Характеристики источников питания тока
Источники питания постоянного тока, схема которых включает выпрямитель (AC/DC преобразователь), представляют собой востребованные устройства, широко применяемые в автоматизированных испытательных системах, предназначенных для проверки электрооборудования, модулей, монтажных схем. Также их используют для электропитания различной радиоэлектронной аппаратуры, электродвигателей, заряда аккумуляторных батарей, протекания электрохимических процессов. Они преобразуют переменное напряжение электросети в стабилизированное постоянное напряжение. Многие модели предоставляют возможность регулировки выходных параметров.
Отдельный вид источников питания (ИП) составляют конверторы (DC/DC преобразователи). Они работают от сети постоянного тока. Их сфера применения включает автоматизированные системы управления техпроцессами, энергетику, транспорт, телекоммуникационные и информационные технологии, охранно-пожарные системы.
Основными техническими характеристиками источников питания постоянного тока являются:
- Номинальное входное напряжение.
- Номинальное выходное напряжение и диапазон его регулировки.
- Максимальный ток нагрузки.
- Точность стабилизации выходного напряжения.
- КПД.
Помимо базовых характеристик, большое значение имеют и другие рабочие параметры, которые мы рассмотрим более подробно.
Шумы и пульсации
Эта характеристика источников питания постоянного тока определяет качество выходного сигнала, а также выбор между импульсным и линейным источником электропитания. Импульсные преобразователи являются по сути генераторами шумов. Устройства, использующие для управления переключением силовых ключей широтно-импульсную модуляцию, создают шумы в определенной полосе частот. Частота повторения шума зависит от частоты переключения импульсного источника питания, а амплитуда сильно зависит от топологии оборудования. Пульсации представляют собой флуктуацию выходного напряжения, которая связана с зарядом и разрядом устройства. Она может быть уменьшена с помощью увеличения входной или выходной емкости.
Для многих задач, связанных с тестированием электроаппаратуры, целесообразно использовать не импульсные, а линейные ИП. Несмотря на то, что они отличаются низкой эффективностью, габаритами и весом, выделением значительного количества тепла, их можно применять в приложениях, где не требуется высокая мощность (до 200 Вт на один канал). Линейные устройства генерируют высокочастотный шум, который можно легко отфильтровать. Также они обладают высокой скоростью реагирования на изменение нагрузки. Если же поставленная задача не выдвигает повышенных требований к уровню шума и пульсаций, лучше выбрать импульсный преобразователь. Он характеризуется высокой мощностью, компактностью, широкими диапазонами регулировки, гибкостью настроек.
Скорость изменения выходного напряжения
Это важный параметр, который имеет большое значение в сфере тестирования электроприборов. При испытаниях на аппаратуру подаются различные напряжения для проверки ее правильного функционирования в пределах рабочего диапазона. Чем быстрее источник питания реагирует на изменение настроек, тем выше производительность тестирования. В стандартных устройствах время установки выходного напряжения с точностью до 1% составляет в среднем 50-500 мс. Существуют специальные схемы регулируемых источников питания постоянного тока, которые позволяют уменьшить данный показатель до 1-4 мс.
Время реакции на изменение нагрузки
Этот параметр определяет, насколько быстро ИП реагирует на изменение нагрузки или скачки электротока. Если выходной ток быстро изменяется в широком диапазоне значений, выходное напряжение также начинает с высокой скоростью уменьшаться или увеличиваться. Время, которое необходимо устройству для стабилизации характеристик, называется временем реакции (или отклика) на изменение нагрузки. Из-за использования обратной связи в топологии для контроля выходного напряжения, импульсные ИП отличаются сравнительно медленной реакцией.
Чтобы обезопасить тестируемые устройства от сильных перегрузок, рекомендуется применять предварительную нагрузку. Она подключается параллельно с испытываемым прибором и ограничивает скачки напряжения. У современных импульсных источников питания время отклика составляет 40-80 мкс, а у линейных — до 1 мкс.
Возможность параллельного и последовательного подключения ИП
Параллельное подключение источников электропитания обеспечивает увеличение выходного электротока. Многие ИП оснащены специализированной параллельной шиной управления. Она позволяет создавать единую конфигурацию из нескольких источников. Система автоматически определяет, какие устройства являются ведущими, а какие ведомыми.
