А в чём опасность работы с этими "милыми" приборами?

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой источников питания постоянного тока, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

ОБЕСПЕЧИВАЙТЕ ЗАЩИЩЕННУЮ И НАДЕЖНУЮ РАБОТУ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ЛЮБОЙ ЦЕПИ НАГРУЗКИ.

Подключение источника питания постоянного тока к нагрузке кажется простой и понятной задачей. Во многих ситуациях это правда; однако, другие ситуации могут оказаться сложными. Хотя производители источников питания постоянного тока проектируют свои источники таким образом, чтобы они были стабильными при питании любого типа нагрузки, это не означает, что источник питания невосприимчив к определенным характеристикам этой самой нагрузки, которые могут вызвать проблемы. Индуктивная или ёмкостная нагрузка может подавать энергию на источник питания, что может привести к повреждению выходного каскада источника питания. 

Выходной каскад предназначен для передачи энергии, а не ее поглощения. Аналогичным образом, активные нагрузки, такие как батареи, могут подавать в источник питания вредную мощность.

Помимо подачи энергии в источник питания, некоторые ёмкостные нагрузки, индуктивные нагрузки и нагрузки, вызывающие существенные быстрые изменения тока нагрузки, могут создавать условия, приводящие к колебаниям. 

И источник питания, и нагрузка подвержены повреждениям.

Кроме того, тестирование прерывается, поскольку нагрузка не получает стабильного постоянного напряжения для правильной работы. Еще одним фактором, который может вызвать колебания, является проводка между источником питания и нагрузкой. Шум может проникнуть в чувствительные линии дистанционного измерения и помешать работе схемы управления напряжением.

В этом информационном документе будут описаны различные типы нагрузок, которые могут быть потенциально опасны для источников питания постоянного тока. Кроме того, в следующих параграфах описываются типы нагрузок, которые могут вызвать колебания в цепи источника питания-нагрузки, а также условия подключения, которые также могут привести к колебаниям. Для каждого типа нагрузки и состояния цепи будет предложено решения этих задач. Такого рода рекомендации обеспечат надежную работу источника питания и защиту нагрузки. 

Индуктивные нагрузки

Индуктивная нагрузка может быть источником энергии, которая способна поступить в источник питания и повредить его. Таким образом, источники питания должны быть защищены от индуктивных нагрузок, таких как двигатели, соленоиды и электромеханические реле. Когда источник питания подает напряжение и ток на индуктивную нагрузку, вокруг индуктивной нагрузки создается магнитное поле, которое становится источником потенциальной энергии. Потенциальная энергия U в джоулях равна ½• L•I2, где L — индуктивность нагрузки в генри, а I — ток через нагрузку в амперах. Когда мощность, подаваемая на нагрузку, снимается, ее магнитное поле разрушается и индуцирует ток противоположной полярности подаваемого тока. Ток создает всплеск напряжения, определяемый уравнением V = L•di/dt, которое представляет собой напряжение, развиваемое на индукторе с индуктивностью L, и di/dt, скоростью изменения

подаваемого тока. Поскольку di/dt отрицательное значение, всплеск напряжения имеет полярность, противоположную подаваемому напряжению. Этот всплеск обратного напряжения имеет несколько названий, известных как противо-ЭДС, противо-ЭДС или обратное напряжение. Формула напряжения на индуктивной нагрузке показывает, что чем быстрее изменяется ток, тем больше величина скачка напряжения. Скачок напряжения может быть намного выше, чем напряжение, подаваемое источником питания. Таким образом, обратная ЭДС от индуктивной нагрузки может проникнуть в источник питания и повредить его.

Защитите источник питания, поместив диод обратного смещения на выход источника питания. Этот диод известен как обратный диод. Подключите диод так, чтобы катод был подключен к высокому выходу источника питания, а анод — к низкому выходному разъему, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Использование обратноходового диода для защиты источника питания от обратной ЭДС.

Когда источник питания подает напряжение на нагрузку, диод смещен в обратном направлении и не оказывает никакого влияния на схему. Когда выходной сигнал источника питания становится низким или выключается, обратная ЭДС, возникающая на индукторе, смещает диод вперед, так что ток, генерируемый индуктором, течет через диод, а не через источник питания. Таким образом, обратный диод защищает источник питания от обратной ЭДС индуктивной нагрузки. 

Ёмкостные нагрузки

Емкостная нагрузка, такая как супер конденсатор, конденсаторная батарея или фильтр может генерировать скачки напряжения, которые могут быть опасны для источника питания. Как и индуктивная нагрузка, емкостная нагрузка сохраняет потенциальную энергию U в джоулях как I/2•C•V2, где C — эффективная емкость в фарадах, а V — напряжение на емкостной нагрузке. Когда напряжение источника питания падает ниже напряжения, которое было на нагрузке, нагрузка выдает ток, определяемый

I = C•dV/dt. Опять же, чем быстрее скорость изменения напряжения, тем выше ток, направленный на источник питания. Скачок тока создает напряжение в цепи источника питания. Этот обратный ток и напряжение нагрузки могут повредить источник питания. 

Рисунок 2. Последовательный диод защищает источник питания от разряда емкостной нагрузки.

