10 принципов, которые необходимо знать при работе с источником питания постоянного тока. Часть 1

1. Правильное программирование источника питания для работы в режиме стабилизации напряжения или тока

Выход источника питания может работать в режиме стабилизации напряжения (CV) или в режиме стабилизации тока (CC) в зависимости от установки напряжения, предела силы тока и сопротивления нагрузки. В большинстве случаев источник питания работает в режиме CV или CC. Однако при некоторых условиях источник может войти в третий режим, называемый нерегулируемым (UNR). Понимание этих трёх режимов поможет правильно программировать источник питания гораздо быстрее.

Стабилизация напряжения

Источник питания будет работать в режиме стабилизации напряжения (CV) при условии, что нагрузке не требуется ток больше установленного предела силы тока. Согласно закону Ома, U=I×R – для поддержания постоянного напряжения во время изменения сопротивления нагрузки необходимо, чтобы сила тока возрастала или уменьшалась. До тех пор, пока потребление тока I_вых=U_S/R_L меньше, чем установленный предел силы тока, источник питания стабилизирует выход при установленном значении напряжения. Источник питания будет работать вдоль горизонтальной линии U_S (см. рис. 1) при I_вых=U_S/R_L.
Рис. 1. Выходные характеристики источника питания

Примечание: R_L – сопротивление нагрузки, R_C – критическое сопротивление (сопротивление перехода), U_S – установка напряжения, I_S – установка силы тока

Стабилизация тока

Если сопротивление нагрузки уменьшается, например в случае неисправности элемента испытуемого устройства, и сопротивление нагрузки R_L меньше, чем R_C (отношение установленного напряжения источника питания к установленному пределу силы тока), источник питания будет стабилизировать ток. И наоборот – закон Ома диктует изменение напряжения, если сила тока остаётся постоянной, равной установленному пределу. Такой режим работы называется режимом стабилизации тока (CC). Источник питания будет работать вдоль вертикальной линии I_S (см. рис. 1), значение напряжения на выходе будет равно U_вых=I_S×R_L.

Нерегулируемое состояние

Если источник питания не способен стабилизировать выходное напряжение или силу тока, то он переходит в нерегулируемый (UNR) режим – ни сила тока, ни напряжение не будут находиться в установленных пределах, а реально установившиеся значения не смогут быть предопределены. Хотя переход в режим UNR может происходить вследствие множества причин, случается это не очень часто. Возможные причины перехода в нерегулируемый режим:

источник питания имеет внутреннюю неисправность;
напряжение в сети питания переменного тока ниже нормированного диапазона;
сопротивление нагрузки равно R_C, то есть значению, при котором выход переходит из режима CV в режим СС или из СС в CV (см. рис. 1);
имеется ещё один источник мощности, соединённый с выходом источника питания, например в случае если применяется параллельное соединение выходов;
выход переходит из режима CV в CC или из CC в CV – такой переход вызовет кратковременное состояние UNR.

2. Применение 4-проводного подключения для стабилизации напряжения на нагрузке

В идеальном случае провода, соединяющие источник питания с нагрузкой, не имеют сопротивления. В действительности сопротивление провода зависит от его длины и сечения.
В конечном итоге напряжение на нагрузке может уменьшаться, когда источник питания доставляет ток по проводам. Для компенсации такого эффекта следует применять 4-про-
водное подключение, чтобы скорректировать падение напряжения.

Обычно в комплект поставки источника питания с фабрики входят провода, подключённые в определённом месте к выходным клеммам, однако в случае установок с длинными проводами для подключения нагрузки или для сложных установок с реле и соединителями напряжение на выходных клеммах не будет в точности соответствовать напряжению на нагрузке (см. рис. 2).
Рис. 2. Влияние сопротивления проводов нагрузки на напряжение при отсутствии 4-проводного подключения

Примечание: провода нагрузки +OUT и –OUT длиной 0,9 м, сечением 1 мм² каждый

В зависимости от сечения и длины провода сопротивление соединений с нагрузкой может приводить к тому, что напряжение на нагрузке будет существенно ниже, чем необходимо. Ситуации с высокими значениями силы тока, например, будут неизменно приводить к значительным падениям напряжения даже при коротких проводах для подключения нагрузки.

