6. Обеспечение безопасности испытуемого устройства с помощью встроенных в источник питания защитных функций
Большинство источников питания постоянного тока имеют функции, предназначенные для защиты чувствительных испытуемых устройств и цепей от потенциально опасного напряжения или тока. Когда испытуемое устройство приводит в действие схему защиты в источнике питания, схема защиты выключает выход и выдаёт соответствующий сигнал. Две обычные защитные функции – защита от перегрузки по напряжению и защита от перегрузки по току.
При разработке испытательных систем важно понимать эти защитные функции, чтобы предохранить испытуемое устройство.
Защита от перегрузки по напряжению (OVP)
OVP – это установленное значение в вольтах, предназначенное для защиты испытуемого устройства от чрезмерного напряжения. Когда значение выходного напряжения источника питания превысит OVP, защита выключит выход.
Функция OVP всегда включена. Когда источники питания отгружаются с фабрики, значение OVP обычно установлено существенно выше максимального номинального выходного значения источника питания. Следует установить напряжение срабатывания OVP достаточно низким для защиты испытуемого устройства от чрезмерного напряжения, но достаточно высоким, чтобы предотвратить случайное срабатывание вследствие нормальных флуктуаций выходного напряжения. Флуктуации могут появляться во время переходных состояний выхода, таких как изменения тока нагрузки.
Предупреждение: на большинстве источников питания OVP реагирует на напряжение на выходных разъёмах, а не на разъёмах, предназначенных для измерений. При использовании четырёхпроводного подключения следует запрограммировать значение напряжения срабатывания OVP на достаточно высоком уровне, чтобы обеспечить падение напряжения на выводах для подключения нагрузки.
Схемы OVP могут реагировать на состояние перегрузки по напряжению в течение микросекунд, однако понижение самого выходного напряжения займёт больше времени. Время, необходимое для отключения выхода, зависит от способности источника питания к быстрому снижению напряжения и нагрузки, которая подключена к выходу.
Некоторые источники питания имеют однооперационный тиристор, включённый параллельно выходу и открывающийся, когда переключается OVP, что снижает напряжение гораздо быстрее.
Защита от перегрузки по току (OCP)
Большинство источников питания имеет установку выходного напряжения и установку предела силы тока. Установка предела силы тока определяет значение в амперах, при котором источник питания будет предотвращать протекание электрического тока слишком большой силы. Такой режим стабилизации тока (CC) регулирует выходное значение силы тока так, чтобы она была равна предельному значению тока, но не отключает выход – напротив, напряжение уменьшается ниже установленного значения, и источник питания продолжает генерировать ток в соответствии с установками предела для режима стабилизации по току.
Функция защиты от перегрузки по току выключает выход, чтобы предотвратить поступление избыточного электрического тока в испытуемое устройство. Ограничение тока следует установить достаточно низким, чтобы защитить испытуемое устройство от избыточного тока, но достаточно высоким, чтобы предотвратить случайное переключение вследствие нормальных флуктуаций выходного тока, которые могут иметь место во время переходных состояний выхода, например при изменении значения напряжения на выходе. Когда источник питания поставляется с фабрики, защита от перегрузки по току выключена.
На рисунке 8 представлена панель источника питания, показывающая защиту от перегрузки по напряжению (ОV), перегрузки по току (ОC), режимы стабилизации напряжения (СV) и стабилизации тока (CV).
7. Использование выходных реле для физического отключения испытуемого устройства
Существует мнение, что если установлено состояние выключения выхода, то выход источника питания полностью разомкнут, однако это не всегда верно. В состоянии «Отключено» выходной импеданс будет различным для разных моделей; он также может зависеть от опций, установленных в источнике питания. Состояние «Выход отключён» обычно устанавливает нулевые значения выходного напряжения и тока, а также отключает внутренние схемы генерации мощности. Тем не менее эти установки не гарантируют, что ток перестанет течь в испытуемое устройство (ИУ) или из него, как если бы выходные клеммы были физически отсоединены от ИУ.
