Дизајнери система индустријске аутоматизације суочавају се са повећањем изазова. Сталак у монтирање Таква опрема може довести до повећане величине и термичких ограничења. У оштрим индустријским окружењима, где осетљива електронска опрема захтева добро регулисане напоне, купци захтевају веће перформансе и функционалност. У делу 1 овог дводијелног серија, истражићемо сукобљене потребе за снабдевањем индустријским напајањем и компроминима повезаним са заједничким решењима.
Увођење
Дизајн система индустријске аутоматизације представља јединствене изазове. У ствари, то је прича о сукобљеним захтевима. Увођење модуларних регала са ниским трошковима у компоненте кућних система, као што су програмибилни логички регулатори (ПЛЦС) и И / О модули постављају озбиљне свемирске и термичке ограничења на инжењере и решења. Ови изазови се усложњавају потребом да се обезбеди веома поуздан рад у оштрим окружењима подложно је прљавштини, влажности и вибрацијама.
Поред тога, купци очекују побољшану функционалност у наредним генерацијама система аутоматизације, а све без повећања потрошње електричне енергије, величине опреме, производње и трошкова топлоте. Таква побољшања се често заснивају на напретку у електроничкој, али често долазе по цени: чвршће толеранције електричне енергије и пренапони у нивоима напона који морају остати стабилни док долазе из мање одсерених напајања.
Међутим, инжењери не желе да проводе вриједно време пројекта који дизајнирају напајање које купци не запажене и често се сматра губитком вриједног простора. Уместо тога, инжењер преферира да се фокусира на ствари које очигледно разликују његов систем аутоматизације са такмичења.
Добављачи полуводича одговорили су на сукобљене потребе дизајнера система индустријске аутоматизације увођењем модула који интегришу многе кључне функције напајања у један уређај. Међутим, модули који су дизајнирани за повезивање са 12, 24 или 48ВДЦ материјалима који користе индустријске аутоматизације морају бити заштићене напонским стезаљкама или користе асинхроне технике пребацивања да издрже напон шиљке који му је наводе на мрежи. Оба решења резултирају већим, скупљим и мање ефикасним системима напајања - тачно оно што инжењери система покушавају да избегну.
Ова белешка у примени је 1. део наше дводијелне серије на регулаторима индустријске контроле. Овде говоримо о архитектурима индустријске контроле и архитектуре напајања који их чине јединственим, дизајнерским изазовом. У делу 2 ове серије разговараћемо о следећој генерацији електричних уређаја који користе најновије технике силицијума у комбинацији са иновативним дизајном чипова.
Архитектура индустријске контроле
Док је 24ВДЦ постао де фацто напон за већину апликација за индустријску контролу (посебно они који користе ПЛЦС), 12ВД је такође уобичајено и често се користи као напон батерије или пружа алтернативним изворима енергије као што су фотонаполни (ПВ). Недавно увођење снаге преко Етхернета (ПОЕ) такође је подстакло произвођаче индустријске аутоматизације да дизајнирају опрему за дизајн снаге 48ВДЦ понудом наведеним у стандарду. Типични систем индустријске контроле који користи 24ВДЦ напајање је приказано на слици 1.
Слика 1. Типични систем индустријске контроле.
Систем се састоји од И / О модула за примање информација од сензора или слања команди актуаторима, вишеканалним дигиталним улазима, вишеканалним аналогним улазима и излазима, комуникацијским функцијама и процесором (ЦПУ) повезаним путем дигиталног аутобуса. Снага се испоручује од корисности, одступила је на 24ВДЦ и дистрибуирала се кроз леђа.
Ближи поглед на напајање система открива већу сложеност због различитог напона и тренутних нивоа који захтевају различите компоненте система. Слика 2 приказује мали део архитектуре електричне енергије. Главна напајање 120ВАЦ / 230ВАЦ-а у почетку се одступи на стандардни 12ВДЦ или 24ВДЦ систем за напајање помоћу индустријског модула напајања. На нивоу система, овај повратни напон се додатно одступи на ниже нивое напона који захтевају појединачне компоненте.
Слика 2. Део архитектуре електричне енергије система индустријске аутоматизације.
На пример, ПЛЦ се може састојати од микропроцесора, дигиталног сигналног процесора (ДСП) и низбрдини низ на терену (ФПГА). Ови уређаји захтевају распон напона од 5В до 1В. Међутим, цео ПЛЦ може захтијевати до 3.5а струје. Слично томе, вишеканални аналогни И / О модули захтевају ± 15В и 5В залихе за различите појачале, аналогне до дигиталне претвараче (АДЦ) и мултиплексери (МУКСС) са струјама до 500мА.
Закомпликовање ствари, дизајнери морају да размотре пролазне напонске шиљке ("пренапони") који утичу на напајање на основу догађаја као што су муње на дистрибутивном мрежи или брзо пребацивањем тешких оптерећења које имају исте склопове моћи у систему индустријске аутоматизације. Напонске шиљке такође се могу појавити у самој архитектури напајања, на пример, када модул напајања корача на напон напајања на 12ВДЦ или 24ВДЦ, посебно када користите уређаје типа за прекидач.
