EN
Základné elektrické a environmentálne požiadavky na priemyselné regulátory napätia
Priemyselné regulátory napätia musia udržiavať presnú reguláciu výstupného napätia napriek kolísaniu, napríklad pri 24 V DC zberniciach, ktoré klesnú na 18 V alebo stúpnu na 36 V. Dôležitými elektrickými parametrami sú:
Vstupný/výstupný rozsah: Trvalá presnosť výstupného napätia ±1 % v rámci celého priemyselného vstupného rozsahu
Poklesové napätie: Rozdiel 0,3 V pre LDO, aby sa zabránilo kolapsu spôsobenému poklesom napätia za podmienok nízkeho vstupného napätia
PSRR (pomer potlačenia napájania): >70 dB pri 100 kHz na potlačenie šumov spôsobených prepínaním v analógových moduloch PLC a na zachovanie integrity signálov na úrovni mikrovoltov v obvodoch spätnej väzby pohonných systémov, čo môže viesť k chybám krútiaceho momentu spôsobeným vlnitosťou v systémoch riadenia pohybu.
Tepelný výkon a účinnosť pri plnom zaťažení v náročných prostrediach
Správa tepla sa stáva kritickou pre životnosť zariadení pri približne 85 °C. Tradičné lineárne regulátory premieňajú nadbytočné napätie na teplo, čím sa stráca energia. Napríklad prevod 12 V na 3,3 V pri prúde 2 A vyžaduje výkon 17 W. Už len samotné teplo núti inžinierov navrhovať veľké chladiče a znížiť prevádzkové parametre súčiastok pod ich maximálne hodnoty. Prepínacie regulátory sú iné: väčšina moderných konštrukcií pravidelne dosahuje účinnosť vyššiu ako 90 %, čím sa straty pri rovnakom zaťažení znížia na menej ako 2 W.
Pokles teploty o 10 °C môže takmer zdvojnásobiť životnosť komponentov pred ich poruchou. Preto sa pri vážnych inštaláciách vykonávajú zaťažovacie testy pomocou infračervených kamier na kontrolu tepelných problémov, najmä v prípade zariadení umiestnených v tesných priestoroch alebo v horúcom prostredí.
Overenie spoľahlivosti: MTBF, derating a zhoda s rozšíreným teplotným rozsahom (–40 °C až +105 °C+)
Skutočne priemyselný výkon vyžaduje, aby bolo overenie spoľahlivosti prísnejšie ako špecifikácie uvedené v technickom liste:
MTBF > 1 milión hodín pri 105 °C, overené prostredníctvom zrýchleného životnostného testovania podľa štandardov Telcordia SR-332 alebo JEDEC JESD22-A108
Strategický derating komponentov: kondenzátory pri 80 % menovitého napätia, MOSFETy pri ≤ 75 % VDS a tepelné bezpečnostné medzery > 20 °C pod maximálnymi medznými teplotami prepnutia
Rozšírené cyklování teploty: 1000-hodinová prevádzková validácia v rozsahu od –40 °C do +105 °C (alebo vyššie, ak je špecifikované), v súlade so štandardmi IEC 60068-2-14 (teplotný šok), IEC 60068-2-6 (vibrácie) a IEC 60068-2-30 (vlhkosť) na zabezpečenie spoľahlivosti v liatňach, vonkajších rozvodniach alebo nevykurovaných skladoch
Výber medzi lineárnym a prepínaným napäťovým regulátorom pre priemyselné aplikácie
Citlivosť na šum a EMI v signálových reťazcoch PLC, HMI a senzorov
Priemyselné riadiace systémy, najmä PLC, HMI a analógové senzorové pripojenia, ktoré všetko riadia, potrebujú na správne fungovanie veľmi čistý napájací zdroj. Regulátor s nízkym úbytkom napätia (LDO) je vynikajúcou voľbou vzhľadom na svoju vysokú pomerovú odolnosť voči napájaciemu napätiu (PSRR), ktorá presahuje 60 dB, a extrémne nízke elektromagnetické rušenie (EMI). To ich robí vynikajúcimi na ochranu integrity prúdových slučiek 4 až 20 mA a na napájanie zosilňovacích obvodov s vysokým zosilnením, ktoré sa ľahko porušia pri nekvalitnom napájaní. Spínacie regulátory sú iným prípadom. Robia totiž opak: generujú širokopásmové rušenie, ktoré sa môže prenášať do signálových vodičov a ovplyvniť merania na úrovni milivoltov.
Samozrejme, inžinieri majú možnosť filtrovať a stínovať určité podsystémy, avšak to zvyšuje náklady, spotrebuje cenný priestor na DPS a vyžaduje zložitejšie návrhy. Pri podsystémoch, ako sú analógové vstupné/výstupné moduly a rozhrania pre enkodery, ktoré pracujú s prúdmi nižšími ako 5 A, väčšina návrhárov uprednostňuje použitie LDO regulátorov, aj keď existujú účinnejšie alternatívy. Pre kritické aplikácie je kompromisom integrita signálu.
