тока, сопротивления выходной цепи источника и динамических критериев всей системы. При этом, поведение источника предсказать трудно: возможно и срабатывание защит, и выход из строя источника питания вследствие перегорания элементов выходных цепей, т.к. перенапряжения длятся относительно долго.

При включении в работу схемы «Power Sink», нестабильности параметров при переходных процессах значительно сглаживаются, и в том же масштабе шкалы кривая напряжения выглядит почти как прямая. В развернутом масштабе 0.1 В на деление, такие осциллограммы приведены на рисунке 5. Это – скриншоты для двух разных моделей Genesys. Для модели GEN12.5-120, при выходном напряжении 6 В и обратном токе -15 А, амплитуда основного отклонения рабочего напряжения составляет 130 мВ, а для модели GEN20-75, при выходном напряжении 12.5 В и обратном токе -10 А, нестабильность рабочего напряжения достигает 220 мВ.

Рис. 5. Напряжение при смене направления тока с работающим модулем Power Sink для двух разных моделей GENESYS: вверху – осциллограмма тока; внизу – осциллограмма напряжения

Рис. 5. Напряжение при смене направления тока с работающим модулем Power Sink для двух разных моделей GENESYS: вверху – осциллограмма тока; внизу – осциллограмма напряжения

Теперь возьмем случай, когда необходимо реализовать кривую напряжения со спадом в пределах нескольких миллисекунд. Если источник нагружен хотя бы на 30%, то спада до нулевого напряжения можно достигнуть за 4…10 мс. Но при ненагруженном или незначительно нагруженном выходе достичь этого невозможно, т.к. для разрядки энергии, накопленной в выходных конденсаторах, требуется намного больше времени. Так как блок Power Sink работает как своего рода нагрузка на выходе источника питания, то он полезен и в решении данной проблемы. Посмотрим это на примере модели GEN20-76. При отсутствии нагрузки снижение напряжения от номинального (20 В) до нулевого происходит за 470 мс (рисунок 6).

Рис. 6. Кривая снижения напряжения без модуля Power Sink: время установки нулевого напряжения – 469 мс

Рис. 6. Кривая снижения напряжения без модуля Power Sink: время установки нулевого напряжения – 469 мс

Рис. 7. Кривая снижения напряжения с работающим модулем Power Sink: время установки нулевого напряжения – 2,9 мс

Рис. 7. Кривая снижения напряжения с работающим модулем Power Sink: время установки нулевого напряжения – 2,9 мс

 

Если команду на снижение напряжения получает источник со встроенной опцией Power Sink, модуль сразу распознает, что заданное напряжение ниже, чем выходное, и начинает работать, пропуская через себя ток. Как видно из рисунка 7, при этом можно сбросить напряжение до нуля за время равное 2.9 мс.

Рис. 8. Внешний вид платы Power Sink

Рис. 8. Внешний вид платы Power Sink

Что собой представляет эта опция и как она реализована? Это дополнительная плата, установленная внутри корпуса источника питания. Т.е. внешне Genesys никак не изменился. Функционально плата представляет собой устройство, способное рассеивать энергию, поступающую от нагрузки в обратном направлении. Основные элементы, как можно видеть на рисунке 8, – это каскад параллельно работающих MOSFET-транзисторов. Конечно, для согласованной работы платы существует много дополнительных цепей. О них и об особенностях работы опции Power Sink можно больше узнать в статье, размещенной на сайте компании по адресу: www.tdk-lambda.ru, раздел «Библиотека Данных/Технические Статьи».

Начав применение новой опции с одной модели, в данный момент компания устанавливает Power Sink уже на 10 моделях Genesys мощностью 750 Вт и 1500 Вт, они указаны в таблице 2.

