Программируемые блоки питания. Программируемые (лабораторные) источники питания

— Кушать подано!
Слуга

Рис. 1.

Lambda доступны опционально):

• RS-232 / RS-485 ;

• использованием порта USB;

Выходные характеристики

• номинальный выходной ток;

Входные характеристики

• входное напряжение/частота;
• входной ток;
• пусковой ток;
• коэффициент мощности;

Режим постоянного напряжения

• шум и пульсация;

Режим постоянного тока

• максимальная нестабильность при изменении напряжения сети;
• максимальная нестабильность при изменении нагрузки;
• шум и пульсация;
• температурные коэффициент и дрейф;

Программирование и мониторинг

• наличие самоконтроля;

Таблица 1.

— Кушать подано!
Слуга

Все, даже те, кто никогда не ходил в театр, наверняка слышали фразу, взятую эпиграфом для данной статьи. Как правило, на этом маленькая, но великая роль актера заканчивалась, и зритель, обладающий хоть небольшим количеством фантазии, мог самостоятельно поразмышлять: что подано, в каком количестве и т.д. Особенно, если основная сюжетная линия уже давно от него ускользнула.

Однако, при работе с источниками вторичного электропитания (ИВЭП), полагаться на фантазию вряд ли будет даже очень творческий человек. Кроме того, возможностей обычного ИВЭП на сегодняшний день все чаще становится недостаточно.

Что же и как «готовит» программируемый источник питания, в отличие от обычного?

Программируемый источник питания, помимо основной функции выдачи напряжения и тока с высокой точностью, способен заменить часть лабораторно-испытательного комплекса, моделируя различные условия (например, выявить неожиданное поведение устройства, имитируя разряд батарей до определенного уровня, или скачок напряжения из-за внешних негативных явлений). Он может выполнять значительную роль в промышленных и технологических процессах, где на протяжении времени требуется постоянное изменение параметров питания (например, в электролитических процессах, при фьюзинге) или наоборот, гарантированно обеспечивать необходимым постоянным режимом по току или напряжению. И более того — он способен воспринимать внешнее управление, т.е. грамотно реагировать при изменении каких-либо условий, трудно прогнозируемых в плане очередности возникновения. На рисунке 1 показана одна из множества схем применения — контроль с учетом влияния проводов нагрузки.

Рис. 1.

Лабораторное же применение вообще безгранично: эталонный источник для отладки блоков питания и проверки измерительных приборов, генератор мощных импульсов напряжения и/или тока. А источник, оснащенный подключением к Ethernet, всегда можно выключить дистанционно, если, уходя с работы, вы забыли это сделать.

Задание режимов (программирование) и мониторинг источника питания осуществляется несколькими способами (в некоторых моделях источников питания Lambda доступны опционально):

• использованием встроенного порта связи RS-232 / RS-485 ;

• использованием порта USB;
• через интерфейсную шину общего назначения GPIB (в основном, требуется для объединения нескольких модулей для совместной работы);
• изолированным аналоговым управлением 0…5В или 0…10В и 4…20мА (например, для контроля в случае, когда в режиме стабилизации напряжения на проводах нагрузки имеется существенное падение напряжения или тока);
• через интерфейс LAN (стандарт LXI (LAN eXtensions for Instrument) Class C).

При этом, программируемые источники Lambda могут поддерживать связь между собой, осуществляя совместную, параллельную или последовательную, работу, если запрошенный режим превышает возможности одного модуля (серия «Genesys» позволяет интегрировать в систему до 31 ИП).

