Изолированный силовой модуль magi3c для управления 24-в промышленной шиной.

В статье рассматриваются вопросы обеспечения питания от 24-В шины для промышленной управляющей системы с помощью изолированных модулей DC/DC-преобразователей.

Каждому блоку промышленной управляющей системы требуется напряжение питания. Поскольку такие блоки составляют лишь небольшую часть оборудования, при выборе подходящего источника питания учитывается множество параметров. При проектировании DC/DC-преобразователя разработчику необходимо получить ответы на следующие вопросы: 1) диапазон входного и выходного напряжений; 2) необходимая мощность.

Мы кратко остановимся на рассмотрении некоторых основных ключевых параметрах.

ВЫБОР ИЗОЛИРОВАННОГО СИЛОВОГО МОДУЛЯ

Следующие приложения являются типовыми для промышленных предприятий, к которым относятся заводы по розливу, прокатные станы, конвейерные ленты и печатные станки:

• гальваническая изоляция интерфейса/шины: RS232, RS485, CAN, Interbus, Profibus;
• гальваническая изоляция цифровых схем;
• питание изолированных усилителей, АЦП;
• измерения и сбор данных.

У всех этих приложений - одна общая черта: входное напряжение питания изолировано от напряжения шины. Зачем гальванически изолировать питание от шины или коммутационных компонентов в целом? Гальваническая развязка предотвращает отказы, которые могут передаваться от источника питания на шину и нарушать ее работу. На рисунке 1 с типовым применением изолированного силового модуля показана настройка связи по интерфейсу RS485 с основными функциональными блоками.

Рис. 1. Типичное применение гальванически изолированного силового модуля

Функциональные блоки для гальванической развязки

Блок микроконтроллера (МК) предоставляет данные приемопередатчику RS485 и принимает их от него. Блок гальванической развязки сигналов обеспечивает изоляцию с помощью оптронов. Гальваническая развязка заземления между блоком изоляции сигналов и приемопередатчиком достигается с помощью силовой развязки - модуля DC/DC-преобразователя.

Широкий диапазон напряжений - расширенная область применения

На протяжении нескольких десятилетий в качестве типичного промышленного диапазона входного напряжения используется 8-42 В. Такой выбор обусловлен двумя причинами. Во-первых, он отвечает требованиям существующих стандартов, например IEC61131—2 для программируемых логических контроллеров (ПЛК). Во-вторых, опыт эксплуатации источников электропитания и условия монтажа подтверждают правильность выбора этого диапазона напряжения. Заметим, что наиболее часто используемые напряжения шины 12 и 24 В как раз относятся к этому классическому диапазону.

Как правило, в промышленности применяются изолированные преобразователи 2:1 и 4:1 для покрытия широкого диапазона входного напряжения 8-42 В (см. рис. 2). Первое число в обозначении 2:1 или 4:1 определяет коэффициент, который умножается на минимальную величину входного напряжения, определяя максимальное значение диапазона напряжения. Например, у преобразователя 2:1 с минимальным значением входного напряжения 4,5 В входной диапазон составляет 4,5-9 В.

Рис. 2. Промышленный диапазон напряжения в зависимости от типов преобразователей

Если требуется другой диапазон напряжения, выбирается модуль иного типа. Ни один из широко предлагаемых модулей 2:1 и 4:1 не работает во всем промышленном диапазоне напряжения. Модуль 5:1 в корпусе SIP-8 от Würth Elektronik функционирует во всем промышленном диапазоне 8-42 В. Если учесть также, что диапазон регулируемого выходного напряжения составляет 3,3-6 В, преимущества этого модуля станут еще более очевидными. Он может работать с широко распространенными приложениями с интерфейсами CAN или RS485, где требуются изолированные преобразователи мощностью 1 Вт с выходным напряжением 3,3 или 5 В.

