Acest articol explorează succint unele aspecte privind aplicațiile cu surse de alimentare AC/DC. Apoi se prezintă trei exemple de opțiuni de conversie a puterii AC/DC montate pe placă din seria RACxx-K de la RECOM Power, identificând principalele caracteristici și avantaje ale acestor produse și modul lor de utilizare.
Figura 1: Două convertoare AC/DC pot fi conectate în serie pentru o tensiune mai mare (sus) sau în paralel pentru un curent mai mare și/sau operare redundantă (jos). (Sursa imaginii: RECOM Power)
Sursele de alimentare AC/DC montate pe placă, de la 3 la 20 de wați, sunt utilizate într-o varietate tot mai mare de aplicații, inclusiv pentru Internetul Lucrurilor (IoT) și Industrial IoT (IIoT), Industrie 4.0, automatizări industriale, echipamente audio-vizuale, echipamente de tehnologie a informației (ITE – Information Technology Equipment), case/clădiri inteligente și bunuri de larg consum. Deși poate fi tentant să încerci să proiectezi surse de alimentare AC/DC de putere redusă, procesul este mai complex și mai lung decât pare la prima vedere. Proiectele trebuie să îndeplinească cerințe dificile de performanță, inclusiv intervale largi de tensiune de intrare, vârfuri de putere și densități mari de putere. De asemenea, acestea trebuie să fie certificate în conformitate cu numeroase standarde internaționale privind siguranța, eficiența, consumul de putere în standby și compatibilitatea electromagnetică (EMC).
În schimb, proiectanții pot utiliza surse de alimentare AC/DC compacte, montate pe placă, care sunt certificate pentru toate standardele internaționale de performanță relevante, accelerând timpul de lansare pe piață. Aceste surse de alimentare eficiente au intervale largi de tensiune de intrare și pot accepta intrări de curent alternativ sau continuu pentru flexibilitate și compatibilitate la nivel mondial.
Combinații de convertoare AC/DC
Sursele de alimentare AC/DC pot fi conectate în serie sau în paralel pentru a asigura niveluri de putere mai ridicate sau operare redundantă hot-swap (Figura 1).
Sursele de alimentare conectate în paralel (configurația din partea de jos a figurii 1) pot fi utilizate pentru a asigura curenți mai mari sau o fiabilitate mai mare prin redundanță. Curenții mai mari sunt posibili atunci când ambele surse de alimentare sunt operate la sau aproape de curenții de ieșire nominali maximi. Tensiunea de ieșire nu se modifică, dar curentul disponibil este mărit, crescând puterea de ieșire.
Configurațiile de alimentare redundante utilizează mai multe surse de putere pentru a crește fiabilitatea sistemului, nu pentru a crește nivelul de putere disponibil. Configurațiile redundante pot adopta mai multe forme. Într-o topologie, sistemul este configurat să preia putere numai de la sursa de alimentare “primară” în timpul operării normale și să treacă automat la sursa de alimentare “de rezervă” (backup) în cazul în care sursa primară cedează.
Redundanța N+1 este o altă topologie comună utilizată pentru a crește fiabilitatea sursei de alimentare. Un sistem N+1 este format din două sau mai multe surse de alimentare. În figura 1, configurația de jos poate fi utilizată ca o arhitectură redundantă cu “N” = 1. În acest caz, fiecare dintre sursele de alimentare funcționează la 50% din capacitate în timpul funcționării normale și fiecare dintre ele poate furniza întreaga putere de încărcare în cazul în care cealaltă sursă de alimentare se defectează.
În loc de a conecta în paralel sursele de alimentare pentru a crește puterea disponibilă, aceasta poate fi crescută și prin conectarea în serie a surselor de alimentare (configurația de sus în figura 1). În acest exemplu, ambele surse de alimentare au aceeași tensiune de ieșire, VO, iar configurația în serie furnizează 2 VO. Deoarece curentul livrat sarcinii nu se modifică, dublarea tensiunii dublează puterea efectivă.
