Правильно организовать ИП для испытаний – это всего несколько простых шагов - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Виробництво і ресурси

1463
Правильно организовать ИП для испытаний – это всего несколько простых шагов

Выбор источника питания (ИП) для испытательной установки – это непростая задача. Здесь необходимо учитывать целый ряд факторов, ряд которых будет рассмотрен ниже.

 

Как правильно выбрать точку стабилизации напряжения и тока

Одним из наиболее важных понятий для любого, кто использует ИП, является понимание режима стабилизации напряжения (constant voltage или CV) и стабилизации тока (constant current или CC). Обычно здесь рассматривается ограничению тока относительно мощности ИП в Вт. Это связано с тем, что большинство ИП уже имеют предусмотренную их разработчиком выходную характеристику со стабилизацией выходного тока при перегрузке.

Диаграмма функционирования ИП показана на рис.1. Как можно видеть, ИП, а именно его выход, в зависимости от настроек напряжения, тока и сопротивления нагрузки, будет работать в режиме стабилизации напряжения (CV) или стабилизации тока (CC) после его ограничения. Большинство ИП спроектированы таким образом, что они оптимизированы только для работы в режиме CV. Это означает, что ИП сначала будет ориентироваться на настройку и поддержание уровня выходного напряжения и регулировать все остальные вторичные переменные для достижения запрограммированной настройки напряжения. Соответственно, для того чтобы не гадать о том, что происходит с вашим изделием при его испытаниях, вам необходимо подобрать такой ИП, который поддерживает постоянным напряжение. Причём даже в условиях динамического изменения нагрузки (этот параметр определяется, как реакция на сброс/наброс нагрузки), а также, при необходимости, может обеспечивать и стабилизацию выходного тока, защитив испытуемое устройство в случае нештатной ситуации или отказа.

 

Используйте четырехпроводную схему включения для стабилизации напряжения на нагрузке

На практике провода, соединяющие ИП с нагрузкой, всегда имеют то или иное сопротивления. Оно, как известно еще из школьной физики, зависит от материала, длины и сечения проводника. Так что, когда ток идет по проводам от ИП к нагрузке, то на них падает некоторое напряжение, причем ко всем вашим неприятностям еще и зависящее от тока этой нагрузки. Если не принять таких мер, то в случае использования испытательных установок с длинными проводами для подключения нагрузки или для сложных установок с реле и разъемами, напряжение на выходных клеммах не будет в точности соответствовать напряжению на нагрузке. Соответственно в результате испытаний мы не узнаем всей правды о нашем изделии, что может вылезти боком уже в условиях его эксплуатации.

На рис.2 показано влияние проводов длиной 1.83 м и сечением 2.08 мм2 при отсутствии четырехпроводного подключения. Падение напряжения на проводах при токе нагрузки 10 А составляет 0.3 В (0.15 В на каждый провод).

Сопротивления для различных сечений медного провода представлены в таблице.

Для компенсации такого эффекта следует применять четырехпроводное подключение, которое дает возможность стабилизировать напряжение именно в точке его приложения. В технической литературе по аналогии со схемами измерения такое подключения называют схемой Кельвина.

На рис.3 показано применение четырехпроводного подключения для компенсации падения напряжения на линиях подключения нагрузки. В отличие от двухпроводного, при четырехпроводном подключении, внутренний усилитель ошибки по петле обратной связи видит напряжение непосредственно на нагрузке, а не на выходных клеммах ИП. Поскольку цепь управления считывает напряжение непосредственно на нагрузке, то ИП будет сохранять на ней напряжение постоянным, компенсируя падения напряжения, вызванные сечением и длиной провода линии подключения, а также выходными реле и разъемами.

При использовании четырехпроводного подключения необходимо помнить следующее:

  • В качестве проводов подключения следящей обратной связи используйте двухпроводный экранированный кабель со скрученными (витыми) жилами
  • Соединяйте экран провода считывания с землей только с одного конца кабеля.
  • Не связывайте и не переплетайте провода считывания с проводами для подключения нагрузки.
  • Следует предотвращать размыкание цепи на клеммах считывания, поскольку они являются частью цепи обратной связи по выходному напряжению.
  • Учитывайте, что большинство ИП могут компенсировать максимум несколько вольт падения напряжения на проводах нагрузки.
  • Учитываете влияние фильтров и паразитной индуктивности в цепи подключения нагрузки, а также распределенной индуктивности и емкости в линии обратной связи приведенной ко входу усилителя ошибки. Внесенные реактивности и распределенные параметры в этих линиях могут привести к нежелательным переходным процессам при сбросе/набросе нагрузки.

А что если провода, обеспечивающие обратную связь, оборвутся?

Здесь при выборе ИП вам необходимо уточнить имеются ли в них для защиты системы считывания напряжения внутренние резисторы. Эти резисторы (они имеют небольшое номинальное сопротивление) подключены между выходными клеммами и клеммами обратной связи Увеличение выходного напряжения, если провода следящей обратной связи по ошибке оказались разомкнутыми, не превысит нескольких процентов. Если вам предлагают ИП без этих резисторов, мол, вы их сами поставьте, то лучше откажитесь и к таким продавцам больше не обращайтесь.