Когда выход источника питания отключён, но не разомкнут, на тестирование ИУ могут неблагоприятно повлиять следующие причины:
- ИУ содержит источник энергии, который подключён непосредственно к выходу источника питания;
- ИУ содержит источник энергии, который подключён к выходу источника питания в конфигурации с обратной полярностью;
- ИУ чувствительно к излишней ёмкостной нагрузке;
- ИУ приводит к изменениям напряжения на выходе источника питания.
Некоторые модели источников питания имеют опцию внутреннего выходного реле, которое может полностью отсоединять выход источника питания от ИУ. Реле, показанное на рисунке 9, открывается, когда пользователь использует установку «Выход отключён», и полностью останавливает протекание электрического тока в ИУ.
Но даже если опция реле присутствует, отдельные модели могут иметь выходные конденсаторы или цепи с ёмкостной связью, соединяющие выходные клеммы с заземлением шасси вследствие расположения реле – таким образом, ИУ в этом случае будет всё ещё подключено к этим компонентам (см. рис. 10).
При использовании критически важных приложений, где требуется полное отсоединение ИУ от выхода источника питания, следует обратиться к производителю источника питания, чтобы выяснить, существует ли опция реле, обеспечивающая полное отключение. Если такая конфигурация недоступна, возможно, следует предусмотреть собственные внешние реле для отключения выхода.
Недостатками конфигурации с внешним реле являются дополнительная стоимость и усложнение испытательной установки, а также необходимость в дополнительном пространстве. В этом случае необходимо предусмотреть реле, соединить провода от выхода источника питания с реле, а также установить средства управления реле. Кроме того, более сложной может оказаться синхронизация открытия и закрытия внешних реле с другими событиями, связанными с электропитанием.
Встроенные реле отключения выхода, если таковые доступны, дают следующие преимущества по сравнению с внешними реле:
- простота;
- упрощение монтажа;
- отсутствие схемы управления внешним реле;
- экономия места;
- лучшая встроенная синхронизация открытия/закрытия реле с другими событиями, зависящими от электропитания;
- открытие реле при наступлении состояния отказа, например перегрузки по напряжению или току.
8. Захват динамических сигналов с помощью встроенного в источник питания дигитайзера
В то время как большинство источников питания могут измерять установившиеся значения напряжения и силы тока ИУ, некоторые могут также измерять динамические значения напряжения и тока. Такие источники имеют встроенный дигитайзер.
Обычно дигитайзеры используются при сборе данных для захвата и хранения аналоговых сигналов. Как и осциллограф, который использует дигитайзер для отображения аналогового сигнала, присутствующего на одном из его входов, встроенный дигитайзер источника питания захватывает динамические сигналы напряжения и тока, создаваемые на его выходе.
Основы работы дигитайзера
На рисунке 11 показан дигитайзер, преобразующий аналоговый сигнал в набор точек данных. По сигналу запуска дигитайзер захватывает выборки измерений и сохраняет их в буфере.
Когда осуществляются измерения с использованием дискретизации, можно установить два из следующих трёх параметров:
- Временной интервал – время между выборками.
- Количество выборок – полное число выборок, которое требуется захватить.
- Время захвата – полное время, в течение которого требуется захватывать выборки.
Когда два параметра заданы, параметр будет определяться следующим равенством: Время захвата = Временной интервал ´ (Количество выборок -1).
Похожим образом встроенный дигитайзер источника питания может быть сконфигурирован на запуск и захват сигналов напряжения и тока источника. Дигитайзер источника будет сохранять точки данных сигнала в буфер отсчётов. Пользователь может извлечь эти данные и использовать любое стандартное программное обеспечение для анализа. Также можно использовать собственную программу или доступное программное обеспечение для измерения параметров устройств, чтобы легко визуализировать результаты во временно¢й области (просмотр как на осциллографе или в системе сбора данных) или провести статистический анализ.