Ambele configurații din figura 1 includ diode ORing pentru a izola ieșirile surselor de alimentare. În cazul în care una dintre sursele de alimentare cedează, diodele ORing protejează sistemul de o defecțiune majoră. Valoarea nominală a curentului care circulă prin dioda ORing trebuie să fie mai mare decât valoarea nominală a curentului de ieșire a sursei de alimentare, iar valoarea nominală a tensiunii de străpungere (breakdown voltage) trebuie să fie mai mare decât tensiunea de ieșire a sursei de alimentare.
Figura 2: Tipic, se folosește o singură siguranță pe intrare (imaginea de sus), dar dacă intrarea nu este polarizată, siguranțele pot fi plasate pe ambele linii de intrare (imaginea de jos). (Sursa imaginii: RECOM Power)
Considerații privind intrarea surselor de alimentare AC/DC
Deși există mai multe modalități de a conecta împreună ieșirile a două sau mai multe surse de alimentare AC/DC pentru o funcționalitate suplimentară, pentru a crește gama de tensiuni de intrare nu este posibilă conectarea intrărilor a două convertoare AC/DC. Din acest motiv, sursele de alimentare AC/DC cu intrare largă (denumită și intrare universală) sunt din ce în ce mai populare. Protecția prin siguranțe este, de asemenea, un aspect important pentru intrările surselor de alimentare AC/DC (figura 2).
Figura 3: Tensiunea de ieșire -VOUT poate fi conectată la Pământ pentru a referi tensiunea de ieșire +VOUT la masă. (Sursa imaginii: RECOM Power)
În general, se recomandă utilizarea siguranțelor cu temporizare (denumite și siguranțe lente). Siguranțele pot fi conectate la ambele linii de intrare dacă intrarea de curent alternativ nu este polarizată. Recomandările tipice privind dimensiunea siguranțelor fuzibile pentru sursele de alimentare monofazate de curent alternativ/continuu sunt de 1,5 amperi (A) pentru ieșiri sub 40 de wați, 2A pentru ieșiri de peste 40 de wați, dar mai puțin de 60 de wați și 3A pentru ieșiri de 60 de wați sau mai mult.
Dacă sursa de alimentare AC/DC are un pin de împământare (FG – ground pin), acesta trebuie să fie legat la pământ. Tensiunea de ieșire -VOUT poate fi conectată la FG, raportând ieșirea +VOUT la masă. Proiectanții ar trebui să prevadă interconexiuni scurte și groase pentru a garanta conexiuni solide care să reducă și mai mult interferențele electromagnetice (EMI) (vezi figura 3).
3 wați pentru IoT, IIoT și aplicații casnice
Pentru proiectanții de aplicații IoT, IIoT și de uz casnic care necesită o putere de 3 wați, RECOM oferă sursa de alimentare AC/DC RAC03E-K/277, care asigură o singură ieșire de 12 volți DC, perfect stabilizată (sunt disponibile și alte modele cu ieșiri de la 3,3 la 24 de volți DC). Aceste surse de alimentare certificate la nivel internațional dispun de o gamă largă îmbunătățită de tensiuni de intrare, de la 85 la 305 volți AC sau de la 120 la 430 volți DC și sunt conforme cu cerințele ErP privind consumul de putere în standby. Seria RAC03E-K/277 dispune de o gamă largă de temperaturi de operare, livrând întreaga putere de ieșire în intervalul de la -30 la +75°C (cu excepția celor cu ieșire de 3,3 volți, care livrează întreaga putere până la +70°C) în regim de răcire prin convecție naturală (figura 4).
Figura 4: Dispozitivele din seria RAC03E-K/277 dispun de o gamă largă de temperaturi de operare, furnizând întreaga putere de ieșire în intervalul de temperatură cuprins între -30 și +75°C (cu excepția modulelor cu tensiune de ieșire de 3,3 volți, care furnizează întreaga putere până la +70°C). (Sursa imaginii: RECOM Power).