Для питания приложения напряжением 3,3 или 5 В необходимы силовые модули двух типов. Модуль 5:1 в корпусе SIP-8 с регулируемым выходным напряжением и широким диапазоном входного/выходного напряжений позволяет сократить количество преобразователей разных типов, а также число схемных решений, которые необходимо разработать, сконфигурировать, протестировать, подтвердить на соответствие допустимым уровням ЭМП.

ГРАНИЦЫ ДИАПАЗОНА ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 

Общие понятия

Для дальнейшего рассмотрения полезно иметь общее представление о том, какие напряжения используются в промышленном приложении и почему. Между отдельными частями таких приложений проходят длинные соединительные линии. Во многих случаях длина этих линий достигает десятков метров.

На рисунке 3 показана базовая структура промышленного предприятия. В настоящее время электроснабжение осуществляется через стойки с импульсными источниками питания или трансформаторными блоками питания. Источники питания с трансформаторами все еще часто применяются в приложениях достаточно высокой мощности. Отдельные части приложений питаются по шине постоянного тока. На местах эксплуатации каждая отдельная электрическая нагрузка подключается через распределительные линии к напряжению 24 В. Легче генерировать 24 В в централизованной стойке и обеспечивать питание через шину постоянного тока, чем распределять опасные 230 или 400 В переменного тока. В результате также уменьшается количество раздельных источников питания.

Рис. 3. Базовая структура электропитания промышленного предприятия

В этой структуре на напряжение шины постоянного тока влияют три основных фактора:

• напряжение от источника питания;
• помехи на шине постоянного тока из-за параллельно проложенных кабелей;
• падение напряжения из-за протекания тока.

Чтобы понять, как определяется нижний предел напряжения, рассмотрим падение напряжения из-за тока.

МИНИМАЛЬНОЕ ВХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ - НИЖНИЙ ПРЕДЕЛ

Обычно поперечные сечения кабелей для шины постоянного тока выбираются исходя из опыта и грубой оценки с помощью таблиц. Заметим, что обычно кабели имеют конструктивное ограничение, позволяющее избежать их перегрева. Это значит, что падение напряжения на соединительной линии в большинстве случаев не принимается в расчет. В свою очередь, оно определяется разницей в уровнях напряжения между выходным напряжением источника питания V_0UT и входным напряжением системы +V_IN.

Для лучшего понимания приведем числовой пример расчета с реальными значениями параметров, которые используются на промышленном предприятии:

• напряжение шины: 24 В;
• ток (ном.): 4 А;
• длина соединительной линии I: 60 м;
• площадь поперечного сечения S: 0,75 мм²;
• удельное сопротивление Q: 0,0172 Ом-мм²/м.

Для расчета электрического сопротивления воспользуемся формулой (1):

R= Q* I/S = 0,0172 Ом-мм²/м * 60 м/0,75 мм² = 1,376 Ом. (1)

Для расчета падения напряжения на соединительных линиях умножим ток, протекающий через сопротивление кабеля, на величину сопротивления при постоянном токе R (2):

V = 4 А * 1,376 Ом = 5,504 В. (2)

Таким образом, на питающем входе приложения, например ПЛК, не обеспечивается номинальное напряжение, т. к. на этот контроллер подается напряжение величиной всего 24-5,5 В = 18,5 В. В соответствии с требованиями стандарта на ПЛК IEC 61131-2, диапазон входного напряжения питания установлен равным 19,2-30 В. При напряжении питания 18,5 В произойдет отключение контроллера при пониженном напряжении, и он прекратит работу.

Нижний предел рабочего напряжения 8 В для модуля в корпусе SIP-8 позволяет не считаться с падением напряжения в соединительных проводах и установить прибор достаточно далеко от стойки. Кроме того, для защиты от падения входного напряжения ниже 9 В в типовом приложении с напряжением 9 В можно установить цепь обнаружения пониженного напряжения.