Последовательное подключение источников питания используется, если необходимо увеличение напряжения. При этом оно не должно превышать электрическую прочность изоляции выходных клемм.
Цифровое программирование
Многие источники питания поддерживают возможность цифрового программирования для режимов стабилизации напряжения (CV) или тока (CC). Устройства работают в режиме стабилизации напряжения при условии, что ток нагрузки меньше установленного значения. После достижения электротоком порогового значения ИП переходит в режим стабилизации тока. Выходное напряжение может ограничиваться, чтобы исключить перегрузку по мощности. Настройка осуществляется через панель управления устройства или с компьютера через интерфейсы USB, LAN, GPIB.
Программирование предоставляет расширенные возможности по управлению. Например, можно формировать последовательность изменений напряжения и тока, генерирование пилообразных и других сигналов для тестирования предохранителей и различных электроприборов.
Итоги
В статье были рассмотрены основные характеристики источников питания постоянного тока, применяемых в испытательных системах.
Источник
ГОСТ Р 54364-2011 Низковольтные источники питания постоянного тока. Эксплуатационные характеристики
Текст ГОСТ Р 54364-2011 Низковольтные источники питания постоянного тока. Эксплуатационные характеристики
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ
Низковольтные источники питания постоянного тока
Low-voltage power supply devices, d.c. output.
Performance characteristics (MOD)
Стандарта кформ 2012
Предисловие
Цели и принципы стандартизации е Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0—2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью «ВНИИзлектроапларат» на основе собственного аутентичного перевода на русский язык стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 331 «Низковольтная коммутационная аппаратура и комплектные устройства распределения, защиты, управления и сигнализации»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 июля 2011 г. № 198-ст
4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту МЭК 61204:2001. Издание 1.1 «Низковольтные источники питания постоянного тока. Эксплуатационные характеристики» (IEC 61204:2001 «Low-voltage power supply devices, d.c. output. Performance characteristics»).
При этом разделы 1—8 и приложения A— D полностью идентичны. за исключением того, что в ссылках на международные стандарты при наличии соответствующих национальных стандартов, приведены национальные стандарты.
Раздел «Нормативные ссылки» изложен в соответствии с требованиями ГОСТ 1.5—2004 и включает в себя обозначения национальных стандартов, на которые имеются ссылки в настоящем стандарте.
Приложение ДА дополняет их с учетом потребностей национальной экономики Российской Федерации и/или особенностей национальной стандартизации.
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДБ
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в информационных указапюлях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии е сети Интернет
Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
Содержание
3.7 Стабилизация напряжения в зависимости от изменения нагрузки (мощность нагрузки) . 6
3.8 Допуск на выходное напряжение (собственная погрешность) — фиксированная выходная
Приложение А (обязательное) Методы испытаний на периодические и случайные отклонения . . . 12
Приложение ДА (обязательное) Дополнительные требования, учитывающие потребности
экономики Российской Федерации и/или особенности российской национальной
Приложение ДБ (справочное) Сведения о соответствии ссылочных национальных и межгосударственных стандартов международным стандартам, использованным в качестве
Введение
Настоящий стандарт позволяет определить источник литания, соответствующий конкретному назначению, посредством определения параметров для требуемых уровней эксплуатации, сформулировать основные определения, касающиеся данного типа оборудования, и осуществить выбор уровней работоспособности. Эти уровни четко разграничены, что позволяет изготовителю и потребителю определить и сделать выбор тех источников питания, которые соответствуют назначению.
В тех случаях, когда источники литания являются частью оборудования, соответствующего стандартам на изделия конкретного типа, применяют эти стандарты. Еще одним назначением данного стандарта является его применение в качестве дополнительного, особенно в том случае, когда эксплуатационные характеристики недостаточно учитывает стандарт на изделие конкретного типа.
ГОСТ Р 54364—2011 (МЭК 61204:2001)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Низковольтные источники питания постоянного тока ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Low-voltage power supply devices, d.c. output. Performance characteristics
Дета введения — 2013—01—01
1 Общие положения
1.1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает требования к низковольтным источникам питания, в том числе к импульсным источникам питания, с выходным напряжением до 200 В постоянного тока и мощностью до 30 кВт при питающем напряжении переменного или постоянного тока до 600 в. предназначенным для использования в оборудовании класса I или для автономной работы при наличии соответствующей электрической и механической защиты.
