Wykorzystanie możliwości programowania zasilaczy stacjonarnych, funkcji sieciowych i bezprzewodowych funkcji pomiaru zdalnego

Oferowane zasilacze dostępne są w bardzo szerokim zakresie parametrów znamionowych, rozmiarów fizycznych i kształtów. Często są one optymalizowane pod kątem rozmiarów, sprawności i kosztów - szczególnie w zastosowaniach z ograniczoną mocą, na przykład w urządzeniach ubieralnych - istnieją jednak zastosowania, w których parametry zasilacza PSU muszą być ustawiane już po wdrożeniu urządzenia do użytkowania. Dotyczy to szczególnie zasilaczy PSU stacjonarnych oraz przeznaczonych do zautomatyzowanych zastosowań i środowisk probierczych.

W ten sposób powstały zasilacze zapewniające różne stopnie elastyczności w danej dziedzinie, począwszy od bezprzewodowych aktualizacji oprogramowania układowego w celu optymalizacji sprawności, po zawsze włączone zdalne monitorowanie i sterowanie zapewniające dokładność, skalowalność, redundancję oraz skuteczne równoważenie obciążenia zespołów zasilaczy. Funkcje programowania mogą przyspieszyć projektowanie i ewaluację projektu, zwiększyć funkcjonalność układu i zapewnić wymaganą elastyczność. Jednak spośród coraz większej gamy dostępnych programowanych opcji, niektóre zasługują na szczególną uwagę.

W tym artykule omówiono role, funkcje i cechy zaawansowanych zasilaczy PSU najnowszej generacji, które są czymś więcej niż tylko samodzielnymi, precyzyjnymi, responsywnymi zasilaczami w odrębnych obudowach. Następnie artykuł skupia się na funkcjach i możliwościach, a następnie na korzyściach oferowanych przez całkowicie połączone, wysoce programowane zasilacze najnowszej generacji firmy XP Power.

Zasilacze PSU a zasilacze otwarte

W wielu konstrukcjach zasilacz prądu stałego / zmiennego jest wbudowany lub wciśnięty na płytce drukowanej bądź oddzielnej płytce „wetkniętej” w narożnik. W innych produktach potrzebny jest jednak odrębny, niezależny, oddzielny zasilacz. Takie zasilacze, czasami nazywane zasilaczami montażowymi lub otwartymi, są niezależne i spełniają niezbędne wymagania dotyczące obudów, wydajności i przepisów. Wielu dostawców oferuje takie zasilacze jako drugorzędne lub alternatywne źródło zasilania pod względem formy, dopasowania i funkcji.

Te zasilacze, wśród których typowym przykładem jest zasilacz otwarty UCH600PS36 36V, 4,16A, 600W firmy XP Power, nie mają interfejsu użytkownika, ponieważ nie jest on konieczny (ilustracja 1). Zamiast tego są wbudowane w produkt końcowy bez możliwości regulacji przez użytkownika po zabudowaniu. Mają one minimalną ilość złączy wejścia-wyjścia: wejście prądu zmiennego, wyjście prądu stałego i może jeszcze przewody pomiaru zdalnego.

Ilustracja 1: zasilacz otwarty, taki jak UCH600PS36, jest przeznaczony do wbudowania w produkt końcowy bez zapewnienia dostępu lub regulacji jego różnych parametrów przez użytkownika. (Źródło ilustracji: XP Power)

W odróżnieniu od takich konstrukcji, konstrukcje inżynieryjne wymagają zasilania z elastycznym, łatwym w użyciu interfejsem w postaci kombinacji przełączników, pokręteł, przycisków programowych, mierników, wskaźników, a nawet alfanumerycznego wyświetlacza odczytowego. Te w pełni regulowane zasilacze PSU zostały zaprojektowane tak, aby umożliwić wygodną regulację parametrów, w tym między innymi napięcia wyjściowego, maksymalnego natężenia i ograniczenia napięcia/natężenia. Ułatwiają one zespołowi inżynierów pracę na etapie projektowania, ewaluacji prototypu i testowania i nazywa się je zasilaczami „laboratoryjnymi” lub „stacjonarnymi”. Dla wygody i porządku mogą też być zamontowane na stelażu w stałym lub półstałym układzie jako część zautomatyzowanego przyrządu pomiarowego ATE lub innej trwałej instalacji (ilustracja 2).