 

Нужно получить большее напряжение или больший ток – для этого просто подключите несколько ИП, но как?

На практике часто могут иметь место ситуации, когда вам нужно большее напряжения или более высокий ток, чем тот который может обеспечить ваш ИП. Для получения более высокого напряжения просто подключите выходы ИП последовательно, а для получения более высокого тока – подключите выходы параллельно. Для этого установите каждый выход ИП независимо так, чтобы сумма напряжений или тока соответствовала общему желаемому значению. Последовательное соединение источников питания с четырехпроводным подключением, компенсирующим падение напряжения на линиях подключения нагрузки (вынесенной обратной связью – режим «remote sensing») показано на рис.4.

Для получения более высокого напряжения сначала установите на выходе каждого ИП максимальное желаемое ограничение тока, которое может безопасно выдерживать нагрузка. Затем равномерно распределите общее требуемое напряжение на каждом выходе ИП. Например, если вы используете три ИП, установите каждый на одну треть общего требуемого тока.

  • Никогда не превышайте номинальное плавающее напряжение любого из выходов (учитывайте допустимое для изоляции выходной клеммы длительно приложенное напряжение).
  • Никогда не подвергайте какие-либо выходы ИП воздействию напряжения обратной для него полярности.
  • Подключайте последовательно только те выходы, которые имеют одинаковые установленные значения напряжения и ограничения тока.

Для получения более высокого выходного тока равномерно распределите общий желаемый предел максимального тока для каждого ИП.

  • Один выход ИП должен работать в режиме стабилизации напряжения (CV), а другой (или другие) в режиме стабилизации тока (CC).
  • Выходная нагрузка должна потреблять достаточный ток для поддержания выхода (или выходов) установленных в режиме именно в этом режиме.
  • Параллельно подключайте только выходы с одинаковыми номинальными значениями напряжения и тока.

Установите напряжение на выходах источников питания, выделенных для режима CC на значение напряжением, немного превышающее значение напряжения на выходах источников питания, выделенных для режима CV. Не забывайте, что фактическое напряжение на выходах с режимом CC определяется нагрузкой. При параллельной конфигурации выход CV определяет напряжение на нагрузке и на выходах CC (рис.5). В этом случае ИП в режиме CV будет подавать ток, достаточный только для удовлетворения общей нагрузки.

 

Как рассчитать и применить температурные коэффициенты?

При испытаниях на работоспособность в зависимости от температуры меняются характеристики не только тестируемым вами устройств, но и характеристики приборов, которые вы используете для проведения измерений. Так для литий-ионных аккумуляторов выдержка в условиях низких температур не приводит, как ожидалось к снижению напряжения элемента, а приводит к его увеличению. Поскольку источники питания также меняют свои характеристики в зависимости от температуры, вам, для того чтобы должным образом охарактеризовать выходное напряжение вплоть до микровольт, может потребовать применить и учесть соответствующие корректирующие температурные коэффициенты.

Ниже приведен пример использования прецизионного модуля ИП постоянного тока N6761A (50 В, 1.5 А, 50 Вт) компании Keysight в диапазоне низкого напряжения. В таблице технических характеристик спецификации на N6761A погрешность программирования указана при температуре 23°С ±5°C после 30-минутного прогрева.

Чтобы применить температурный коэффициент, вы должны рассматривать его как погрешность. Предположим, что рабочая температура составляет 33°C, что на 10°C выше температуры калибровки 23°C, а выходное напряжение составляет 5.0000 В. Известно, что температурный коэффициент программирования напряжения = ± (40 ppm + 70 мкВ) на градус Цельсия. Далее наши действия будут следующие.

Чтобы внести поправку на разницу температур в 10°C от температуры калибровки, вам нужно будет учитывать разницу в рабочей температуре и диапазона напряжения, указанные в спецификации. Характеристики, указанные в спецификации для диапазона низкого напряжения, действительны при температуре 23°C ± 5 ° C или до 28°C.

1.Следовательно, для рабочей температуры 33°C вам нужно будет применить температурный коэффициент для разности в 33°C – 28 °C = 5°C и погрешность для диапазона низкого напряжения при температуре 28°C:

 

±(40 ppm • (5 В) + 70 мкВ) • (5 °C) = 40 ppm • (5 В) • (5 °C) + 70 мкВ • (5 °C) = 1.35 мВ.

 

2.Погрешность, вызванную температурой, должна быть добавлена к ошибке программирования для диапазона низкого напряжения, указанного в таблице технических характеристик спецификации N6761A:

 

±(0,016% • (5 В) + 1,5 мВ) = 2.3 мВ

 

3.Следовательно, общая ошибка программирования плюс температурная погрешность составят:

 

±(1.35 мВ + 2.3 мВ) = ±3.65 мВ

 

Это означает, что выходное напряжение, при попытке установить напряжение 5.0000 В при температуре окружающей среды 33°C, будет находиться где-то между 4.99635 В и 5.00365 В. Поскольку часть этой ошибки 1.35 мВ вызвана температурой, при изменении температуры эта составляющая ошибки будет изменяться, и выходное напряжение ИП будет дрейфовать. Именно этот температурный дрейф может быть рассчитан с использованием температурного коэффициента напряжения ИП.