Пример применения дигитайзера
Если источник питания используется вместо батареи, можно получать динамическую информацию об электрическом токе, который течёт в ИУ, что позволяет проследить потребление тока батареей ИУ. Благодаря этому можно внести соответствующие корректировки в проект, чтобы оптимизировать управление электропитанием ИУ в процессе различных режимов его работы.
На рисунке 12 представлен образец сигнала, полученный при потреблении тока мобильным телефоном с помощью выходного дигитайзера источника питания и программного обеспечения.
При использовании программного обеспечения захваченные данные графически отображаются во временнóй области так же, как осциллограф отображает сигнал. На графике различимы состояния ожидания, приёма и передачи. Конечно, можно анализировать дискретизированные данные и другими способами: с использованием интерфейса шины, например USB, LAN или GPIB, для захвата и выборки дискретизированнной информации о сигнале. Выбранные данные могут возвращаться как скалярное значение, которое вычисляется источником питания в виде единственного числа, полученного посредством усреднения данных, или как массив значений. Можно также захватывать данные, предшествующие или следующие за событием запуска, изменяя задержку запуска для захвата сигналов, таких как пиковое потребление тока во время испытаний пускового тока.
9. Создание изменяющегося во времени напряжения выходного сигнала с помощью режима работы по списку LIST
Обычно источники питания применяются для подачи напряжения с постоянным значением на цепи питания испытуемого устройства. Однако для более сложных приложений может требоваться изменяющееся во времени напряжение (или ток). Современные источники питания могут легко справиться с обеими задачами, используя режим свипирования по списку в приложениях, для которых характерны изменения во времени.
Режим работы по списку LIST
В обычной ситуации можно запрограммировать ПК для изменения напряжения на выходе источника питания в течение дискретных периодов времени. В этом случае пользовательская программа управляет переходами между значениями напряжения, позволяя проводить тестирование ИУ в различных условиях.
Режим работы по списку LIST позволяет генерировать такие последовательности напряжений и синхронизировать их с внутренними или внешними сигналами без использования компьютера. Для этого необходимо установить раздельно программируемые шаги напряжения (или силы тока), а также соответствующую длительность шага. После установки длительности для каждого шага следует запустить список на исполнение непосредственно на источнике питания. Можно настроить источник питания для перехода на следующий шаг на основе времён выдержки или сигналов запуска. Список может быть запрограммирован на повторение один или несколько раз (см. рис. 13).
Для создания списка необходимо установить следующие параметры:
- один или более шагов напряжения или силы тока – определённые значения напряжения или силы тока;
- времена выдержки – длительность, связанная с каждым шагом напряжения или силы тока;
- число повторений – необходимое количество повторений списка.
Два способа применения режима работы по списку LIST для испытаний
Режим работы по списку LIST в источнике питания может быть эффективным инструментом для запуска двух типов испытаний:
- Тестирование последовательностью напряжений – испытание, при котором измерения осуществляются в то время, когда заданные значения напряжения воздействуют на ИУ.
- Тестирование напряжением произвольной формы – испытание, при котором измерения осуществляются в то время, когда сигнал напряжения произвольной формы воздействует на ИУ.
В обоих случаях создаётся последовательность шагов напряжения. В первом случае имеется несколько уровней установившегося напряжения, во втором – непрерывно изменяющийся профиль напряжения. Оба испытания обычно применяются при тестировании ИУ на этапе разработки. Следует учитывать, что источник питания постоянного тока имеет ограничения по полосе пропускания и обычно может генерировать сигналы напряжения только с частотой до десятков килогерц. Кроме того, большинство источников питания являются униполярными устройствами, которые создают только положительные значения напряжения.
Использование режима работы по списку LIST
Режим работы по списку LIST может использоваться для тестирования автомобильных электронных систем.