Ilustracja 2: zasilacze stacjonarne PSU są używane na stanowisku inżynieryjnym, ale często montuje się je też ma stelażu wraz z innymi jednostkami pomiarowymi, aby zapewnić kompletne, zintegrowane wyposażenie. (Źródło ilustracji: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

Współczesne zasilacze PSU muszą sprostać bardziej wyrafinowanym wymaganiom niż zasilacze sprzed zaledwie kilkudziesięciu lat, mimo że ich podstawowa funkcja pozostaje taka sama. Oprócz podstawowych funkcji odczytu napięcia i natężenia oraz ręcznej regulacji wartości napięcia wyjściowego, zasilacz PSU musi zapewniać inne funkcje ręczne oraz umożliwiać zdalny dostęp.

Zasilacze PSU, takie jak seria PLS600 programowalnych zasilaczy prądu stałego firmy XP Power oferują te funkcje, umożliwiając regulację parametrów pracy za pomocą uporządkowanych, wygodnych elementów sterujących na panelu przednim oraz różnych złączy na panelu tylnym, w tym interfejsów USB, Ethernet i analogowych (ilustracja 3). Ponadto zasilacz PSU musi mieć funkcję monitorowania własnych parametrów i obciążenia oraz podawać je bezpośrednio i zdalnie, zarówno na żądanie, jak i w określonych wyjątkach, w celu utrzymania zaufania do samej jednostki, jak również do większego systemu.

Ilustracja 3: panel przedni (na górze) zasilaczy z serii PLS600 jest funkcjonalny i uporządkowany, umożliwiając jednocześnie zaawansowane funkcje dostępu użytkownika i monitorowania; na panelu tylnym (na dole) znajduje się kabel zasilający oraz złącza USB, Ethernet i interfejsów analogowych. (Źródło ilustracji: XP Power)

Funkcje na panelu przednim (elementy 1 do 7 na ilustracji 3) są opisane bardziej szczegółowo w instrukcji obsługi, a są one następujące: włączanie/wyłączanie, nastawianie natężenia, nastawianie napięcia, włączanie/wyłączanie wyjścia, wyświetlacz i gniazda zasilających przewodów wyjściowych.

Grupa zasilaczy PLS600 składa się z pięciu jednostek wyjściowych prądu stałego, zaczynając od urządzenia PLS6003033 o napięciu 30V prądu stałego, a kończąc na urządzeniu PLS6004002.5 o napięciu 400V prądu stałego, wszystkie o maksymalnej mocy 600W.

Pełne możliwości programowania zapewniają dodatkowe korzyści

Łatwo powiedzieć, że zasilacz jest „programowany”, jednak ważne jest wyjaśnienie, co to oznacza w wypadku nowoczesnego zasilacza. Po pierwsze, zasilacz PSU musi mieć napięcie wyjściowe ustawiane przez użytkownika, a nie ustalone. W wielu przypadkach taki zasilacz może również działać jako regulowane przez użytkownika źródło prądowe. Dla wygody owe podstawowe parametry można łatwo regulować z panelu przedniego. Pokrętła i wyświetlacz są nadal najwygodniejszym sposobem szybkiego ustawiania, regulacji lub „dostrajania” żądanych ustawień.

Inne parametry ustawiane przez użytkownika to między innymi wartości ważnych funkcji zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP), zabezpieczenia nadprądowego (OCP), a nawet zabezpieczenia przeciążeniowego (OPP). To ostatnie przydaje się w zastosowaniach, w których „zmartwieniem” nie jest moc graniczna zasilacza PSU PLS600 wynosząca 600W, ale maksymalna moc (napięcie × natężenie), jaką odbiornik powinien pobierać z zasilacza, aby zapobiec jego uszkodzeniu.

Często zdarza się, że gdy użytkownicy dokonują regulacji napięcia, natężenia, mocy lub innych nastaw pod presją czasu i w stresie związanym z debugowaniem i testowaniem, nieumyślnie zapominają zapisać ustawione wartości. Z tego i innych powodów zasilacze PSU PLS600 umożliwiają szybkie wyświetlanie wartości parametrów. Co więcej, wszystkie nastawy są przechowywane wewnętrznie, więc nie ma potrzeby ich ponownego wprowadzania po włączeniu.