Настоящий стандарт распространяется на источники литания, предназначенные для широкого применения, с любым числом выходов и всеми типами источников электропитания переменного или постоянного тока, от которых они функционируют.
1.2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссыпки на следующие стандарты: ГОСТ Р 15.201—2000 Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство
ГОСТ Р 53390—2009 (МЭК 61204-3:2000) Совместимость технических средств электромагнитная. Низковольтные источники питания постоянного тока. Требования и методы испытаний ГОСТР МЭК 60447—2000 Интерфейс чеповвкомашинный. Принципы приведения в действие ГОСТР МЭК 60950—2002 Безопасность оборудования информационных технологий ГОСТ 12.2.007.0—75 Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности
ГОСТ 12.2.007.6—75 Система стандартов безопасности труда. Аппараты коммутационные низковольтные. Требования безопасности
ГОСТ 11476—88 Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Нормы и методы испытаний на воздействие внешних механических и климатических факторов
ГОСТ 15150—69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды
ГОСТ 15543.1—89 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к климатическим внешним воздействующим факторам
ГОСТ 16504—81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения
ГОСТ 16962.1—89 (МЭК 68-2-1—74) Изделия электротехнические. Методы испытаний на устойчивость к климатическим внешним воздействующим факторам
ГОСТ 16962.2—90 Изделия электротехнические. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам
ГОСТ 17516.1—00 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам
ГОСТ 18620—86 Изделия электротехнические. Маркировка
ГОСТ 23216—78 Изделия электротехнические. Хранение, транспортирование, временная противокоррозионная защита, упаковка. Общие требования и методы испытаний
ГОСТ 28200—89 Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание В: Сухое тепло
ГОСТ 28201—89 (МЭК 68-2-2—74) Основные мепюды испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Са: Влажное тепло, постоянный режим
ГОСТ 28203—89 (МЭК 68-2-6—82) Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Fc и руководство: Вибрация (синусоидальная)
ГОСТ 28213—89 (МЭК 68-2-27—87) Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Еа и руководство: Одиночный удар
ГОСТ 28215—89 (МЭК 68-2-29—87) Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание ЕЬ и руководство: многократные удары ГОСТ 29322-92 (МЭК 38—83) Стандартные напряжения
Примечание— При пользовании настоящим стандартом целесообразно проварить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты». который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющими (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены. то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей ату ссылку.
1.3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины и определения по ГОСТ Р МЭК 60950.
2 Эксплуатационные характеристики
Эксплуатационные характеристики приведены в 3.1—8.1.
На графике работоспособности показано максимальное изменение (не типичное) измеренной величины. которое может быть либо положительным, либо отрицательным, если не указано иное. Это значит. что изменение на 1 % может означать разницу в 2 % между измеренными величинами в ряде устройств.
Эксплуатационные параметры измеряют при 25 *С. если не указано иное.
Испытания, касающиеся эксплуатационных характеристик, приведены в соответствующих разделах эксплуатационных характеристик настоящего стандарта.
Эксплуатационные характеристики, указанные в таблице 1. приведены в качестве примера. Сохранение нумерации пунктов настоящего стандарта является обязательным. Отсутствие номера пункта в таблице может означать отсутствие требований. Указание буквы кода в скобках не обязательно.
3 Характеристики
3.1 Номинальные выходные значения и полная выходная мощность Выходные напряжения и уровни работоспособности устройства должны быть заданы для каждого параметра. Для источника питания с несколькими выходами, указанные характеристики должны быть указаны для каждого выхода.
Изготовителем/потребителем должно быть подтверждено/олределено. что изменения в выходном напряжении источника соответствуют заданным пределам, указанным в 3.2—3.16 соответственно, при наименее благоприятной комбинации напряжения источника питания, нагрузки и температуры при заданном уровне выходной мощности устройства.
Иэготовителем/потребителем должно быть подтверждено/определоио минимальное значение на* грузки для управляемой выходной мощности в источнике питания с несколькими выходными мощностя* ми. которое требуется для поддержания любого другого параметра в лределах технических условий. Вид каждой выходной мощности и ее полярность, если она фиксирована, должны быть также заданы или определены.