Aceste surse de alimentare au o amprentă de 1, 45 inch pe 0,95 inch și un profil redus de 15,4 milimetri (mm). Izolarea lor de 4 kV AC de la intrare la ieșire le face potrivite pentru aplicații la nivel mondial și îndeplinesc următoarele standarde:
- – Certificare UL/IEC/EN62368-1.
- – Certificare CAN/CSA C22.2 nr. 62368-1
- – EN60335-1 (în curs de omologare)
- – EN62233 (în curs de omologare)
- – IEC/EN61558-1/2-16 (în curs de omologare)
- – Conform cu EN55032/EN55035
10 wați pentru automatizarea proceselor și pentru clădiri inteligente
Puterea de vârf de 140% a sursei de alimentare AC/DC de 10 wați RAC10-05SK/277 cu ieșire de 5 volți DC suportă nevoile de alimentare tranzitorii ale sistemelor cu sarcini inductive sau neliniare și curent de pornire ridicat, cum ar fi aplicațiile de automatizare a proceselor și a clădirilor inteligente (Figura 5). Aceste surse de alimentare AC/DC montate pe plăci de circuit imprimat (PCB) au certificări internaționale de siguranță atât pentru standarde industriale, cât și pentru uz casnic.
Figura 5: Sursele de alimentare AC/DC RAC10-05SK/277 de 10 wați au certificări internaționale de siguranță atât pentru standarde industriale, cât și pentru uz casnic. (Sursa imaginii: RECOM Power)
Modelele de 10 wați sunt disponibile cu o singură tensiune de ieșire, de la 3,3 la 24 de volți DC, sau în versiuni cu ieșire dublă, care furnizează ±12 sau ±15 volți DC. Aceste surse de alimentare respectă standardul IEC62477-1, OVC III (overvoltage category III) pentru sisteme industriale utilizate în instalații fixe și pentru cazurile în care fiabilitatea și disponibilitatea echipamentului sunt supuse unor cerințe speciale. Sursele de alimentare din aceste instalații au, de obicei, o conexiune permanentă, cablată la panoul de distribuție de curent alternativ. La fel ca RAC03E-K/277 de 3 wați discutat mai sus, aceste surse de alimentare AC/DC au o gamă foarte largă de tensiuni de intrare, de la 85 la 305 volți AC sau de la 120 la 430 volți DC.
Surse de alimentare de 20 de wați cu o putere extrem de redusă la funcționare fără sarcină
Proiectanții de dispozitive IoT și/sau inteligente pot beneficia de utilizarea modulelor AC/DC de 20 de wați din seria RAC20-K. De exemplu, versiunea RAC20-48SK oferă o ieșire de 48 de volți de curent continuu cu un consum de putere fără sarcină de numai 40 de miliwați (mW) în aplicațiile cu funcționare permanentă și în modul standby. Aceste surse de alimentare sunt conforme cu ErP Lot 6 pentru modul standby. De asemenea, sunt disponibile cu o gamă largă de intrare de la 85 la 264 volți AC și o gamă de intrare extra largă opțională de la 85 la 305 volți AC sau de la 120 la 370 volți DC. Versiunile modificate ale acestor surse de alimentare îndeplinesc standardul IEC62477-1 pentru surse de alimentare OVC III. Aceste surse de alimentare montate pe placa de circuit imprimat sunt disponibile cu tensiuni de ieșire unice de la 5 la 48 volți DC sau în versiuni cu ieșire dublă care furnizează ±12 sau ±15 volți DC. Sursele de alimentare se caracterizează printr-o eficiență ridicată de la sarcini ușoare până la sarcină maximă, după cum se arată în graficul pentru versiunea RAC20-05SK de 5 volți (figura 6).