Taka podstawowa możliwość programowania to tylko jedna z zalet prawdziwie uniwersalnego zasilacza PSU. W wielu sytuacjach testowych i ewaluacyjnych zasilacz musi wykonywać wstępnie zdefiniowany „skrypt” w czasie rzeczywistym, niezależnie od połączenia sieciowego. W związku z tym, aby zapewnić zgodność z wieloma unikalnymi wymaganiami, seria PLS600 wyposażona jest w wyrafinowaną funkcję pisania niestandardowych programów umożliwiających użytkownikowi tworzenie zdefiniowanych profili wyjściowych. Programy te można następnie przesłać do zasilacza w celu wykonania polecenia w wybranym momencie.

Dzięki temu zasilacze odgrywają znaczącą rolę w większych systemach i stanowią skuteczny element w sekwencjach badania działania produktów lub zaawansowanych próbach cyklu życia, jak na przykład test przyspieszonego cyklu życia (HALT), i mogą pomóc w wykryciu drobnych nieprawidłowości w charakterystyce podsystemu zasilania produktu końcowego.

Łączność i kontrola - od prostej do zaawansowanej

Nawet jeżeli zasilacz stacjonarny PSU posiada panel przedni, praktyczne, przyjazne dla użytkownika elementy sterujące zapewniające podstawowy i natychmiastowy dostęp, elementy te są niewystarczające do wydajnego zasilania na poziomie systemu. Dlatego seria PLS600 oprócz wygodnych pokręteł do regulacji napięcia i natężenia ma również funkcję zdalnego sterowania przez USB, Ethernet i analogowe wejścia sterujące.

Sterowanie analogowe może wydawać się przestarzałe, ale pozwala na bezpośrednie i proste ustawienie podstawowego scenariusza zdalnego sterowania i może być potrzebne w niektórych sytuacjach ze starszymi urządzeniami. Należy zwrócić uwagę, że instrumenty stacjonarne mają zwykle długą żywotność, a w użyciu nadal są jednostki z interfejsem uniwersalnej magistrali sprzęgającej (GPIB) IEEE-488. Sterowanie analogowe jest też wygodne, gdy zasilacz ma być używany w układzie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, w którym napięcie zasilania musi być regulowane w czasie rzeczywistym w oparciu o zmierzone lub wyprowadzone napięcie.

Oprócz podstawowego sterowania analogowego, wszystkie zasilacze PSU PLS600 posiadają certyfikat LAN eXtensions for Instrumentation (LXI), dzięki czemu spełniają standardy interoperacyjności dla instrumentów pracujących w sieci LAN. Wszystkie domyślne programy są kompatybilne ze sterownikami standardu LabVIEW i Interchangeable Virtual Instrument (IVI). Urządzenia obsługują oprogramowanie Standard Commands for Programmable Instruments (SCPI) oraz oparte na SCPI oprogramowanie opracowane przez użytkownika. Wejścia USB i Ethernet są zgodne ze standardem SCPI, a sterowniki LabVIEW można pobrać ze strony internetowej National Instruments. Aby zapewnić niezawodne ustawianie i odczyt wartości, zasilacze mają wbudowane 12-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowo-cyfrowe służące do dokładnych pomiarów i odczytów napięcia oraz natężenia.

Kombinacja sieciowej konfiguracji i zdalnego sterowania, możliwości ręcznej lub programowej zmiany wartości, a także raportowania stanu zasilania i stanów alarmowych to coś więcej niż wygoda. Dzięki tym rozwiązaniom inżynierowie nie muszą nieustannie zajmować się testowanym urządzeniem ani wypatrywać i interpretować występujących anomalii. Wykorzystanie tego w połączeniu z przyrządami, takimi jak rejestrator danych lub oscyloskop cyfrowy z pamięcią i odpowiednimi wyzwalaczami, umożliwia wykonywanie długoterminowych testów, a następnie pobieranie wyników do dokładnej analizy.