Разумеется, варианты управления — важная, но не единственная черта подобных источников питания. При выборе оптимальной модели для требуемых задач и для надежной, стабильной работы необходимо учесть следующие параметры:

Выходные характеристики

• номинальное выходное напряжение;
• номинальный выходной ток;
• номинальная выходная мощность;

Входные характеристики

• входное напряжение/частота;
• входной ток;
• пусковой ток;
• коэффициент мощности;

Режим постоянного напряжения

• максимальная нестабильность при изменении напряжения сети;
• максимальная нестабильность при изменении нагрузки;
• шум и пульсация;
• температурные коэффициент и дрейф;
• наличие коррекции удаленного (проводного) считывания;
• время нарастания, спада и удержания;
• длительность переходного режима;

Режим постоянного тока

• максимальная нестабильность при изменении напряжения сети;
• максимальная нестабильность при изменении нагрузки;
• шум и пульсация;
• температурные коэффициент и дрейф;

Программирование и мониторинг

• точность и резолюция программирования;
• возможность программирования переменным резистором;
• точность мониторинга выходного напряжения и тока;
• наличие самоконтроля;
• наличие дистанционного управления включением/выключением и активацией/блокировкой;
• режим параллельной и последовательной работы;
• наличие внутренних, внешних индикаторов и органов управления.

Ну и, разумеется, необходимо учитывать массогабаритные характеристики, корпусное исполнение, возможность работы в требуемых условиях окружающей среды, а также — наличие защитных функций и соответствие стандартам безопасности и EMC.

Ниже, в сравнительной таблице характеристик моделей серии ZUP от TDK-Lambda, можно увидеть большую часть параметров, характеризующих программируемые источники питания.

Таблица 1. Характеристики моделей серии "ZUP" мощностью 200 и 400 Вт

Компания TDK-Lambda, мировой лидер в производстве источников питания, выпускает достаточное количество моделей современных программируемых источников питания, отвечающих всем современным требованиям, что позволяет выбрать наиболее оптимальное решение. Кроме того, компания имеет представителя в России (технического специалиста), что сокращает время разработки и позволяет получить оперативные технические консультации.

На российском рынке компания представляет три основные серии программируемых источников: ZUP, Z+ и GENESYS.

Серия ZUP — это первое семейство лабораторных (программируемых) источников питания TDK-Lambda. Серия разделяется на группы ZUP200 , ZUP400 и ZUP800 (здесь и далее цифры обозначают мощность в ваттах) и содержит 19 моделей.

Обозначение моделей интуитивно понятно: если рассматривать название "ZUP 60-14", то сразу можно определить, что максимальные выходные параметры данного источника 60 В — 14 А.

Модели серии "ZUP" имеют универсальный корпус: в базовой комплектации — обычный настольный вариант, при желании источники интегрируются в сдвоенную систему с добавлением выходов питания или монтируются в 19" стойку, занимая 3U и обеспечивая суммарную мощность до 2,4 кВт (необходимые опции для этого следует заказывать отдельно). Размер корпуса каждой модели един: 70х124х350 мм (ШхВхД), что позволяет легко объединять различные варианты, получая большую функциональность при сохранении эстетичности внешнего вида (рисунок 2). Помимо этого, источники могут объединяться до пяти единиц параллельно в режиме «ведущий-ведомый», обеспечивая больший выходной ток. Для получения более высокого напряжения можно объединить два блока последовательно.

Рис. 2.

Все модели серии ZUP питаются однофазной сетью 85…265 В/47…63 Гц с активной коррекцией коэффициента мощности (0,99 при 100/200 В, номинальная мощность), имеют возможность программирования через аналоговый вход напряжением 0…4 В и переменным резистором 0…4 кОм, обладают несколькими настраиваемыми вариантами защиты: отключаемым Foldback (отключение выхода при смене режима), защитой от перегрузки и КЗ.

Основные характеристики моделей данной серии представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 2. Характеристики моделей серии "ZUP" мощностью 800 Вт

Источники питания TDK-Lambda серии ZUP работают при температуре окружающей среды 0…50°С в режиме 100% цикла, соответствуют стандартам безопасности UL3111-1, EN61010, ЕМС EN61326-1, IEC61326-1, FCC — часть 15 (класс A), имеют сопротивление изоляции более 100 МОм (при 25°С, 70% RH).