Таблица 2. Доступные модели GENESYS с опцией Power Sink

Мощность, Вт Наименование
750 GEN12.5-60 GEN20-38 GEN30-25 GEN40-19 GEN60-12.5
1500 GEN12.5-120 GEN20-76 GEN30-50 GEN40-38 GEN60-25

 

Внедрение новой опции расширяет границы применения линейки программируемых источников Genesys, и, прежде всего, – в промышленности. Дополнительная плата Power Sink позволяет более гибко интегрировать эту серию в системы управления электроприводами постоянного тока, автоматические системы контроля (предназначенные для испытания конденсаторов, батарей, автомобильных силовых приводов стеклоподъемников, сидений и т.д.), а также в измерительные комплексы, где управление выходными параметрами при этом становится менее зависимым от характера, поведения и номинала питаемой нагрузки.

В 2011-2012 гг. компанией представлено новое семейство усовершенствованных источников Z+, которые позволяют воспроизводить и хранить в памяти произвольные формы тока и напряжения даже без участия внешнего устройства. На этой и других особенностях новой серии мы остановимся подробнее.

Рис. 9. Внешний вид программируемого источника питания серии Z+

Рис. 9. Внешний вид программируемого источника питания серии Z+

Прежде всего, усовершенствование коснулось внешнего вида – новые источники в 1.5…2 раза компактнее и легче своих предшественников при той же выходной мощности. Кнопки управления передней панели имеют светодиодную самоподсветку, а управление внешними сигналами теперь осуществляется отдельными рукоятками-энкодерами тока и напряжения, что намного удобнее пользователю (рисунок 9).

Линейка содержит модели четырех номиналов мощностей (200…800 Вт), каждый из которых имеет восемь номиналов напряжений (таблица 3).Таким образом, можно осуществить выбор из тридцати двух моделей, а максимально возможное напряжение составляет 650 В, что выше, чем у семейства Genesys.

В отличие от предыдущих семейств, все настройки источника Z+ задаются с помощью системы настроечных меню. Существует три основных меню: главное меню, меню связи и меню защит. Вход в эти меню настроек при ручном управлении осуществляется при помощи клавиш передней панели «Menu», «Rem», «Prot» (их можно увидеть на рисунке 2). Затем в каждом из разделов с помощью энкодеров двойного действия выбирается нужный подраздел и осуществляется выбор и подтверждение ввода значений настроек.

Таблица 3. Линейный ряд моделей программируемых источников Z+

Номинал
напряжения, В
Номинал мощности
200 Вт 400 Вт 600 Вт 800 Вт
0…10 Z10-20 Z10-40 Z10-60 Z10-75
0…20 Z20-10 Z20-20 Z20-30 Z20-40
0…36 Z36-6 Z36-12 Z36-18 Z36-24
0…60 Z60-3.5 Z60-7 Z60-10 Z60-14
0…100 Z100-2 Z100-2 Z100-2 Z100-2
0…160 Z160-1.3 Z160-2.6 Z160-4 Z160-5
0…320 Z320-0.65 Z320-1.3 Z320-2 Z320-2.5
0…650 Z650-0.32 Z650-0.64 Z650-1 Z650-1.25

 

Главное меню позволяет выбирать вид управления (местное или удаленное); осуществлять выбор ячеек памяти; выбирать логику аналоговых сигналов и их задержки; настраивать режим параллельной работы, а также работу с входными и выходными триггерами при задании произвольных форм сигнала. Меню связи предназначено для выбора вида активного интерфейса, задания порядкового адреса источника, установки скорости обмена данными, установки IP-адреса и MAC-адреса при работе с LAN-интерфейсом, а также выбора языка программирования. Меню защит позволяет установить уровень защит по перенапряжению, установить или отключить защиту типа Foldback (отключение выхода при достижении границы установленного тока или напряжения), установить уровень защиты по низкому напряжению, а также значения задержек срабатывания защиты по низкому напряжению и защиты Foldback.