Pomiar zdalny i kalibracja

Wszystkie przewody i szyny zasilające są narażone na spadki napięcia (V) spowodowane przepływem prądu przez rezystancję (IR). Skalę problemu pokazują podstawowe obliczenia z wykorzystaniem prawa Ohma (V = IR). W rezultacie napięcie na odbiorniku często może mieć wartość od kilku do dziesiątek lub nawet setek miliwoltów poniżej wartości nominalnej na zasilaczu.

Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym spadkiem jest kompensacja poprzez zwiększenie napięcia znamionowego na zasilaczu o wartość równą spadkowi, jednak jest to uważane za złą praktykę, ponieważ spadek spowodowany przepływem prądu przez rezystancję jest zależny od prądu pobieranego i ulega zmianom. W rezultacie kiedy natężenie prądu i zależny od niego spadek napięcia na rezystancji są niskie, wówczas napięcie na odbiorniku może być w rzeczywistości zbyt wysokie.

Dlatego typowym rozwiązaniem jest zastosowanie pomiaru zdalnego za pośrednictwem dwóch dodatkowych przewodów w układzie połączenia czteropunktowego. W tej konfiguracji na odbiorniku mierzy się rzeczywiste napięcie, a dane o nim są następnie przesyłane z powrotem do zasilacza w celu dynamicznej regulacji parametrów wyjściowych, tak aby napięcie na odbiorniku zawsze miało żądaną wartość. To rozpowszechnione rozwiązanie jest uznane za standardową praktykę i zwykle działa dobrze, ma jednak pewne wady.

Po pierwsze, rozwiązanie wymaga zastosowania dwóch dodatkowych przewodów, co wydaje się sprawą banalną, ale zwiększa plątaninę przewodów na blacie. Po drugie, nie zawsze da się łatwo podłączyć do odbiornika dwa dodatkowe styki o niskiej rezystancji, zwłaszcza gdy styki odbiornika nie zostały do tego zaprojektowane. Z trudnością tą zmierzył się każdy, kto próbował podłączyć przewody pomiarowe o przekroju 24 AWG do zacisków śrubowych lub innych przeznaczonych dla szyny zasilającej o przekroju 14/12/10 AWG.

Wreszcie, te dwa dodatkowe przewody pomiarowe mogą wydawać się zwykłymi przewodami pasywnymi, ale tak nie jest. Pod względem elektrycznym tworzą one pętlę sprzężenia zwrotnego dla wzmacniacza, którym jest zasilacz. Każde wystąpienie takiej pętli sprzężenia zwrotnego powoduje możliwość powstania szumów lub nawet oscylacji z powodu nieograniczonej i zwykle słabo zdefiniowanej pętli. Tak więc, chociaż pomiar zdalny może rozwiązać problem spadku napięcia spowodowanego przepływem prądu przez rezystancję, może również spowodować jeszcze większy problem z oscylacjami wyjścia zasilania. Może zajść potrzeba dodatkowego specjalistycznego filtrowania, ale takie filtrowanie może również zmienić i pogorszyć dynamiczną odpowiedź impulsową zasilacza.

Pomiar zdalny bez przewodów powodujących spadek napięcia wynikający z przepływu prądu przez rezystancję

Aby uniknąć mechanicznych, elektrycznych, a nawet estetycznych problemów związanych z pomiarem zdalnym, seria PLS600 stosuje alternatywne podejście wykorzystujące zastrzeżoną technologię do cyfrowej kompensacji oporu bez potrzeby stosowania dodatkowych przewodów. W skrócie mówiąc, użytkownik wywołuje tryb pomiaru zdalnego z panelu przedniego, zwiera przewody obciążenia przy odbiorniku i ustawia natężenie zasilacza PSU na wartość co najmniej taką, jaką powinien pobierać odbiornik (ilustracja 4).