Если нагрузки определяет потребитель, тогда при измерении работоспособности должны исполь* зоваться номинальные значения этих нагрузок. Во всех остальных случаях измеряемая выходная мощность должна быть максимальной, другие выходные мощности должны составлять 50 % номинального значения выходной нагрузки, а напряжение на входе источника питания должно иметь номинальное значение.
Изготовителем/потребителем должна быть подтеерждена/определена полная выходная мощность при одной из предпочтительно высоких рабочих температур окружающего воздуха согласно 3.2.
Таблица 1 — Эксплуатационные характеристики
Номинальные мощности Полная выходная мощность
Основная: 5 В. 150 А Вспомогательная 1:12 В.15 А Вспомогательная 2: 24 В. 8 А 1000 Вт при 50 X
Диапазон рабочих температур окружающей среды
(70 X с понижением на 2.5 %/Х св. 50 X)
С принудительным охлаждением внутренним вентилятором
от минус 40 X до плюс 85 X (А)
Входное напряжение источника питания и частота
Верхнее: от 85 до 132 В (0> Нижнее, от 176 до 264 В (О) Диапазон частот: 48—63 Гц
Ток источника питания Фактическое действующее значение Пиковый периодический Бросок при включении Гармоники
Коэффициент мощности К.п.д.
20 А при 88 8 или 10 А при 176 В на входе 50 А при 88 8 или 25 А при 176 В не входе 30 А 0.65 0.65 0.70
Источник
Основные характеристики источников постоянного тока.
Подбор источника питания
Почти каждая автоматизированная испытательная система, которая проверяет электронные монтажные схемы, модули или оборудование, нуждается в одном или нескольких источниках питания электрического тока. Это могут быть источники постоянного тока для моделирования шины управления для устройств, которые используют мощность во внутренних монтажных схемах или модулях или источники переменного тока для моделирования сетевого напряжения в различных странах или, скажем, в бортовой сети самолета.
В данной статье мы рассмотрим основные параметры источников питания постоянного тока.
В любом случае, источник питания моделирует ту среду, которая используется для данной электронной схемы, таким образом, тестируемое устройство (ТУ) определяет требования к источнику питания. Необходимо рассмотреть требования для тестового диагностирования. Это означает, что внутренние или внешние стандарты относятся к тестируемому устройству. Например, некоторые автомобильные стандарты требуют максимальное значение напряжения 27В в 12В устройстве. Это означает, что хотя устройство номинально выдает 12 В, но максимальное испытательное напряжение намного выше. В следующих параметрах рассматриваются общие параметры, которые принимаются во внимание при выборе источника питания.
Шумы и пульсации
Шумы и пульсации – традиционно первые характеристики, на которые обращает внимание пользователь. Это важно, потому что первый выбор, который мы делаем – линейный или импульсный источник питания нужен для выполнения поставленной задачи. Фактически, существует три схемы работы источников питания: линейная, импульсная и гибридная. Линейные источники обеспечивают низкие шумы и пульсации и обладают высокой скоростью реакции на изменение нагрузки. Однако, они не эффективны, поскольку выделяют много тепла и имеют большие габариты и вес, поэтому желательно использование линейных источников на более низких уровнях выходной мощности (менее 500 Ватт). Большинство линейных источников – настольного размещения. Существуют еще две главные причины использования линейных источников. Первая, когда ТУ – это устройство связи, такое как радио или мобильный телефон или модуль демодулятора радарной системы. Чем в основном обладают эти устройства – чувствительный дешифратор или схема демодулятора, которые лучше работают с низким шумовым показателем.
Чтобы проверить реальное отношение сигнал/шум, мы должны быть уверенны, что источник питания не добавляет паразитирующего искажения к испытательной установке. Другая причина выбора линейного источника – невысокие требования выходной мощности. Основное преимущество импульсных источников, если требуется высокая выходная мощность. Дешевле использовать линейные источники в приложениях, где требуется мощность не более 100-200 Ватт с одного выходного канала. Важно рассматривать общую выходную мощность всех выходных каналов источника постоянного тока. До четырех каналов будет дешевле просто взять 4 линейных настольных источника в 19-дюймовой стойке. В импульсной технологии 12 каналов, обеспечивающих более 4000 Ватт, займут такое же положение в стойке с менее сложным многоканальным управлением за равную цену за канал.