Серия Z+ — новое поколение источников TDK-Lambda номинальной мощностью 200/400/600/800 Вт. Среди изделий имеются модели с выходным напряжением до 100 В, током до 72 А. Модели серии "Z+" на 33% меньше по размеру (в отличие от серии "ZUP, данные модели занимают размер 2U по высоте) и на 40% легче источников питания серии ZUP и других аналогичных продуктов на рынке. Таким образом обеспечивается увеличение плотности мощности (соотношение мощности к размеру) на 49%, а грамотно продуманная вентиляция (сквозная) повышает надежность. Опционально доступны передние панели с выходными клеммами (рис. 3) и корпус для двух источников.

Рис. 3.

В 19» стойку помещается до шести источников в минимальном корпусе и до четырех в корпусе с выходными клеммами. Варианты моделей представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры программируемых источников питания серии Z+

Серия компактных программируемых источников Z+ разработана как улучшенная замена популярной серии ZUP и, одновременно с этим, является новым поколением программируемых источников. Данные источники оптимально подходят для широкого круга научных и промышленных приложений.

Источники питания серии Z+ имеют широкий диапазон входного питания (85…265 В), активную коррекцию коэффициента мощности, программируемые режимы автоматического перезапуска, защиты от перегрузки и КЗ.

Функция активного распределения тока позволяет подключать параллельно до шести источников питания, увеличивая значение выходного тока и общую мощность. Если требуется получить большее или биполярное напряжение, источники могут быть соединены последовательно до двух единиц.

Серия Z+ имеет две очень полезные особенности:

• наличие USB-интерфейса управления, благодаря которому источники питания можно использовать совместно с программами LabView и LabWindows;
• автономность работы: сохранение в памяти до четырех программ генерации питания и режимов, благодаря чему моделирование различных физических процессов, таких как имитация бортовой сети автотранспорта, систем питания лазеров и т.д., стало намного удобнее.

Модули серии Z+ имеют интерфейсы программирования RS-232, RS-485, аналоговое управление и мониторинг с режимами 0…5 В и 0…10 В. Опционально источники могут поставляться с изолированными аналоговыми интерфейсами IS420 (программирование уровнями тока) и IS510 (программирование уровнями напряжения), LAN-интерфейсом стандарта LXI и IEEE (GPIB).

Серия Z+ получила маркировку CE благодаря соответствию директиве МЭК в области низких напряжений, а также — соответствию требованиям EN55022-B, FCC часть-15-B, VCCI-B по ЭМС, отраженной и излучаемой помехе. Также Z+ соответствует стандартам безопасности UL/EN/IEC61010-1 и удовлетворяет требованиям UL/EN60950-1. Гарантия на источники составляет пять лет.

Отличительная особенность серии Genesys — высокая мощность, позволяющая использовать эти ИП в энергоемких технологических процессах. Классификация серии разбита на четыре группы (по высоте корпуса):

Genesys 1U Half rack мощностью 600…780 Вт (таблица 4), Genesys 1U — 600…2400 Вт (содержит в себе всю предыдущую линейку Half rack) (таблица 5), Genesys 2U — 3,2…5,2 кВт (таблица 6) и Genesys 3U — 7,5…15 кВт (таблица 7).

Таблица 4. Модели программируемых источников питания серии Genesys 1U Half rack

Таблица 5. Модели программируемых источников питания серии Genesys 1U (ряда 1,5 кВт)

Семейство программируемых (лабораторных) источников питания Genesys устанавливает новый стандарт гибкости и надёжности систем преобразования AC/DC для производителей электронного оборудования, промышленных и лабораторных применений.

Новые программируемые ИВЭП с высокочастотным преобразованием серии Genesys обеспечивают высокую удельную мощность, низкий уровень пульсаций и полный набор дружественных пользователю интерфейсов.

Доступны модели с работой от однофазных и трёхфазных сетей переменного тока. Они характеризуются активной коррекцией мощности, обеспечивающей КМ 0,99 (тип) при полной нагрузке и подключении к однофазной сети и КМ=0,94 (тип) при работе от трёхфазной сети. Это гарантирует работу при "грязных" питающих сетях переменного тока и соответствует европейским требованиям к ЭМС.