Ilustracja 4: zasilacze PSU PLS600 firmy XP Power wykorzystują unikalny schemat wstępnej kompensacji spadku napięcia wywołanego przepływem prądu przez rezystancję, eliminując potrzebę stosowania dodatkowych przewodów pomiaru zdalnego. (Źródło ilustracji: XP Power)

Zasilacz PSU mierzy natężenie wyjściowe i całkowity spadek napięcia na przewodach odbiornika, a następnie oblicza opór przewodów odbiornika. Zasilacz PSU może następnie dostosowywać napięcie wyjściowe na zaciskach zasilających w czasie rzeczywistym, aby skorygować spadek na przewodach odbiornika. W rezultacie nie ma potrzeby stosowania oddzielnych przewodów pomiarowych w rzeczywistej instalacji.

Zaawansowane zasilacze PSU oferują również elastyczność kalibracji

Chociaż zasilacze PSU takie jak te z serii PLS600 normalnie nie wymagają kalibracji, mogą zaistnieć okoliczności, w których konieczne będzie sprawdzenie parametrów napięcia wyjściowego urządzenia i wprowadzenie pewnych korekt kalibracyjnych. Aby skalibrować wyjściowe napięcie i natężenie oraz wyświetlane napięcie i natężenie, seria PLS600 wymaga skalibrowanego woltomierza i skalibrowanego bocznika prądowego.

Zasilacz PSU ustawia się na tryb kalibracji, a jego wyjście pozostaje otwarte z podłączonym tylko woltomierzem. Krótko mówiąc, wyświetlaną wartość zasilacza dopasowuje się do wartości woltomierza, po czym naciska się przycisk na panelu zasilacza w celu zarejestrowania wartości. Następnie do wyjścia podłączany jest bocznik prądowy, a woltomierz do bocznika. Wyjście zasilacza PSU jest wtedy regulowane do momentu, gdy zewnętrzny woltomierz odczyta natężenie takie jak na wyświetlaczu zasilacza (ilustracja 5). Należy pamiętać, że napięcie wyświetlane na mierniku będzie zależne od wartości używanego bocznika prądowego, zgodnie z prawem Ohma.

Ilustracja 5: do kalibracji zasilaczy PSU firmy XP Power stosowany jest prosty, dwuetapowy proces: pomiar napięcia wyjściowego w obwodzie otwartym, a następnie pomiar napięcia na skalibrowanym boczniku obciążenia. (Źródło ilustracji: XP Power)

Jak uzyskać większe napięcie lub natężenie

Chociaż zasilacze PSU z serii PLS600 są oferowane w różnych kombinacjach napięcia i natężenia znamionowego, niewątpliwie zaistnieją sytuacje, w których potrzeba zwiększyć wartość jednego lub obu tych parametrów. Oczywistym rozwiązaniem jest zastosowanie większego zasilacza, jednak wiąże się to z dodatkowymi kosztami. Może to nie być praktyczne, ponieważ jest wymagane tylko przez krótki czas. Alternatywą jest rozważenie umieszczenia dwóch lub więcej zasilaczy PSU PLS600 szeregowo celem uzyskania większego napięcia lub równolegle dla większego natężenia.

Jednak uzyskanie wymaganego wzrostu napięcia lub natężenia to nie tylko kwestia połączenia dwóch zasilaczy szeregowo lub równolegle. Gdy zostaną one połączone w taki sposób, prawdopodobnie wydarzy się jedna z trzech rzeczy:

1. Konfiguracja nie zapewni wymaganej wartości wyjściowej, wymknie się spod kontroli i może dojść do uszkodzenia zasilaczy
2. Konfiguracja działa w pewnym stopniu, ale nie zapewnia wymaganych parametrów, dokładności, powtarzalności lub niezawodności
3. Wszystko działa dobrze dzięki szczęśliwemu trafowi - co na ogół nie jest dobrą taktyką w inżynierii - albo dzięki przemyślanemu projektowi

Sytuacje 1 i 2 są niepożądane i niedopuszczalne, chociaż istnieją sposoby na pewne ograniczenie ich wad przy użyciu starannie dobranych komponentów zewnętrznych, takich jak rezystory równoległe lub diody izolujące (ilustracja 6). Podobnego schematu używa się do parowania napięcia. Nawet jeśli to zadziała, ogólne parametry są ograniczone przez specyfikacje mniejszego z dwóch zasilaczy oraz przez niedopasowanie i pogorszenie właściwości przez dodane komponenty.