 

Работа с чувствительными к шумам и помехам тестируемыми устройствами

Если тестируемое устройство чувствительно к шумам и помехам, то вам нужно сделать все возможное, чтобы минимизировать их на входе питания постоянного тока. Самое простое, что вы можете сделать, это использовать ИП с низким уровнем шума. Но если у вас его нет или не целесообразно использовать такой ИП из экономических соображений, так как они, как правило, достаточно дороги, то вот несколько других вариантов, которые вы в этом случае можете использовать на практике. Для этого доступны, как минимум два подхода, которые позволяют уменьшить дифференциальные и синфазные электромагнитные помехи.

Присмотритесь к линиям подключения

Линии подключения, соединяющие ваш ИП и тестируемое устройство, могут быть подвержены внешним электромагнитным помехам (ЭМП), возникающий по причине индуктивной или емкостной связи. Есть несколько способов их уменьшения, но наиболее эффективным для подключения нагрузки и цепи обратной связи является использование экранированных двухпроводных (с внутренней свивкой) кабелей. Убедитесь, что вы подключаете экран к земле только на одном конце, как показано на рис.6.

Не подключайте экран к земле на обоих концах, поскольку в этом случае могут возникнуть контуры заземления. На рис.7 показан ток контура заземления, возникший из-за разности потенциалов ΔVground между заземлением ИП и заземлением тестируемого устройства. Ток контура заземления может создавать напряжение на кабеле, которое для вашего устройства выглядит как помеха и соответственно им воспринимается.

Здесь может возникнуть вопрос – почему бы нам не использоваться фильтры? Фильтрацию можно использовать для испытаний не требующих прецизионного напряжения и в случае отказа от четырехпроводной схемы подключения. Это следует из того факта, что на фильтре будет иметь место падение напряжения, а включения его в контур регулирования (это, как правило LC-фильтр) по четырехпроводной схеме может привести к ухудшению ответной реакции на изменение нагрузки, а в худшем случае – привести к нестабильности и самовозбуждению ИП.

Выравнивание импеданса относительно земли

Синфазный шум генерируется, когда синфазный ток течет из ИП на землю и создает напряжение на импедансах относительно земли, включая и полное сопротивление кабеля. Чтобы свести к минимуму влияние синфазного тока, необходимо выровнять импедансы относительно заземления с плюсовых и минусовых выходных клемм на ИП. Вы также должны выровнять полное сопротивление между входными клеммами испытуемого устройства на землю. Для выполнения этой задачи используйте синфазный дроссель последовательно с выходными выводами и шунтирующий конденсатор от каждого провода к земле.

 

Заключение

Выбор ИП для испытательной системы может вызвать много головной боли. Наиболее распространенными проблемами являются повышенный выходной шум, невозможность установить пределы тока и меньшая точность измерителя. Поэтому заранее оцените напряжение, ток и мощность для вашего устройства и выберите ИП, параметры которого немного превышает пределы устройства. Это необходимо для того, чтобы у вас было достаточно мощности для обработки переходных процессов или импульсных токов, которые имеют место при включении устройства.

Если вы проектируете устройство с низким энергопотреблением, также используйте ИП с небольшой выходной мощностью, который может точно измерять потребляемый ток. Настольные ИП должны быть небольшими, но иметь большие яркие дисплеи и разъемы на передней панели. Если это стойка, то для минимизации места предназначены системные ИП в форм-факторе xU, которые имеют одинаковую ширину (под рэк-стойку), но отличаются высотой (в юнитах «U») и глубиной, а разъемы будут расположены сзади. Иногда такие ИП содержат уже встроенную ту или иную нагрузку (особенности и выбор нагрузок см. [1]).

Нагрузки, например, от компании KeysightTechnologiesдоступны в виде съемных модулей. На рис.8 и рис.9 показано N3300A – системное решение ИП высокой мощности со съемными модулями.

Новые высокопроизводительные ИП предоставляют удобные встроенные функции, исключающие необходимость в дополнительном оборудовании, таком как осциллограф, мультиметр или второй ИП. Некоторые ИП поставляются с уже встроенным точным мультиметром, или регистраторами данных, которые могут захватывать переходные процессы, или даже с автоматическими последовательностями для покрытия комбинаций тока напряжения, которые ранее требовали нескольких ИП. Специализированные ИП могут входить в состав анализаторов мощности и/или включать в себя такие сложные функции, как динамическая характеристика изменения тока или возможность подачи и синхронизации тока/напряжения, а также создание сложного изменяющегося во времени профиля выходного напряжения через режим работы по списку.

 

Литература:

1. Рентюк В. Электронные нагрузки – что это такое и зачем они нужны. // Электрик. –2021. – №1-2.

Сподобалась стаття? Розповідайте друзям!
СХОЖІ СТАТТІ
comments powered by Disqus

ASANZA banner

ELEKTROSVIT banner

UKRPOSHTA banner

UKRPOSHTA banner

UKRPOSHTA banner

banner