EN
Osnovne električne in okoljske zahteve za industrijske regulatore napetosti
Industrijski regulatorji napetosti morajo ohraniti natančno regulacijo izhodne napetosti kljub različnim spremembam, kot so na primer 24 V enosmerni napetostni viri, ki padejo na 18 V ali narastejo na 36 V. Pomembni električni parametri vključujejo:
Vhodni/izhodni obseg: trajna natančnost izhodne napetosti ±1 % v celotnem industrijskem vhodnem obsegu
Padec napetosti: razlika 0,3 V pri LDO regulatorjih, da se prepreči odpoved zaradi nizke napetosti ob pogoju nizke vhodne napetosti
PSRR (razmerje zavrnitve napajalne napetosti): >70 dB pri 100 kHz za potiskanje šuma preklopa v analognih modulih PLC in ohranitev natančnosti signala na ravni mikrovoltov v vezjih povratne zanke pogona motorja, kar lahko povzroči napako navora zaradi valovanja pri krmiljenju gibanja.
Toplotne lastnosti in učinkovitost pri polni obremenitvi v zahtevnih okoljih
Upravljanje toplote postane ključno za dolgotrajnost opreme pri približno 85 stopinjah Celzija. Tradicionalni linearni regulatorji pretvarjajo presežno napetost v toploto in s tem izgubljajo energijo. Na primer pretvorba 12 voltov v 3,3 volta pri toku 2 ampera zahteva vhodno moč 17 vatov. Že samo zaradi toplote inženirji dimenzionirajo velike toplotne izmenjevalnike in delujejo z manjšo obremenitvijo kot je največja dovoljena. Preklopni regulatorji so drugačni: večina sodobnih konstrukcij redno doseže učinkovitost nad 90 %, kar zmanjša izgube na manj kot 2 watra pri isti obremenitvi.
Znižanje temperature za 10 stopinj skoraj podvoji življenjsko dobo komponent, preden odpovejo. Zato resniške namestitve izvajajo napetostne preskuse z infrardečimi kamorami, da preverijo toplotne težave, še posebej pri opremi v tesnih prostorih ali v vročih okoljih.
Preverjanje zanesljivosti: MTBF, zniževanje delovnih parametrov in skladnost z razširjenim temperaturnim obsegom (–40 °C do +105 °C+)
Resnično industrijsko raven zmogljivosti zahteva, da preverjanje zanesljivosti presega specifikacije, navedene v tehničnem listu:
MTBF > 1 milijon ur pri 105 °C, potrjeno s pospešenimi življenjskimi preskusi v skladu s standardoma Telcordia SR-332 ali JEDEC JESD22-A108
Strategično zniževanje delovnih parametrov komponent: kondenzatorji pri 80 % nazivne napetosti, MOSFET-i pri ≤ 75 % VDS in toplotni varnostni pasovi > 20 °C pod najvišjimi mejami temperatur na prehodu
Podaljšano cikliranje pri različnih temperaturah: 1000-urna operativna preverjanja od −40 °C do +105 °C (ali višje, če je določeno), v skladu z IEC 60068-2-14 (toplotni udar), IEC 60068-2-6 (vibracije) in IEC 60068-2-30 (vlaga), da se zagotovi zanesljivost v livarnah, zunanjih transformatorskih postajah ali neogrevanih skladiščih
Izbira linearnega ali stikalnega napetostnega regulatorja za industrijske aplikacije
Občutljivost na šum in elektromagnetna motnja (EMI) v signalnih verigah PLC, HMI in senzorjev
Industrijski krmilni sistemi, zlasti PLC-ji, HMI-ji in analogne povezave senzorjev, ki krmilijo vse, potrebujejo zelo čist električni napajalni vir za pravilno delovanje. Regulator z nizkim padcem napetosti (LDO) je odlična izbira zaradi visokega razmerja zavrnitve napajalne napetosti (PSRR), ki je več kot 60 dB, ter izjemno nizkega elektromagnetnega motenja (EMI). To jih naredi odličnimi za zaščito celovitosti tokovnih zank 4–20 mA ter za napajanje ojačevalnih vezij z visokim ojačanjem, ki jih lahko zlahka moti nečist napajalni vir. Preklopniki so druga zgodba. Delujejo nasprotno: ustvarjajo širokopasovno šumo, ki se lahko sklopi v signale in vpliva na meritve že na ravni milivoltov.
Seveda imajo inženirji možnost, da določene podsisteme filtrirajo in zaslonijo, vendar to poveča stroške, porabi dragocen prostor na tiskani plošči (PCB) in zahteva bolj zapletene načrte. Pri podsistemih, kot so analogni vhodni/izhodni moduli in vmesniki kodirnikov, ki delujejo z tokovi manj kot 5 A, večina načrtovalcev raje uporablja LDO napajalnike, čeprav obstajajo učinkovitejše alternativne rešitve. Za kritične aplikacije je kompromis celovitost signala.