Во время запуска двигателя внутреннего сгорания, также известного как холодный пуск, уровень напряжения батареи существенно падает из-за потребления огромного количества тока электромотором стартёра (см. рис. 14). Как только двигатель запускается, сигнал напряжения батареи становится плоским и достигает окончательного уровня после выключения электрического стартёра.
Можно ввести упрощённую последовательность, приведённую в таблице 4, в список, чтобы осуществить испытания управляющего блока автомобильной электронной системы на этапе разработки (имитировать переходы между уровнями напряжения с помощью дополнительных шагов).
Такое испытание позволяет убедиться, что автомобильная электроника имеет достаточную устойчивость к переходным помехам по цепи питания. Режим работы по списку LIST следует использовать таким способом в случаях, когда необходимо приложить изменяющееся во времени напряжение к ИУ.
10. Особенности монтажа источника питания в стойку
При планировании приборной стойки выбор компоновки контрольно-измерительной аппаратуры может оказаться достаточно сложной задачей. Безопасность, надёжность и производительность – вот лишь часть из множества требований, влияющих на выбор.
При размещении источника питания постоянного тока в стойке следует принять во внимание следующие соображения:
- вес должен быть распределён должным образом, чтобы избежать неустойчивости стойки;
- должен быть обеспечен соответствующий подвод мощности от сети питания переменного тока, чтобы избежать чрезмерного потребления тока;
- следует обеспечить должный контроль нагрева во избежание слишком высоких температур;
- размещать приборы необходимо таким образом, чтобы минимизировать влияние магнитного поля;
- прокладывать провода следует таким образом, чтобы минимизировать наведённые и излучённые помехи.
Распределение веса
Как правило, источник питания является одним из самых тяжёлых приборов в стойке, поэтому его следует монтировать в нижней её части, чтобы понизить центр тяжести и, следовательно, уменьшить риск опрокидывания (см. рис. 15).
Подвод питания от сети переменного тока
При выборе сечения подводящего сетевого кабеля следует использовать максимальные номинальные значения силы тока каждого прибора в стойке, чтобы обеспечить соответствующий подвод питания от сети переменного тока к стойке. Большинство приборов потребляет относительно постоянное количество тока, однако подводимый переменный ток меняется вместе с выходной нагрузкой источника питания. Если максимальная ожидаемая выходная нагрузка источника питания заранее неизвестна, следует планировать наихудший вариант, используя максимальное номинальное значение входного тока источника питания.
Контроль нагрева
Обычно источники питания имеют встроенные вентиляторы охлаждения. При монтаже источника питания в стойку следует убедиться, что имеется достаточно пространства для притока и выпуска отработанного воздуха. Следует держать чувствительные к температуре приборы, например мультиметры, на достаточном удалении от источников питания, поскольку высокие температуры могут оказать отрицательное воздействие на показания таких приборов.
Влияние магнитного поля
ЖК-дисплеи заменили бо¢льшую часть ЭЛТ-дисплеев, однако при использовании старых компьютеров или осциллографов с ЭЛТ-дисплеями следует иметь в виду, что они чувствительны к магнитным полям. Магнитные поля также могут влиять на характеристики и точность некоторых измерительных приборов. Например, цепи вольтметров могут быть чувствительными к сильному магнитному полю, создаваемому трансформатором, таким же, какой находится внутри источника питания. Следует устанавливать источники питания постоянного тока достаточно далеко от приборов, чувствительных к магнитному полю, особенно от цифровых мультиметров.
Прокладка проводов
Поскольку силовые провода могут излучать помехи, а измерительные провода и сенсоры восприимчивы к этим помехам, силовые и сигнальные кабели следует прокладывать раздельно.
Литература
- 10 принципов, которые необходимо знать при работе с источником питания постоянного тока. Часть 1. Современная электроника. 2018. № 3.
- 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!