Понятная для пользователя передняя панель обеспечивает надёжное управление изделием. Предусмотрены поворотные кодирующие устройства для высокоточной настройки (6 или 30 оборотов) и четыре цифровые светодиодные измерителя тока и напряжения. Регулируемые защиты от перегрузки по напряжению, низкого входного напряжения и защиты от перегрузки по току (ограничение тока с острой коленообразной характеристикой) обеспечивают ИВЭП дополнительную гибкость. Ограничение тока нагрузки может быть установлено с фиксацией выхода, если того требуют условия безопасной работы.

До четырёх одинаковых блоков могут быть соединены параллельно и сконфигурированы пользователем для управления программированием и контролирования суммарного тока группы блоков. Таким образом, четыре блока могут выступать как один источник питания повышая гибкость для инженеров-разработчиков систем.

Среди вариантов для цифровой связи появилась новая опция, называемая Multi-Drop (Многоточечная линия). Она позволяет ведущему устройству Multi-Drop IEEE управлять многоточечной сетью ведомых устройств через RS-485, избегая установки интерфейсной платы GPIB в каждом ведомом источнике питания. Это понижает общую стоимость системы.

Важные функции безопасности включают в себя перезапуск (Safe Re-Start) и запоминание установленных параметров настройки (Last etting Memory). При безопасном перезапуске пользователь может выбрать, вернется ли источник питания в предыдущие установки после выключения питания или вернется к нулевому (безопасному) выходу, ожидая инструкций от пользователя. Last Setting Memory сохраняет (без батарей) установки выходных напряжения и тока, настройки дистанционного или местного управления, защиты от перенапряжения и недостаточного входного напряжения, ограничения тока нагрузки, скорости передачи данных и режима запуска. На передней панели расположены органы включения/выключения и выбор способа управления. Передняя панель может быть заблокирована вручную или командами программного обеспечения.

Подобно другим изделиям семейства Genesys, новый ряд изделий содержит стандартный встроенный 16-разрядный цифровой интерфейс RS-232/RS-485. Через этот интерфейс до 31 устройства могут управляться при последовательном соединении через шину RS-485. Аналоговое дистанционное управление уровнями напряжения (0-5В или 0-10В) может выбираться пользователям посредством DIP-переключателя на задней панели. В серии Genesys+ еще доступы по умолчанию USB, LAN-интерфейсы. Конструкция источников питания Genesys модульная, это обеспечивает быструю сборку изделий. Технология поверхностного монтажа (SMT) обеспечивает высокую надёжность.

Изолированные цифровой и аналоговой интерфейсы являются опционными. Цифровой интерфейс IEEE соответствует IEEE488.2&SCPI. Доступны программные драйверы LabView. Опции изолированных аналоговых интерфейсов включают: 0-5В/0-10В, токовую петлю 4-20 мА.

Лабораторный программируемый линейный блок питания UnionTest/KORAD UT3005EP и его калибровка/управление

• DIY или Сделай сам

Купил недавно лабораторный блок питания UnionTest UT3005EP (31В 5.1А), это другое название известного блока питания KORAD - чистокровного китайца. Снова оригинальная китайская разработка, а не недоделанная копия. Первые ревизии блоков этой серии (~2012 год) имели недостатки (в частности, на максимальном токе - силовые транзисторы могли перегреться, это обнаружили в видеоблоге eevblog), однако позже они были исправлены. Лично я питаю слабость к 4-х разрядным светодиодным индикаторам - потому мой выбор и пал на блоки питания UnionTest/KORAD с учетом того, что на тестах исправленной ревизии он показывал себя хорошо.

Сначала я по привычке заказал блок напрямую из Китая, но он ко мне не дошел (деньги вернули) - и тут я увидел, что в наличии в московских магазинах по примерно той же цене (5210 рублей за эту модель) продают UnionTest - на первый взгляд KORAD с другим именем. Однако остается вопрос, не распродают ли там случайно старую ревизию железа? Блок я купил, и на внутренности мы сейчас посмотрим. Забегая вперед - ревизия новая.