Значения сопротивления для различных сечений медного провода приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сопротивление различных сечений медного провода

При подключении клемм к нагрузке внутренний усилитель с обратной связью «видит» напряжение непосредственно на нагрузке, а не на выходных клеммах. Поскольку цепь управления считывает напряжение непосредственно на нагрузке, источник питания будет сохранять напряжение нагрузки постоянным, невзирая на падения напряжения, вызванные диаметром и длиной провода нагрузки, выходными реле или соединителями.

При использовании 4-проводного подключения необходимо помнить следующее:

следует использовать 2-проводной экранированный кабель со скрученными жилами в качестве проводов считывания;
соединять экран провода считывания с землёй нужно только одним концом кабеля;
не следует связывать и переплетать провода для 4-проводного подключения с проводами для подключения нагрузки;
следует предотвращать размыкание цепи на клеммах считывания, поскольку они являются частью тракта обратной связи выхода (компания Keysight использует внутренние резисторы для защиты системы считывания. Эти резисторы предотвращают рост выходного напряжения более чем на несколько процентов в случае если провода для считывания по ошибке оказались разомкнутыми);
большинство источников питания могут компенсировать максимум несколько вольт падения напряжения на проводах нагрузки.

Рис. 3. Применение 4-проводного подключения для компенсации падения напряжения на проводах нагрузки

Примечание: провода нагрузки +OUT и –OUT длиной 0,9 м, сечением 1 мм² каждый

Для реализации 4-проводного подключения (см. рис. 3) следует:

Отсоединить клеммы считывания от основных выходов.
Подключить каждую клемму считывания к контакту нагрузки с подходящей полярностью.
Если необходимо, установить источник питания в 4-проводной режим.

3. Использование источника питания для измерения силы тока испытуемого устройства

Точные результаты измерений тока испытуемого устройства можно получить с помощью амперметра, токового шунта или благодаря встроенной в источник питания возможности измерения. В конечном счёте, рассмотрев преимущества и недостатки каждого подхода, нужно выбрать один из них. Функция измерения силы тока с помощью источника питания может обеспечить необходимую точность измерения.

Амперметр

Наиболее распространённый способ измерения тока испытуемого устройства – использование настольного цифрового мультиметра в режиме амперметра. Несмотря на то что амперметр имеет преимущество в виде строго определённой погрешности измерений, для его подключения приходится разрывать цепь. Кроме того, цифровой мультиметр имеет ограничения на максимальную силу тока, которую можно измерить, – обычно она составляет несколько ампер.

Внешний токовый шунт / цифровой мультиметр

Измерения силы тока можно проводить с помощью шунтов. Используя токовый шунт, можно выбрать наиболее подходящий шунтирующий резистор, соответствующий нужному диапазону силы тока. Точность измерений основывается на точности измерения напряжения цифровым мультиметром и точности шунта. Несмотря на то что таким методом можно получить результаты измерения с очень высокой точностью, на них могут неблагоприятно повлиять некоторые ошибки. Следует обратить внимание на следующие сложности, которые обычно остаются вне поля зрения:

термо-ЭДС – в цепях, где применяются разнородные металлы, возникает ЭДС, влияющая на результат измерений;
калибровка шунта – прецизионные измерения могут быть выполнены только при использовании откалиброванного шунта;
эффекты саморазогрева – повышенная температура, вызванная протеканием электрического тока, может вызывать изменение сопротивления шунта.

Кроме того, установка токового шунта требует разрыва цепи, чтобы подключить шунт последовательно. Токовый шунт, установленный в системе, которая смонтирована в стойке, может даже потребовать сложных подключений, включающих реле и коммутаторы.