Figura 6: Graficul randamentului în funcție de sarcina de ieșire pentru RAC20-05SK (modelul cu ieșire de 5 volți) arată un randament ridicat de la sarcini ușoare la sarcină maximă. (Sursa imaginii: RECOM Power)
Sursele de alimentare AC/DC RAC20-48SK sunt conforme cu cerințele EN 55022 Clasa B Conducted Emissions fără filtrare suplimentară. Acestea au un interval de temperatură de funcționare de la -40°C la +85°C și sunt prevăzute cu certificări internaționale de siguranță pentru echipamente industriale, audio-vizuale și de tehnologie a informației, inclusiv (* = în curs de obținere pentru modelele cu intrare extra-largă):
- – Certificat IEC/EN62368-1
- – Certificat UL62368-1
- – Certificat CAN/CSA-C22.2 nr. 62368-1-14
- – Certificat IEC/EN60335 *
- – Certificat IEC/EN61558-1 *
- – Certificat IEC/EN61558-2-16 *
- – Conform IEC/EN61204-3 *
- – Conform EN55032/14 *
- – Conform EN55024 *
Figura 7: Un regulator în comutație (R-78xx, în partea de sus a imaginii) sau un convertor DC/DC (în partea de jos a imaginii) poate fi combinat cu o sursă de alimentare AC/DC pentru a produce o tensiune de ieșire auxiliară (în partea de sus) sau o linie de tensiune negativă (în partea de jos). (Sursa imaginii: RECOM Power)
O ieșire sau două ieșiri
După cum s-a menționat mai sus, RAC03E-K/277 de 3 wați este disponibil doar într-un format cu o singură ieșire. Sursele de alimentare AC/DC RAC10-05SK/277 de 10 wați și RAC20-48SK de 20 wați sunt oferite cu ieșiri unice și duale. Totuși, configurațiile cu ieșire duală sunt limitate la ±12 sau ±15 volți DC. În unele aplicații, poate fi necesară o combinație diferită de tensiuni de ieșire. În aceste cazuri, proiectanții pot asocia o sursă de alimentare AC/DC cu o singură ieșire cu un convertor DC/DC de putere mai mică sau un regulator în comutație pentru a furniza o tensiune de ieșire auxiliară sau o linie de ieșire negativă (figura 7).
Mai multe informații despre filtrarea EMI
Figura 8: Sursele de alimentare AC/DC RECOM RAC respectă cerințele EN 55022 Clasa B Conducted Emissions. Dacă este necesar, se poate adăuga un filtru extern. (Sursa imaginii: RECOM Power)
Sursele de alimentare AC/DC din seria RECOM RAC analizate în acest articol sunt prevăzute cu un filtru de linie care respectă standardul EN 55022 Clasa B Conducted Emissions. În aplicații mai solicitante poate fi necesară o filtrare suplimentară. Atunci când se adaugă un filtru extern, trebuie utilizată o topologie de cablare în stea cu legare la pământ, iar cablarea dintre filtrul extern și convertor trebuie să fie cât mai scurtă posibil (Figura 8).
Concluzie
Nevoia de surse de alimentare AC/DC de mică putere, montate pe placă, continuă să crească, dar acestea rămân sisteme complexe. Dacă un proiectant nu este familiarizat cu nuanțele legate de proiectarea surselor de alimentare, de testare și de conformitatea cu normele de reglementare, proiectarea lor de la zero poate consuma mult timp și poate genera costuri suplimentare, poate întârzia graficul de proiectare, iar soluția finală poate ocupa mai mult spațiu pe placă decât este necesar.
În multe cazuri, o opțiune mai bună este de a alege dintr-o serie de surse de alimentare AC/DC compacte, disponibile în comerț, montate pe placă. După cum s-a prezentat, acestea sunt disponibile într-o mare varietate de intervale de tensiune de intrare și pot accepta intrări de curent alternativ sau continuu. În plus, este probabil ca acestea să fie deja certificate în conformitate cu toate standardele internaționale de performanță și reglementările de conformitate relevante.
Lectură recomandată
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platformele TechForum și https://maker.io ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere.
Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