По работе блока - никаких нареканий, точность индикаторов без калибровки - порядка 1-2% (можно откалибровать до <0.5%, об этом ниже). Можно сохранить 5 пресетов настроек, первые 4 кнопками, 5-я - включается кнопкой М4+колесо вправо. Настройки M5 сохраняются автоматически.

Блок питания линейный - это обеспечивает минимальный шум, однако требует огромного трансформатора. От трансформатора несколько сильноточных отводов - релюшки переключают обмотки трансформатора в диапазонах 0-7В, 7-14, 14-21, 21-31В. Это нужно для того, чтобы на линейном стабилизаторе для низких напряжений не рассеивать слишком много мощности. Для схемы с 4-мя диапазонами - тепловыделение в худшем случае порядка 40 Ватт (5А*~8В). Также есть несколько слаботочных обмоток - двухполярное питания для управляющей схемы, и однополярное питания для платы сопряжения с компьютером. Напряжение регулируется от нуля - соответственно, можно включить 0.05В 5А:-)

Диаметр провода обмотки трансформатора внушает доверие:

Плата силовой электроники. Это новая ревизия с исправленной проблемой перегрева - без проблем выдерживает короткое замыкание и ток 5А длительное время. Обороты вентилятора управляются автоматически в зависимости от расчетной выделяемой мощности (а не температуры) - вентилятор увеличивает обороты сразу после включения «тяжелого режима». При низкой нагрузке вращается медленно и почти не слышно. Конденсаторы после диодного моста - 3x2200 мкф, напряжение с запасом.

На управляющей плате бросается в глаза 13+14 битный (ток+напряжение) R-2R ЦАП управляемый сдвиговыми регистрами 74HC595.

Плата связи с компьютером - с оптоизоляцией + отдельное питание с гальванической развязкой. В левой верхней части платы виден дополнительный фильтр синфазной помехи - еще один признак новой ревизии железа.

Выводы допускают подключение 3-мя способами - «провод в дырку и зажать», «провод вокруг и зажать», вставить «банановый» разъем (banana-plug):

Удаленное управление

VSET1:1.20 ISET1:0.25 ISET1? VSET1? IOUT1? VOUT1? *IDN? OCP0 / OCP1 OVP0 / OVP1 OUT0 / OUT1 STATUS?

Калибровка

Калибруем мультиметр: Для этого нужен точный источник напряжения - его я решил по-быстрому собрать самому, на основе точного источника напряжения REF5050, выдающего 5В с точностью не хуже 0.1%. Поскольку мой мультиметр имеет максимальное отображаемое значение 1999 - 5В даст маленькую точность. Потому резисторным делителем из 0.1% резисторов (с усреднением 3-х резисторов) я его делю в 3 раза - и получаю напряжение 1.666В. Затем нужно найти подстроечный резистор, настраивающий опорное напряжение внутри мультиметра. В моем случае для Uni-T UT70A мне помог гугл.

Калибруем блок питания: Включаем прибор и ждем 2 минуты для прогрева. Выключаем, и включаем при зажатой кнопке M4, далее 4 стадии калибровки:
1) 0 напряжения: измеряем напряжение мультиметром, и крутим колесо, пока оно не будет максимально близко к нулю. Жмем M1 чтобы сохранить. Жмем Voltage/Current для следующей стадии.
2) 0 тока: крутим колесо, пока не будет 0мА тока, жмем М1 чтобы сохранить. Жмем M4 чтобы перейти к следующему шагу.
3) Максимальное напряжение: крутим колесо, пока не будет напряжение ровно 30В. Жмем М1 чтобы сохранить. Жмем Voltage/Current для следующей стадии.
4) Максимальный ток: крутим колесо, пока не будет ток 5А. Жмем М1 чтобы сохранить.
5) Выключить и включить прибор - калибровка завершена.

Резюме

PS. Блок длительное время на максимальной нагрузке в тепловизоре (снято TRIO_Smartcal), температуры вполне скромные:

Update: Внезапно