МАКСИМАЛЬНОЕ ВХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ - ВЕРХНИЙ ПРЕДЕЛ

Для определения максимального входного напряжения рассмотрим функциональные блоки промышленного предприятия (см. рис. 3): источник электропитания, шину постоянного тока и электрические нагрузки. На сам источник электропитания, например трансформаторный источник питания без последующей схемы стабилизации, подается 3-фазное напряжение величиной 380 В АС -15%/+20%; при этом возможно, что напряжение на шине постоянного тока отличается от номинального 24 В. Следует учитывать колебания входного напряжения при отключении нагрузки, например электродвигателей переменного тока, подключенных к этим же линиям переменного тока.

Напомним, что и нагрузки подключаются к источнику питания через шину постоянного тока с помощью кабеля длиной около 10 м. Кабель может работать как антенна, принимая помехи от соседних импульсных нагрузок, например от преобразователей частоты. Эти помехи могут распределяться по всей шине постоянного тока и поступать в каждое подключенное приложение. Кроме того, подключение разных нагрузок со стороны входа к одной и той же шине постоянного тока может привести к взаимодействию. Например, в результате индуктивной связи появляются скачки напряжения из-за переходных процессов и броски питания при сбросе или набросе нагрузки. Максимальное значение входного напряжения определяется двумя факторами.

К первому из них относится технически возможное значение максимального выходного напряжения источника питания, а ко второму - максимальное пиковое напряжение на входном защитном элементе приложения с номинальным напряжением 24 В.

Каждый импульсный или трансформаторный источник питания имеет один или несколько выходных электролитических конденсаторов для стабилизации и фильтрации выходного напряжения (см. рис. 3). Номинальное напряжение этих конденсаторов составляет 35 В при номинальном выходном напряжении 24 В. В стандарте IEC 60384-4, разд. 4.14, определены пиковые напряжения и их частота на протяжении всего срока службы электролитического конденсатора, которые не наносят ему видимых повреждений или не вызывают изменения емкости более чем на 15%. Стандарт уста на вливает, что допустимое пиковое напряжение в 1,15 раза превышает номинальное. Таким образом, в случае если номинальное напряжение равно 35 В, допустимое пиковое напряжение конденсатора не должно быть больше 40,25 В.

Для защиты входа приложения от переходных перенапряжений обычно используются ограничители бросков напряжения (TVS), или супрессоры. Диод отводит ток от нагрузки для ее защиты при возникновении высоковольтного импульса перенапряжения, превышающего напряжение пробоя V_BR. Супрессор ограничивает всплеск напряжения уровнем V_Clamp

Рассмотрим несколько рекомендаций для защиты 24-В приложения от переходных процессов можно воспользоваться следующими.

Диод TVS начинает проводить при максимальном обратном напряжении V_RMW; при этом ток незначителен и составляет всего несколько мкА. Следовательно, номинальное рабочее напряжение нагрузки и ее допустимое напряжение должно быть выше V_RMW. Для шины с номинальным напряжением 24 В приня-тымзначением напряжения супрессора от Würth Elektroniknenn-ется 26 В V_RMW. Если напряжение переходного процесса достигает величины V_BR, диод начинает проводить ток 1 мА.

Поскольку у супрессоров допустимые значения напряжения пробоя указываются производителем в определенном интервале между минимальной и максимальной величинами, невозможно точно определить точку срабатывания. В нашем примере с V_RMW равным 26 В диапазон срабатывания составляет 28,9-31,9 В. Диод в состоянии ограничивать максимальное напряжение V_aamp, проводя при этом максимально допустимый ток 1_Реак. У TVS-диода с обратным напряжением V_RMW равным 26 В напряжение V_aamp обычно составляет 42,1 В. Сравнивая TVS-диоды от разных производителей, можно заметить, что все типовые значения этих супрессоров находятся примерно в одном диапазоне.