Рис. 10. Вид задней панели модуля серии Z+

Рис. 10. Вид задней панели модуля серии Z+

На задней панели (рисунок 10) размещаются входной коннектор переменного напряжения типа IEC320-16, выходные шины постоянного тока, коннектор интерфейса USB, коннектор последовательного интерфейса RS-232/485 или RS-485, аналоговые выводы выносной обратной связи, выводы для аналогового управления и мониторинга, а также изолированные от выходных потенциалов аналоговые выводы. К ним относятся выводы включения/выключения выхода, выводы индикации рабочего состояния источника, выводы входного и выходного триггера и выводы управления дополнительными внешними устройствами. Перечисленные функции и интерфейсы в новой линейке являются встроенными, в том числе интерфейс USB. Кроме этого, возможны дополнительные интерфейсы: GPIB, сетевой интерфейс LAN, изолированный аналоговый интерфейс.

Одной из главных отличительных особенностей является возможность задания произвольных форм выходных сигналов напряжения и тока.

Это могут быть одноступенчатые (рисунок 11а), многоступенчатые (рисунок 11б) функции и формы с произвольным линейным наклоном (рисунок 11в).

Рис. 11. Возможность задания произвольных функций: одноступенчатых (а), многоступенчатых (б), с произвольным линейным наклоном (в)

Рис. 11. Возможность задания произвольных функций: одноступенчатых (а), многоступенчатых (б), с произвольным линейным наклоном (в)

Настройки задания таких функций могут осуществляться программно с помощью различных графических интерфейсов, таких как Z+ Control или Z+ Wave Form Creator, разработанных производителем и доступных на CD-носителе или через запрос по адресу: info@tdk-lambda.ru. Принцип задания остается тем же – создается последовательный список значений тока или напряжения, соответствующих точкам изменения их уровня, а также список временных значений, соответствующих необходимому времени задержки сигнала на одном уровне или времени перехода на следующий уровень. Также возможна установка дополнительных параметров, например, параметра количества циклов, который дает возможность повторения одной функции необходимое количество раз (на рисунке 11в этот параметр равен 2).

Настройки любой заданной формы можно занести в память и вывести в дальнейшем без необходимости повторного задания всех параметров и списков. Для этого отведены четыре ячейки памяти. Еще более удобную работу с модулем обеспечивают четыре других ячейки памяти, которые предусматривают сохранение общих настроек модуля, таких как защита по перенапряжению, управление по определенному интерфейсу, значения выходного напряжения или тока, режим перезапуска и другие параметры.

Говоря о задании формы сигнала, важно упомянуть еще одно преимущество новой серии: время исполнения команды на снижение уровня выходного напряжения уменьшилось почти в восемь раз. Например, для сброса напряжения с 60 В до нуля, источнику ZUP60-7 требовалось 750 мс, тогда как новому Z60-7 – всего 100 мс. Это стало возможным благодаря тому, что в схеме Z+ дополнительная нагрузочная плата (preload) способна работать в пиковом режиме. Она также снабжена цифровой защитой, которая отключает схему по истечении допустимой продолжительности работы в пиковом режиме.

Новая разработка снабжена микропроцессором, работающим на частоте 72 МГц, и обладает максимально быстрым временем обмена данными 57600 бод/с (серия ZUP имеет 33 МГц микропроцессор со скоростью обмена 9600 бод/с). За счет этого среднее время исполнения команд уменьшилось в два раза.

Благодаря существующим драйверам Z+ совместимы друг с другом и легко управляются через платформу Lab-View. В сочетании с быстрой исполнительностью команд, это дает возможность симулировать различные формы напряжений при процессах тестирования в промышленности, что представлено на рисунке 12.

Рис. 12. Примеры реализации используемых в промышленности функций с помощью Z+

Рис. 12. Примеры реализации используемых в промышленности функций с помощью Z+

С помощью функции мультисоединения один цифровой контроллер (например, обычный персональный компьютер) может управлять источниками, количество которых может достигать 31, соединенными в гирляндную схему. При этом главный блок может управляться через любой цифровой интерфейс – USB, LAN, RS-485 или RS-232, а обмен данными между остальными будет происходить по интерфейсу RS-485.

Аналоговый интерфейс позволяет реализовать дистанционное управление через аналоговые сигналы амплитудой 0…5 или 0…10 В по выбору пользователя, а также – считывать значения напряжения и тока в этих диапазонах.