Встроенное измерение силы тока

Избежать трудностей, связанных с подключением токовых шунтов, можно за счёт использования встроенной в источник питания функции измерения силы тока. Данная функция использует внутренний шунт, выбранный с целью дополнить номинальное выходное значение источника питания. В этом случае нет необходимости отсоединять испытуемое устройство или подключать цифровой мультиметр.

В таблице 2 приведён уровень погрешности измерений при использовании высококачественного источника питания.
Таблица 2. Относительная погрешность считывания силы тока источником питания

В измерительных характеристиках источника питания учтены ошибки, связанные с внешним шунтом. Таким образом, точности измерения источником питания может оказаться достаточно для большинства приложений, в которых требуется измерять силу тока, особенно для случаев, когда сила тока находится в пределах 10–100% от номинального значения источника питания.

Встроенная функция измерения силы тока предоставляет следующие преимущества:

уменьшение количества оборудования, необходимого для подключений (не требуются реле, коммутаторы и прокладка проводов);
простота использования;
представление результатов измерений непосредственно в амперах;
отсутствие необходимости разъединения схемы;
строго определённая погрешность – в значениях погрешности уже учтены ошибки, связанные с шунтом;
синхронизированные измерения – измерения могут быть запущены параллельно с другими событиями, зависящими от электропитания.

4. Последовательное или параллельное соединение выходов источника питания для достижения большей мощности

Для получения большего значения напряжения можно соединить два или более выхода источника питания последовательно, а для достижения бо¢льших значений силы тока следует соединить выходы параллельно.

При последовательном соединении выходов для получения бо¢льших значений напряжения необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

не следует превышать пределы плавающего напряжения (изоляция выходной клеммы) любого из выходов;
не следует допускать попадания на выходы источника питания напряжения обратной полярности;
соединять последовательно необходимо только те выходы, которые имеют одинаковые пределы силы тока и напряжения.

Следует настроить каждый выход источника питания независимо, так чтобы сумма напряжений оказалась равной полному требуемому значению. Для этого сначала следует настроить каждый выход на максимальный необходимый предел силы тока, который нагрузка сможет безопасно обработать, затем установить значение напряжения каждого из выходов так, чтобы сумма этих значений была равна полному желаемому напряжению. Например, если используются два выхода, нужно установить напряжение каждого из них равным половине суммарного желаемого значения напряжения, а если используются три выхода – равным одной трети от суммарного желаемого значения напряжения.

При параллельном соединении выходов для получения бо¢льших значений силы тока необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

один выход должен работать в режиме стабилизации напряжения (CV), а другой (другие) – в режиме стабилизации тока (CC);
потребление электрического тока выходной нагрузкой должно быть достаточным для поддержания выхода (выходов) в режиме CC;
параллельно следует соединять только те выходы, которые имеют идентичные номинальные значения напряжения и силы тока.

Пределы силы тока следует установить одинаковыми для всех выходов, так чтобы в сумме они были равны желаемому значению полной силы тока. Значение напряжения CV-выхода следует установить немного меньшим, чем значение напряжения CC-выходов. CC-выходы генерируют выходной ток, на который они были настроены, и снижают напряжение до тех пор, пока оно не будет соответствовать напряжению CV-блока, который генерирует ток, достаточный только для того, чтобы выполнить все требования нагрузки.

Для измерения напряжения непосредственно на нагрузке можно использовать функцию 4-проводного подключения при последовательной или параллельной конфигурации источников питания. Применительно к некоторым источникам питания необходимо преднамеренно установить для каждого выхода режим дистанционного считывания, иногда называемый 4-проводным режимом.