TVS-диод защищает модуль DC/DC-преобразователя в 24-В системе от выбросов, превышающих абсолютные максимальные значения V_INMAX. Как правило, чем выше это значение, тем проще разработать приложение с использованием супрессора и входного фильтра. Из этого следует, что труднее найти корректно работающий супрессор, если номинальное рабочее входное напряжение близко к максимальному входному напряжению модуля V_INMAX.

Наконец, величина 42 В, выбранная в качестве максимального рабочего входного напряжения V_IN изолированногосило-вого модуля в корпусе SIP-8, является подходящим значением, обеспечивающим устойчивость к воздействию напряжения в переходных процессах в диапазоне 40,25-42,1 В.

ДИАПАЗОН ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

3,3 В и 5 В являются стандартными значениями напряжения питания ИС в промышленных приложениях по управлению, к которым относятся:

• гальваническая изоляция интерфейсов/шины RS232, RS485, CAN, Interbus, Profibus;
• гальваническая изоляция цифровых схем;
• питание изолированного усилителя или АЦП;
• измерение и сбор данных.

Широко распространенные на рынке изолированные силовые модули обеспечивают фиксированное выходное напряжение.

Изолированный модуль DC/DC-преобразователя в корпусе SIP-8 обеспечивает регулируемый диапазон напряжения, поскольку в некоторых случаях требуется установить выходное напряжение немного выше номинального рабочего напряжения нагрузки, чтобы повысить устойчивость, например, к кратковременным посадкам напряжения, что позволяет уменьшить емкость сглаживающего конденсатора.

РЕЖИМЫ ПРЕВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ

На промышленном предприятии происходит взаимное влияние источников питания, нагрузок и помех. Поскольку многие параметры трудно рассчитать, они могут измениться в процессе реализации. Важным параметром является мощность для питания нагрузки. Чтобы ее можно было при необходимости повысить, требуется обеспечить гибкость разрабатываемого приложения.

Функция повышения мощности позволяет увеличить выходную мощность силового модуля до значения выше номинального как в статическом, так и в динамическом режиме. В первом случае дополнительная мощность подается в течение продолжительного времени. В динамическом режиме функция усиления обеспечивает даже кратные значения номинальной мощности за ограниченное время. При этом требуются периодические циклы охлаждения.

Благодаря функции повышения номинальной мощности расширяются возможности применения силового модуля, с помощью которых обеспечивается:

• непредусмотренное увеличение нагрузки (см. рис. 4) [1];
• постоянная зарядка емкостных нагрузок без просадки напряжения (см. рис. 4) [2];
• резервное питание для кратковременного повышения энергопотребления приложения;
• срабатывание предохранителей на входе подключенных устройств в случае перегрузки (более высокий ток для безопасного отключения; см. характеристику срабатывания предохранителя на рисунке 4) [3].

Рис. 4. Режимы повышения мощности

С учетом всех этих требований был разработан модуль VISM 17791063215 в корпусе SIP-8 серии Fusion. Этот новый модуль Magl³C, работающий с напряжениями шины 9/12/24 и 36 В вочень широком диапазоне входного напряжения 8-42 В, функционально представляет собой изолированный DC/DC-преобразователь с ИС для ШИМ-уп равнения, силовым каскадом, трансформатором, входными и выходными конденсаторами.

Точно стабилизируемое выходное напряжение настраивается в диапазоне 3,3-6,0 В. Выход модуля постоянно защищен от короткого замыкания. 1-Вт модуль питания обеспечивает тройную мощность, превышающую номинальную, с помощью функции Power Boost. Таким образом, осуществляется питание приложений с пиковой потребляемой мощностью до 3 Вт. Выводы ВКЛ./ВЫКЛ. превращают модуль в источник питания с дистанционным управлением. Благодаря своим уникальным функциям этот модуль предназначен для таких приложений как питание интерфейсов, микроконтроллеров, систем промышленного управления и контрольно-измерительного оборудования.

Подробнее:
MagI³C-VISM Variable Isolated SIP Module
17791063215 Würth Elektronik

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты" №4, 2021 г.