Еще одну новую возможность дает пара дополнительных выводов на коннекторе аналогового разъема. Эти выводы представляют собой выход MOSFET-транзистора, открытием и закрытием которого можно управлять через меню источника. Таким образом, если подключить к этим выводам реле или другое внешнее устройство, то его питанием можно управлять, осуществляя коммутацию дополнительных цепей (например, схемы реверса полярности питания нагрузки).

Как и в случае предыдущей серии, источники Z+ можно включать в режиме параллельной работы и тем самым увеличивать выходную мощность. В такой конфигурации один источник работает как ведущий (Master), а остальные – как ведомые (Slave). При установке значений устанавливается необходимое напряжение, а значение требуемого тока делится на количество модулей. При этом ведущий работает в режиме постоянного напряжения, а ведомый, управляемый от «мастера» по значению выходного тока – в режиме постоянного тока. Но в новой серии возможна усовершенствованная конфигурация «Master – Slave», при которой на ведущем модуле дисплей будет показывать общее напряжение и ток всей системы. При настройке в память ведущего модуля кроме параметров напряжения и тока вводится количество всех блоков (их максимальное количество в этом режиме – шесть), а в меню ведомых модулей вводятся настройка «Slave». При этом они переходят в режим блокировки и дистанционного аналогового управления, так что ошибочно сбить настройки системы с передней панели будет невозможно. А при включении-выключении питания настройки сохраняются в памяти благодаря функции Last Settings Memory, и система продолжит работу в параллельной конфигурации.

Доступны различные варианты исполнений: источник Z+ можно заказать с выходными клеммами на передней панели; при необходимости источники можно заказать в стойке для удобного монтажа в 19-дюймовых шкафах (включает шесть обычных модулей или четыре модуля в исполнении с передними клеммами); также их можно заказать в специальных стойках шириной 9,5 дюймов (три обычных модуля или два модуля в исполнении с передними клеммами). В последнем случае стойка для удобства переноски комплектуется рукояткой. Варианты исполнений показаны на рисунке 13.

Рис. 13. Различные варианты исполнений и монтажа в стойках источников Z+: а) обычная конфигурация; б) в исполнении с передними выходными клеммами

Рис. 13. Различные варианты исполнений и монтажа в стойках источников Z+: а) обычная конфигурация; б) в исполнении с передними выходными клеммами

Как составить коды для заказа модели необходимой конфигурации, можно узнать из каталога или на сайте: http://www.tdk-lambda.ru в разделе программируемых источников питания.

 

Заключение

Сочетая все описанные выше функции, программируемые источники производства компании TDK-Lambda являются очень мощным и гибким инструментом, предназначенным для обеспечения питанием сложных промышленных процессов металлонапыления, катодной защиты, управления магнитными полями. Они также успешно интегрируются в автоматизированные системы тестирования таких отраслей как авиастроение, автомобилестроение, связь, медицина, производство полупроводников. Серии Genesys и Z+ имеют гарантию 5 лет, а линейка ZUP поставляется с трехлетней гарантией. Все программируемые источники производства TDK-Lambda отвечают стандартам EN55022-В, FCC-В по кондуктивной и излучаемой электромагнитной совместимости, одобрены по стандартам безопасности UL/EN/IEC 61010-1, а также утверждены (за исключением Z+) как средства измерения в Госреестре РФ.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TDK_Lamda_Z_NE_04_14_opt

•••

Наши информационные каналы

О компании TDK-Lambda

TDK-Lambda – один из крупнейших мировых лидеров в проектировании и производстве высоконадежных источников питания различного назначения: для измерительного и испытательного оборудования, промышленной автоматики, телекоммуникаций, обработки данных и т.д. Компания выпускает: AC/DC-преобразователи мощностью от 5 Вт до 5 кВт DC/DC-преобразователи для монтажа на печатную плату и на шасси мощностью от 1.5 Вт до 1 кВт Программируемые источники питания мощностью от 200 Вт до 90 кВт Высо ...читать далее