Ови пренапонски догађаји су толико уобичајени да организације као што је Међународна електрохемијска комисија (ИЕЦ) препоручују да инжењери дизајнирају своје системе да их издрже. На пример, ИЕЦ 60664, који се бави координацијом изолације у системима ниског напона (1кВац и 1.5КВДЦ), наводи да "класа ИИ" опрема (укључујући врсте опреме која се користи у индустријској аутоматизацији) покреће 24ВДЦ залихама у индустрији требало би да буде осмишљена да издржи преносне преношење до 60В.
Основе регулације напона ДЦ-ДЦ
ДЦ-ДЦ напонска конверзија (или "регулација") је велики посао, а полуводички добављачи су улагали у развоју широког спектра производа за све апликације. Уређаји су подељени у две групе: ниске регулаторе на пада (ЛДО), познати и као линеарни регулатори; и пребацивање регулатора.
Када се пажљиво усклади са оперативним карактеристикама апликације, пролазни регулатори су обично ефикаснији током широког улазног напона у поређењу са ЛДОС-ом. Поред тога, пребацивање регулатора могу лако да појача ("Појачање"), одступите ("Буцк") и обртни напони. (Имајте на уму да неки дијелови напајања система индустријске аутоматизације захтевају инвертинг напоне. Супротно томе, ЛДО може само да одступи напона.
Промена регулатора имају један недостатак због једноставних ЛДО-а: Дизајн регулатора је сложенији. То је зато што је потребно за филтрирање излаза да се отежава напон и тренутне валове које генерише високофреквентне операције пребацивања. То узрокује проблеме за осетљиве чипс и генерише електромагнетне сметње (ЕМИ). Упркос томе, инжењери који дизајнирају многе савремене апликације све више фаворизују промјене регулатора.
Кључ за рад регулатора за пребацивање је употреба транзистора поља полуводича метала оксида (МОСФЕТ-ове) као пребацивање уређаја. Када је МОСФЕТ укључен, тренутни токови и на терет и спољном индуктору који чува енергију. Када се МОСФЕТ искључи, индуктор пружа своју сачувану енергију у оптерећење.
Модулација ширине пулса (ПВМ) се обично користи за контролу излазног напона. Фреквенција се одржава константна и ширина импулса ("на време") се прилагођава да би се добио жељени напон. Високофреквентни пребацивање регулатора ограничава губитке у систему током одржавања релативно стабилног излаза напона у односу на низ инпута и оптерећења.
У асинхроном регулатору преноса топологије (слика 3), енергија која се чува у индуктору, а затим је пребачена на оптерећење током циклуса МОСФЕТ искључења не тече директно на терет. Уместо тога, шири се кроз спољну школуску диоду. Ако је индуктор изабран на основу очекиваног оптерећења, регулатор пребацивања ће радити у континуираном режиму провода, пружајући тако стабилан регулирани напон.
Слика 3. Асинхрони регулатор букве.
Крајња ефикасност ових регулатора за пребацивање одређује се два главна фактора: кап напона напредну напону спољне Сцхоттки Диоде и реверзне карактеристике струје струје уређаја. У модерним уређајима, пад напона напред се приближава граници од око 0. 3В. Ово не звучи много, али то води до константне потрошње уређаја и смањене ефикасности.
Замена Сцхоттки Диоде са МОСФЕТ-ом побољшава ефикасност, јер се на резистенцију (на Р) транзистор може смањити користећи напредне технике израде како би се одржао напон напред (и губитке) нижи од оригиналне диоде. Рад двеју МОСФЕТ-а у овом кругу мора се синхронизовати тако да једно спроводе и други искључи.
Слика 4. Синхрони регулатор цигара.
Други МОСФЕТ такозвани синхрони регулатор може се интегрисати у модул. Поред елиминисања спољне Сцхоттки Диоде, ово поједностављуједизајн кругаи смањује рачун материјала (БОМ).
Подносилац ефекат синхроног дизајна регулатора је да је због пребацивања двије мосфете (тј. Удвостручење индуктивних губитака), тренутне токове у оба смера у индуктору. То се упоређује са једносмерно проток у асинхроном типу. У синхроним регулаторима, губици су обично мали, али постају већи по нижим оптерећењима када ефикасност уређаја може бити нижа од еквивалентног асинхроног типа.
Главни добављачи полуводича бавили су се овим недостатком користећи разне технике. На пример,МакимИнтегрисанје увео низвисокополозанСинхрони регулатори, као што су МАКС17503, са функцијом начина рада који се могу користити за управљање уређајем у три модуса који се могу одабрати, пвм, модулација фреквенције импулса (ПФМ) и дисконтинуитни режим провођења (ДЦМ). ДЦМ такође елиминише обрнуту струју индуктора ради побољшања ефикасности на нижим оптерећењима, али не прескочи импулсе. То чини ДЦМ погодним за апликације осетљиве на фреквенцију.
Резиме
Високо-напонски, средњошколци-тренутни синхрони регулатори задовољавају потребе индустријске аутоматизације за компактне, ефикасне и једноставне модуле напајања. Неколико фактора је допринело дилеми индустријске напајања, али високонапонски синхрони регулатор архитектуре које задовољавају све потребе су сада доступне. Иако је тренутни избор одговарајућих компоненти ограничен, асортиман се и даље шири како би се испунило све захтеве за преклапање ДЦ-ДЦ-д-ДЦ-а, са излазама снаге у распону од неколико стотина милиампера у неколико ампс. У делу 2, разговараћемо о томе како нове иновације у синхроним регулаторима помажу у решавању изазова потрошње електричне енергије.