Ko gre za LDO napajalnike proti pretokovnim (buck) pretvornikom
V mnogih primerih so linearni regulatorji v slabšem položaju zaradi toplote, ki nastaja ob zniževanju napetosti. Na primer, linearni pretvornik, ki pretvarja 24 voltov v 3,3 volta pri toku 2 A, doseže učinkovitost le 14 %. To pomeni, da se več kot 85 % vhodne moči izgubi kot toplota. To predstavlja težavo, kadar je prostor omejen in so okoljske temperature visoke. Inženirji morajo namestiti masivne toplotne izmenjevalnike in ventilatorje za hlajenje ali omejiti zmogljivost sistema, da ohranijo linearni regulator znotraj varnih temperaturnih mej. Ti zaobilazni ukrepi povečujejo verjetnost odpovedi sistema in s časom povečujejo stroške vzdrževanja. Boljša alternativa je preklopnik (preklopnik napetosti), ki za učinkovito prenašanje energije uporablja modulacijo širine impulzov in tuljave. Dosežejo učinkovitost od 85 % do 95 % celo pri velikih obremenitvah 20 A. Majhen toplotni profil preklopnikov omogoča majhne in kompaktno zasnovane naprave brez potrebe po ventilatorjih. Zelo primerni so za robota, krmilnike motorjev in industrijske krmilne sisteme. Spodnja tabela primerja linearne regulatorje s preklopniki.
Regulatorji LDO z regulacijo parametrov, pretvorniki tipa Buck
V podsistemi z visokim tokom, kot so rezervni napajalniki UPS ali tirnice servo ojačevalnikov, je dodatna zapletenost za zmanjševanje elektromagnetnih motenj več kot upravičena zaradi boljše razmerja med učinkovitostjo in velikostjo regulatorjev tipa Buck v kombinaciji s kompletno integriranim razširjenim spektralnim uradnim signalom in optimiziranimi ploščicami.
Upoštevajte, da morate zagotoviti, da je regulator napetosti primeren za uporabo z industrijskimi obremenitvenimi profili, ki so navedeni.
Robotika, gonilniki motorjev in sistemi UPS običajno imajo obremenitvene profile z začetnimi sunki toka in prehodnimi obremenitvami, ki jih je treba nadzorovati.
Sodobne industrije z avtomatizacijo imajo industrijske obremenitvene profile z znatnimi nihanji pri premičnih robotskih rokah, servopogonih in sistemih za rezervno napajanje, kar vse skupaj povzroča resne dinamične obremenitve. Pri zagonu naprav se porabi približno 10 do celo 20-krat več toka kot ob navadnem obratovalnem načinu. Predstavljajte si napajanje nenadnih sprememb smeri, opreme ter hitre pretvorbe iz izmeničnega v enosmerni tok. Namestitev napetostnih regulatorjev, prilagojenih navadnim obratovalnim pogojev, povzroča mehanske in električne udare, ki jih regulator ni zasnovan za prenašanje, kar predstavlja glavno izziv pri ustrezni izbiri komponent za določene pogoje.
Vrhunski tok <. Čas odziva < 50 μs za odpravo prehodnih pojavov znotraj 2 %, da se prepreči ponovni zagon mikrokrmilnika in poškodba podatkov. Za sisteme, pomembne za izvedbo misije, je zaščita pred prekomernim tokom bolj primerna v režimu hiccup (samopopravek) kot v režimu blokade (latch-off), saj se s tem izogne potrebi po ročnem posegu.
Neupoštevanje dinamike obremenitve povzroči predčasno toplotno izklop, skrajša življenjsko dobo kondenzatorjev in povzroči zaklep pri nizki napetosti, kar vse skupaj negativno vpliva na razpoložljivost sistema ter poveča skupne stroške lastništva.
Ob obstoju nihanja omrežja se pojavijo številne težave, kot so padci napetosti pod 80 % delovne meje, prenapetostni udari z napetostmi, ki presegajo 140 % nazivne napetosti vira, ter kratki napetostni sunki, na primer prehodni pojavi z napetostjo 6 kV. Ta nihanja lahko resno poškodujejo širok spekter kritične opreme, kot so PLC-ji, pogonski sistemi za nadzor motorjev in oprema za varnostno spremljanje. Ena izmed rešitev za ta nihanja napetosti je uporaba kakovostnih regulatorjev napetosti, ki lahko odstranijo električne prehodne pojave ter obdržijo napetost pri kratkih in globokih nihanjih napetosti v časovnih intervalih do približno 200 milisekund. Takšna regulacija omogoča delovanje elektronskih sistemov tudi med neprijetnimi pogoji zmanjšane napetosti (brownout), ki se v praksi najpogosteje pojavljajo. Preskušanje takšnih sistemov je treba izvesti v skladu s strogi smernico z uporabo programsko nastavljivih izvorov izmeničnega toka, ki ustrezajo mednarodnim standardom za nihanja napetosti, kot je IEC 61000-4-11, ter za prenapetostne udare, kot je IEC 61000-4-5. Oprema, ki izpolnjuje te zahteve, bo preprečila draga izpadanja proizvodnje, zaščitila občutljivo opremo pred škodljivimi električnimi prenapetostnimi udari ter podaljšala življenjsko dobo industrijske opreme v okoljih z nizko kakovostno elektrifikacijo.
Pogosta vprašanja
Kaj je napetost izklopa v regulatorju?
Napetost izklopa je najmanjša različna napetost pri regulaciji napetosti, ki nadzoruje napetost na izhodu.
Kaj je toplotna zmogljivost industrijskih regulatorjev napetosti?
odstranjevanje toplote je ključno za zmogljivost regulatorja in zanesljivost opreme v območjih z visoko okoljsko temperaturo.
Kakšne so prednosti LDO-jev pred drugimi vrstami naprav?
LDO-ji so idealni za vmesnike PLC in senzorjev, saj imajo najnižjo stopnjo šuma, najvišjo odpornost proti zunanjemu šumu in najnižje lastnosti elektromagnetnega sevanja (EMI) med vsemi vrstami regulatorjev napetosti.