Если показатели пульсаций и шумов не являются критичными характеристиками, импульсные программируемые устройства дают больше гибкости. Импульсные источники питания обеспечивают большие величины выходной мощности за ту же цену в меньшем корпусе. Имея лучшие заданные величины, они обеспечивают широкие диапазоны выходных напряжений и токов, тем самым расширяя возможности для тестирования устройства.
Время реакции на изменение нагрузки.
С течением лет, инновации в электроники мощности (например, мягкое переключение), улучшили показатели пульсаций и шумов в импульсных источниках питания, тем самым отодвинув их на задний план. Другие характеристики стали главными элементами в прикладных потребностях. Одна из таких характеристик – время реакции на изменение нагрузки. Другими словами, этот показатель дает ответ на вопрос: как быстро источник питания отреагирует на изменение нагрузки. Или как быстро источник питания справляется со скачками тока. Когда выходной ток быстро меняется в большом диапазоне – выходное напряжение увеличится или уменьшится значительно за короткий отрезок времени. Моментально внутренняя управляющая напряжением цепь постарается вернуть мощность к заданному показателю. Это компромисс между внутренней контролирующей цепью и выходным фильтром. Фильтр с высокими выходными значениями ограничит шумы и пульсации, но заставит устройство работать медленнее, чтобы быстрее отреагировать на быстрое изменение нагрузки. Внутренняя схема контроля восстановит напряжение очень быстро, но в то же время скачки могут быть значительными, что потенциально может навредить тестируемому устройству.
Примером может служить тестирование мобильного телефона. В этом случае источник симулирует работу внутренней батареи телефона, где всплески мощности вызывают быструю реакцию на изменение нагрузки. Это не проблема для телефонной батареи, но для импульсного программируемого источника питания – это сложная задача. Здесь линейное устройство будет лучшим выбором, так как требуется небольшая выходная мощность и время реакции на изменение нагрузки лучше, чем у импульсных источников. Примерами использования импульсных источников являются тестирование реле и предохранителей, которые используются в автомобилях. Здесь требуются высокие токи до 30 Ампер. Требуемая мощность от 5 до 10 кВатт. В этом случае слишком большие скачки выходного напряжения могут вывести из строя реле или предохранитель, регулируя выходной ток мгновенно от 0 до максимального значения или наоборот.
На практике, для ограничения скачков используется предварительная нагрузка. Размещение ее параллельно с тестируемым устройством ограничивает процент изменения тока, заставляя скачки напряжения уменьшиться. Представим, что 50% тока проходят через дополнительную нагрузку и 50% через тестируемое устройство. Когда устройство создает 100% изменение, источник видит только 50%. Основное изменение всегда сначала проходит через дополнительную нагрузку. Для источника управлять 50% изменением проще, чем 100%-м. В этом случае практически устраняется скачок напряжения и возможность повреждения тестируемого устройства. Для предварительной нагрузки может использоваться любая простая недорогая активная нагрузка. Чтобы получить быструю реакцию и уменьшить скачки напряжения не имеет значения поглощает ли она 40%, 50% или 60% требований тока.
Скорость изменения выходного напряжения
Следующая характеристика для рассмотрения – это скорость изменения выходного напряжения (нарастание и спадение). Чтобы уменьшить пульсации и шумы в источниках питания есть выходные фильтры, который включает конденсаторы большой емкости. Емкость конденсаторов определяет время нарастания и спадения напряжения. Это зависит главным образом от конструкции LCR контура и его временных констант. Время нарастания достаточно мало и удовлетворяет большинству приложений. Время спадения зависит не только от LCR контура, но и от подключенного DUT. Если ток, проходящий через конечное устройство, относительно низок по сравнению с источником питания, то может понабиться некоторое время, прежде чем вся сохраненная энергия «просочилась» через тестируемое устройство. Если ток, протекающий через DUT значительно меньше по сравнению с пропускающей возможностью источника, может пройти достаточно много времени пока вся сохраненная энергия «вытечет» из тестируемого устройства. Если DUT требует минимального изменения тока по крайней мере на 60% от возможности источника питания, то сохраненная энергия вытечет мгновенно и время спадения напряжения будет минимальным. Однако, в большинстве случаев время спадения в 2-3 раза больше чем время нарастания.