Использование 4-проводного подключения при последовательных соединениях

При использовании 4-проводного подключения в последовательной конфигурации необходимо соединить последовательно его клеммы на каждом из выходов и подключить их к нагрузке, как это показано на рисунке 4.
Рис. 4. Последовательное соединение с 4-проводным подключением

Использование 4-проводного подключения при параллельных соединениях

Когда используется 4-проводное подключение в параллельной конфигурации, следует соединить параллельно его клеммы на каждом выходе и подключить их к нагрузке, как это показано на рисунке 5.
Рис. 5. Параллельное соединение с 4-проводным подключением

Для упрощения настройки параллельного соединения выходов некоторые источники питания поддерживают расширенную функциональную возможность, называемую группировкой выходов. Сгруппировано может быть до четырёх одинаковых выходов, предоставляя пользователю возможность управлять ими, как если бы они представляли собой единственный выход с более высокой силой тока.

5. Минимизация поступления шумов источника питания в испытуемое устройство

Если испытуемое устройство (ИУ) чувствительно к шуму на входе питания, необходимо сделать всё возможное для минимизации шума. Ниже описаны три простых шага, которые помогут этого добиться.

Выбор малошумящего источника питания

Чтобы минимизировать шум, следует начать с источника питания.

Поскольку фильтрация шумов от источника питания может оказаться затруднительной, желательно начать с выбора источника питания, который имеет очень низкий уровень шумов. Это может быть, например, линейный регулируемый источник питания, однако он может иметь немалые размеры и выделять большое количество тепла. В связи с этим выбор стоит остановить на импульсном источнике питания. Современная технология, применяемая в импульсных источниках питания, развита настолько, что характеристики шума на их выходе могут быть сравнимы с характеристиками шума линейных источников. Сравнение характеристик шума типовых линейных и импульсных источников питания представлено в таблице 3.
Таблица 3. Сравнение уровня шумов линейных и импульсных источников питания

Выбор источника питания с низким уровнем шума (СКЗ и размах) на выходе – это важный шаг, но минимизировать шумы можно также уделив должное внимание соединительным проводам с ИУ.

Экранирование соединения «источник – испытуемое устройство»

Соединения между источником питания и ИУ могут быть восприимчивы к шумовым перекрёстным помехам. Различные типы помех включают индуктивную, ёмкостную связи, а также радиопомехи. Существует ряд способов уменьшить шум, однако наиболее эффективным является применение экранированных 2-проводных кабелей для подключения нагрузки и разъёмов считывания.

При использовании экранированных кабелей следует обеспечить подключение экрана к земле только одним концом, например подключить экран со стороны источника питания к земле, как это показано на рисунке 6. Пренебрежение подключением экрана одним из концов может увеличить ёмкостную наводку.
Рис. 6. Соединение экрана с землёй одним концом кабеля

Не следует подключать экран к земле обоими концами, поскольку в этом случае могут возникнуть токи в контуре заземления. На рисунке 7 показан ток в контуре заземления, который развился из-за разности потенциалов между заземлениями источника и ИУ. Ток в контуре заземления может порождать напряжение на кабелях, что проявляется в виде помех в ИУ.
Рис. 7. Неправильное подключение экрана (двумя концами)

В дополнение к надлежащему экранированию сохранить параметры шума источника питания на низком уровне может балансировка импеданса кабеля.

Балансировка импеданса выхода относительно земли

Синфазный шум – это шум, который генерируется, когда синфазный электрический ток течёт из источника питания в землю и порождает напряжение на импедансе относительно земли, включая импеданс кабеля. Чтобы минимизировать влияние синфазного тока, следует выровнять импеданс положительной и отрицательной выходной клемм источника питания, а также положительной и отрицательной клемм ИУ относительно земли. Чтобы решить эту задачу, следует использовать синфазный дроссель последовательно с выходными проводами и шунтирующий конденсатор между каждым проводом и землёй.

Изложение принципов работы с источником питания постоянного тока будет завершено во второй части статьи.

Литература

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5990-8888EN.pdf

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!