Keď ide o LDO regulátory vs. krokové prevodníky
V mnohých prípadoch sú lineárne regulátory výhodné len obmedzene kvôli teplu, ktoré sa vytvára pri znížení napätia. Napríklad lineárny prevodník, ktorý prevedie 24 voltov na 3,3 voltu pri prúde 2 A, dosahuje účinnosť len 14 %. To znamená, že viac ako 85 % vstupnej energie sa stratí vo forme tepla. Toto je problém v prípadoch, keď je priestor obmedzený a okolitá teplota vysoká. Inžinieri musia preto použiť veľké chladiče a chladiace ventilátory alebo obmedziť výkon systému, aby sa lineárne regulátory udržali v bezpečných teplotných limitoch. Tieto kompromisné riešenia zvyšujú pravdepodobnosť poruchy systému a postupne zvyšujú náklady na údržbu. Lepšou alternatívou je prepínací regulátor, ktorý efektívne premiestňuje energiu pomocou modulácie šírky impulzov a induktorov. Dokáže dosiahnuť účinnosť 85 % až 95 % aj pri veľkých zaťaženiach do 20 A. Malý tepelný podpis prepínacích regulátorov umožňuje kompaktné a malé konštrukcie bez potreby chladiacich ventilátorov. Sú ideálne pre roboty, riadiace jednotky motorov a priemyselné riadiace systémy. Nižšie uvedená tabuľka porovnáva lineárne regulátory s prepínacími regulátormi.
Regulátory LDO a klesajúce meniče
V podsystemoch s vysokým prúdom, ako sú záložné UPS alebo riadiace napätia servopohonov, je dodatočná zložitosť potlačenia EMI viac než odôvodnená lepším pomerom účinnosti ku veľkosti klesajúcich meničov v kombinácii so zabudovaným rozšíreným spektrálnym hodinovým signálom a optimalizovanými usporiadami na doske.
Majte prosím na pamäti, že musíte zabezpečiť, aby bol napäťový regulátor vhodný pre použitie s priemyselnými profiľmi zaťaženia.
Robotika, pohony motorov a UPS systémy zvyčajne majú profily zaťaženia s nárazovými prúdmi a prechodnými zaťaženiami, ktoré je potrebné riadiť.
Moderné priemyselné odvetvia s automatizáciou majú priemyselné zaťažovacie profily s výraznými kolískami pri pohyblivých robotických ramenách, servopohonných zariadeniach a systémoch záložného napájania, čo všetko spôsobuje vážne dynamické zaťaženie. Pri štarte strojov sa odoberá prúd približne 10 až dokonca 20-násobne vyšší ako bežný prevádzkový prúd. Predstavte si napájanie náhlych zmen smeru pohybu, zariadení a rýchleho prepojenia striedavého prúdu na jednosmerný prúd. Inštalácia regulátorov napätia prispôsobených bežným prevádzkovým podmienkam spôsobuje mechanické a elektrické rázy, ktorým regulátor nie je navrhnutý na odolanie, čo vedie k hlavnej výzve – správnemu výberu komponentov pre dané prevádzkové podmienky.
Špičkový prúd <. Čas odpovede < 50 μs na obnovu prechodných javov v rámci tolerancie ±2 %, aby sa zabránilo resetovaniu mikrokontroléra a poškodeniu dát. Ochrana proti preťaženiu prúdom sa uprednostňuje v režime Hiccup (samozotvorenie) namiesto uzamknutia (latch-off), najmä v systémoch kritických pre splnenie úlohy, aby sa predišlo potrebe manuálneho zásahu.
Nedostatočné zohľadnenie dynamiky zaťaženia vedie k predčasnému tepelnému vypnutiu, skráteniu životnosti kondenzátorov a uzamknutiu pri nízkom napätí, čo všetko negatívne ovplyvňuje dostupnosť systému a zvyšuje celkové náklady na vlastníctvo.
Existuje mnoho výziev spojených s kolískami v elektrickej sieti, ako napríklad pokles výkonu pod 80 % prevádzkovej hranice, preťaženia s napätím presahujúcim 140 % menovitého výkonu zdroja a výskyt krátkych napäťových rázov, napríklad prechodných javov s napätím 6 kV. Tieto kolísania môžu vážne poškodiť široké spektrum kritického zariadenia, ako sú PLC, pohonné systémy riadenia motorov a zariadenia na monitorovanie bezpečnosti. Jedným z riešení týchto kolísk v napájaní je použitie kvalitných regulátorov napätia, ktoré dokážu odstrániť elektrické prechodné javy a zároveň udržať napájanie počas krátkych a hlbokých kolísk napätia po dobu až 200 milisekúnd. Tento typ regulácie umožňuje prevádzku elektronických systémov za nepohodlných podmienok tzv. hnedej výpadky (brownout), ktoré sa v reálnom svete najčastejšie vyskytujú. Testovanie takýchto systémov sa musí vykonávať v súlade s prísnymi pokynmi a s využitím programovateľných striedavých zdrojov, ktoré spĺňajú medzinárodné normy pre kolísania napätia, napríklad IEC 61000-4-11, a pre preťaženia, napríklad IEC 61000-4-5. Zariadenia, ktoré spĺňajú tieto parametre, eliminujú nákladné výpadky výroby, chránia citlivé zariadenia pred poškodzujúcimi elektrickými preťaženiami a predĺžia životnosť priemyselného zariadenia v prostrediach so slabou elektrifikáciou.
Číslo FAQ
Čo je výstupné napätie v regulátore?
Výstupné napätie je najmenší diferenciálny parameter pri regulácii napätia, ktorý riadi napätie na výstupe.
Čo je tepelný výkon pri priemyselných regulátoroch napätia?
odvod tepla je kritický pre výkon regulátora a spoľahlivosť zariadenia v oblastiach s vysokou okolitou teplotou.
Aké sú výhody LDO oproti iným typom zariadení?
LDO sú ideálne pre rozhrania PLC a senzorov, pretože majú najnižší šum, najvyššiu odolnosť voči vonkajšiemu šumu a najnižšie charakteristiky EMI zo všetkých typov regulátorov napätia.