Как улучшить время нарастания: нужно выбрать программируемый источник питания с более высоким диапазоном выходных значений. Например, если DUT – это автомобильное устройство и источник питания на 60 Вольт будет достаточен для всех тестовых приложений, целесообразнее выбрать источник на 60 В, но использовать только 30 В. Емкость конденсатора поддерживающего 60В будет значительно меньше, чем на 30 В, таким образом при программировании источников от 0 до 30 В или до 60 В время нарастания будет одинаковым. Другими словами, если рассматривать время нарастания напряжения в В/мс, источник питания на 60 В будет быстрее.
Как улучшить время спадения: использовать предварительную нагрузку, подключенную параллельно к ТУ или источнику питания. Важно, чтобы объединенное значение выходного тока предварительной нагрузки и ТУ составляло по крайней мере 65% от выходного тока источника питания. Такой метод требует большей мощности от источника как широкого диапазона выходного напряжения так и тока. Обычно скорость изменения выходного тока 45 А/мс, но производятся и устройства для полупроводниковых лазерных приложений. Такие источники обладают скоростью изменения до 400 А/мс.
Еще более высокая скорость реакции возможна при последовательном размещении электронной нагрузки и источника постоянного тока и при использовании электронной нагрузки как токового модулятора. Такая комбинация позволяет достигнуть скорость реакции до 6000 А/мс.
Нестабильность по нагрузке
Эта характеристика означает изменение постоянного выходного напряжения от установленного до соответствующего на выходе ТУ. Для нормальной работы этот эффект должен быть очень мал (менее 0,01 % от установленного выходного напряжения). Только если внутреннее сопротивление источника сравнительно велико, нестабильность по нагрузке становится нежелательным фактором.
Нестабильность по сети
Одно из требований автоматического испытательного оборудование – это использование его в разных странах. Часто характеристики переменного тока нестабильны или даже отличаются по напряжению. Нестабильность по сети устанавливает процентное изменение выходного напряжения или тока как функцию от входного переменного тока.
Стабильность
Стабильность определяет долгосрочный дрейф выходного напряжения и электрического тока. Для более определенной привязки к приложению, пользователю важно знать, насколько постоянны выходных значений и их максимальную близость к установленным значениям. Особо важен этот параметр применительно к приложениям, когда источник питания используется для питания электромагнитов и работает в режиме постоянного тока. Постоянство создаваемого магнитного потока гарантируется постоянством выходного тока источника.
Параллельное подключение источников питания.
В случаях, когда требуется увеличение значения выходного тока, решением является параллельное подключение источников питания. В описываемых устройствах используется специализированная параллельная шина управления, которая многократно подключает источники. Преимущество использования такой шины в том, что действие запараллеленных устройств определяется, как действие единого источника. Полученная система автоматически создает конфигурацию, сама идентифицирует, какие источники ведущий, какие ведомые. Если ТУ обладает быстрой реакцией на изменение нагрузки, иногда рекомендуется использовать блокирующие диоды на положительном выходе каждого источника. В параллельном режиме устройства могут иметь разные значения выходного тока, но одинаковые значения напряжения. Все ручное или дистанционное управление осуществляется через ведущие источники. Любые считывающие шины так подключаются только через ведущие модули.
Подводя черту, общее значение тока – это сумма значений выходных токов на каждом источнике. Некоторые расширенные модели могут вычислять и отображать общий ток в системе (например Sorensen серия SGI).
Последовательное подключение источников питания.
Определение последовательного подключения звучит очень просто — «только поместите несколько устройств последовательно, соединяя «плюс» одного устройства с «минусом» другого». Но существуют некоторые ограничения. У каждого программируемого источника питания есть такие характеристики как изоляция напряжения. Одна характеристика для отрицательной изоляции и одна для положительной. Например если максимально допустимая отрицательная изоляция 150 В и максимально допустимая положительная 600 В, можно взять источники питания на 150 В и соединить их последовательно в систему на 600 В до тех пор пока суммарное значение напряжение не превысит 600 В.