Ilustracja 6: zewnętrzne komponenty, takie jak rezystory balastowe (po lewej) lub diody izolujące (po prawej), mogą być użyte do podłączenia dwóch zasilaczy równolegle w celu uzyskania dodatkowego natężenia prądu, ale w ten sposób spadają parametry. (Źródło ilustracji: XP Power)

Wniosek jest taki, że zastosowanie pojedynczego zasilacza, który jest przeznaczony dla danego zastosowania, powoduje znacznie mniej problemów w porównaniu do łączenia dwóch lub więcej zasilaczy szeregowo lub równolegle. Jednak pożądana sytuacja 3, czyli bezproblemowa praca, wystąpi, jeśli zasilacze są specjalnie zaprojektowane do pracy szeregowej lub równoległej - tak jak zasilacze PSU z serii PLS600.

Aby połączyć zasilacze PSU PLS600 równolegle lub szeregowo, jeden zasilacz musi być ustawiony jako nadrzędny, a pozostałe zasilacze jako podrzędne. W celu zwiększenia napięcia można połączyć szeregowo maksymalnie dwa zasilacze (muszą być identyczne), natomiast w celu zwiększenia natężenia można połączyć równolegle maksymalnie cztery identyczne jednostki. Konfiguracja i oznaczenie jednostek nadrzędnych i podrzędnych odbywa się za pomocą przedniego panelu sterowania, należy też przestrzegać pewnych ograniczeń, które trzeba rozumieć zarówno ze względu na bezpieczeństwo, jak i parametry.

Stelaż zapewniający wygodę, organizację i wydajność

Na laboratoryjnych stołach warsztatowych może panować porządek lub niezwykły chaos. Rzeczywistość jest taka, na początku przeważnie wszystko jest uporządkowane, ale często bałagan po prostu się „nawarstwia”, do czego przyczynia się dodawanie kolejnych zasilaczy PSU i ich przewodów. W innych przypadkach zasilacz PSU jest częścią zespołu oprzyrządowania, który został zamontowany w stelażu z jednego z kilku powodów:

• Jest to część samodzielnego projektu ATE lub trwałego oprzyrządowania ewaluacyjnego
• W celu zapewnienia integralności systemu i zwiększenia niezawodności, przy utrzymaniu wszystkiego na swoim miejscu - wliczając w to organizację kabli z elementami odciążającymi
• W celu transportu i ewentualnej ponownej instalacji

Z tych powodów firma XP Power oferuje zestaw do montażu na stelażu PLS600 dla zasilaczy PSU PLS600 (ilustracja 7).

Ilustracja 7: zestaw do montażu na stelażu PLS600 firmy XP Power ułatwia instalację pojedynczej jednostki PLS600 lub pary jednostek obok siebie w standardowym stelażu montażowym. (Źródło ilustracji: XP Power)

Ponieważ wszystkie urządzenia serii PLS600 mają ten sam rozmiar obudowy, zestaw pasuje do wszystkich z nich. Instalacja zasilacza PSU za pomocą tego zestawu jest szybka i prosta, a zestaw pozwala na zamontowanie dwóch zasilaczy obok siebie.

Podsumowanie

Zasilacze stacjonarne bardzo różnią się pod względem formy i funkcji od jednostek wbudowanych, które mają niewiele lub nie mają żadnych elementów sterujących lub regulacyjnych. Zasilacze stacjonarne, czy też „laboratoryjne” PSU, są niezbędnymi instrumentami do prototypowania i testowania, a także do wykorzystania w stacjonarnych stanowiskach laboratoryjnych. Dobrze zaprojektowany, bogaty w funkcje zasilacz laboratoryjny PSU, taki jak PLS600 firmy XP Power, oferuje zarówno doskonałe parametry, jak i dodatkowe możliwości i funkcje potrzebne do sprawnego i komfortowego użytkowania, od wygodnego sterowania z panelu przedniego po dostęp do sieci i możliwości programowania.

Źródła

1. Zasilacze prądu stałego-zmiennego z serii PLS600 firmy XP Power
2. Podręcznik użytkownika programowanych zasilaczy prądu stałego z serii PLS600 firmy XP Power
3. Podręcznik programowania programowanych zasilaczy prądu stałego z serii PLS600 firmy XP Power