Самое высокое выходное напряжение при последовательном соединении, которое может обеспечить AMETEK, 1200 В. В этом случае обязательно общее заземление и ТУ, подключенное через 1200 В остается незаземленным. Типичное применение: тестирование инвертера напряжения солнечных батарей. При последовательном подключении не существует определения ведущий/ведомый. Другими словами, каждый источник питания должен быть запрограммирован индивидуально. Для дистанционного управления все интерфейсы должны быть изолированы оптронной парой (комбинация из светоизлучателя и фотоприемника, используемая для передачи сигналов между гальванически развязанными цепями). Используемые интерфейсы:
- аналоговые;
- RS-232;
- RS-485;
- Ethernet.
Цифровое программирование
Точная установка выходных значений напряжения и тока определяется высокой разрешающей способностью различных цифровых интерфейсов. Для этого определяется точность и разрешение установки выходных значений напряжения и тока. AMETEK предлагает offers RS-232, RS-485, USB, GPIB и Ethernet управление. Цифровая инфраструктура всех этих интерфейсов обеспечивает 16-разрядное разрешение с многоточечной встроенной таблицей ссылок для калибровки линейности ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) и возмещает ошибки. Важно, что все интерфейсы SCPI совместимы, что совмещает простое программирование и низкие переходные издержки.
Программирование с помощью SCPI команд предполагает активацию дополнительных особенностей, таких как задание последовательности выполнения операций. Управление источником питания командами SCPI затрачивает от 25 до 50 мс за команду. Возможность задания последовательности позволяет загружать программу автоматического запуска, которая может пробежать ряд шагов изменения напряжения или тока или пилообразных сигналов со скоростью 1мс. Эта функция не может быть выполнена традиционным SCPI удаленным программированием. Примеры применения – это автомобильное тестирование согласно стандарту ISO 7637 или оценка плавких предохранителей согласно стандарта IEC 60269.
Важно, что доступны IVI драйвера. Большинство других драйверов может быть создано простым преобразованием IVI драйверов.
Аналоговое программирование
Каждый программируемый источник питания AMETEK использует стандартный изолированный аналоговый интерфейс. С помощью аналогового интерфейса могут быть установлены значения выходного напряжения, тока и защиты от скачков напряжения. Управление происходит с помощью аналогового сигнала напряжения, сигнала тока или резистора. Примером может служить использование программируемого логического контроллера для управления устройством или термистор, контролирующий выходы устройства.
Шины считывания
Шина считывание определяет размеры и соединена с выходом, для регулировки напряжения в заданных точках. Когда провода шины соединены непосредственно с терминалом вывода источника питания, они называются «локальные». По умолчанию, AMETEK поставляет новые источники питания с конфигурацией для локального считывания. В зависимости от модели, кабели шины могут быть соединены с выходом внутри устройства или через внешние перемычки. Дл точной установки выходного напряжения должен использоваться режим удаленного считывания. В этом режиме регулировка источника питания происходит под нагрузкой. Этот метод компенсирует падение напряжение через кабель. Если шины считывания длинные рекомендуется использовать экранированные кабели во избежание любого вмешательства, наложенного на главный выход. Режим считывания может компенсировать падение напряжение значительно больше, чем заявленные 5-10%. Проблема в том, чтобы другие характеристики, например, скорость реакции, не пострадали от потери считывания.
В заключение
Для выбора программируемого источника питания требуется рассмотреть множество параметров: фундаментальные характеристики, управление, и т.д. Самое важное – начать с потребностей для корректной работы приложения, понять, каким образом должно работать ТУ и какие пределы режимов работы необходимы согласно стандартам.
Источник
Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения
Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.
Источники постоянного электрического тока
Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:
- механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
- тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
- химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
- световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.
В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.
Тепловые источники
В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.
Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.
Световые источники
Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.
Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.
Химические источники
Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:
- гальванические элементы, являющиеся первичными источниками ;
- электрические аккумуляторные батареи (АКБ), или вторичные ХИТ;
*ХИТ — химические источники тока.
Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).
Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:
- солевые или «сухие»;
- щелочные;
- литиевые.
В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).
В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.
Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.
К основным видам аккумуляторов относятся:
- свинцово-кислотные;
- никель-кадмиевые щелочные;
- литий-ионные.
Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).
Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.
В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.
Механические источники постоянного тока
Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.
Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:
- однополупериодые выпрямители;
- двухполупериодные выпрямители.
В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.
Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.
Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.
Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.
Регулирование источника
Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.
В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.
При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.
Импульсные источники
Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.
Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.
Сравнение источников
Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.
Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.
Заключение
В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.
Источник