Чтобы защитить источник питания от этой ситуации, добавьте последовательный диод на выходе источника питания, чтобы предотвратить попадание обратных токов от емкостных нагрузок в источник питания. Подключите диод, как показано на рисунке 2. Пока диод смещен в прямом направлении, ток будет течь из источника питания и питать нагрузку. Когда напряжение источника питания выключается или падает до значения ниже напряжения на емкостной нагрузке, диод становится обратносмещенным и предотвращает разряд обратного тока от емкостной нагрузки в источник питания.

Нагрузка на аккумуляторы

Батарея – это электрохимический источник энергии. Источники питания постоянного тока позволяют тестировать и заряжать аккумуляторные батареи. Как источник питания, аккумулятор может нанести серьезный вред источнику питания. Следовательно, батареи и ёмкостные нагрузки схожи. Если напряжение на аккумуляторе превышает напряжение источника питания, аккумулятор разряжается в источник питания так же, как это происходит с ёмкостной нагрузкой в аналогичной ситуации. Использование последовательного диода, как показано на рисунке 2, защитит источник питания от тока разряда батареи. 

ЗАЩИТА АККУМУЛЯТОРНОЙ НАГРУЗКИ

Хотя батарея может повредить источник питания, может иметь место и обратная ситуация. Источник питания может повредить аккумулятор. Если батарея подключена к источнику питания для зарядки, подключение с обратной полярностью может немедленно повредить батарею, и ток источника питания течет от батареи к источнику питания. Обратное подключение батареи может легко произойти в автоматизированных или полуавтоматических системах.

Рисунок 3. Схема определения полярности управляет контактором,

не допускайте подачи питания на батарею, если батарея неправильно подключена к цепи.

с батареями, движущимися по производственным линиям. Безопасная система тестирования аккумуляторов нуждается в схеме определения полярности и контакторе. Схема определения полярности предотвращает замыкание контактора и подачу питания на неправильно подключенную батарею. На. рисунке 3 показана схема защиты батареи от неправильной полярности

ЗАЩИТА ПИТАНИЯ И НАГРУЗКИ ОТ КОЛЕБАНИЙ

Некоторые типы нагрузок потенциально могут вызвать колебания источника питания. Колебания потенциально могут повредить как источник питания, так и нагрузку. Нагрузками могут быть высокоемкостные нагрузки, которые могут вызывать фазовые сдвиги и несоответствия импедансов в цепи «источник питания-нагрузка». Индуктивная нагрузка также может создавать нестабильность.

Третий тип нагрузки, которая может вызывать колебания, характеризуется быстрыми ступенчатыми изменениями тока. Примером может служить система привода электродвигателя, в которой ток нагрузки быстро меняется во время ускорения и замедления.

Как и в случае с гармониками, фильтры могут смягчать воздействие высоко реактивных нагрузок и нагрузок с быстроменяющимися характеристиками. На рис. 4 показаны некоторые возможные реализации фильтрации. Конденсаторы, подключенные к нагрузке, могут стать источником мгновенного тока, когда нагрузка имеет почти мгновенный ток. 

Это поможет стабилизировать напряжение нагрузки. Конденсаторы также обеспечивают развязку и подавление шума. Пи-фильтр добавляет дроссель, который изолирует источник питания от высокочастотного шума и высокочастотных составляющих, генерируемых нагрузкой. Это помогает улучшить стабильность схемы..

Рисунок 4. (Верхний рисунок) Пи-фильтр может изолировать источник питания от высокочастотных воздействий. 

(Нижний рисунок). Конденсаторы, когда они заряжены, обеспечивают источник тока для стабилизации напряжения питания, когда нагрузка имеет большое мгновенное увеличение тока. 

Проводка между источником и нагрузкой также может быть источником колебаний. Это может быть справедливо при использовании дистанционного измерения, чтобы гарантировать, что напряжение, подаваемое на нагрузку, соответствует запрограммированному напряжению.

Когда нагрузка потребляет большой ток, дистанционное зондирование компенсирует падение напряжения в подводящих проводах и других источниках питания.

Компоненты цепи нагрузки.

Линии измерения подключаются к входной измерительной схеме с высоким импедансом, по сути, к вольтметру, так что схема измерения не потребляет заметного тока от нагрузки. Схема измерения обнаруживает шум и передает этот сигнал в схему контроля ошибок источника питания. Любой шум на измерительных линиях передается на вход усилителя ошибки. Это может привести к колебаниям выходного сигнала вместе с шумом. 

На рисунке 5 показано, как дистанционное зондирование компенсирует падение напряжения на выводах цепи нагрузки.

Хотя дистанционное зондирование, как показано на рисунке 5, компенсирует падение напряжения из-за сопротивления провода, этот рисунок слишком упрощает реальную цепь, питаемую источником питания. На рисунке 6 изображена более полная схема нагрузки, примененная к источнику питания. Измерительные провода, независимо от того, являются ли они неэкранированными или экранированными проводами, на самом деле

распределенная сеть сопротивления, индуктивности и ёмкости. Ёмкость эффективно подключается к заземляющей пластине для неэкранированного провода или к экрану при использовании экранированного кабеля. 

Рисунок 5. Дистанционное зондирование нагрузки позволяет источнику питания компенсировать падение напряжения в подводящих проводах и обеспечивать подачу запрограммированного напряжения на нагрузку. 

Реальность такова, что нагрузка представляет собой сеть RLC. Несмотря на то, что источник питания подает напряжение постоянного тока, ни один из выходов источника питания не является свободным от шума, и этот шум в сети RLC может привести к состоянию резонанса и колебаний. Устранение колебаний может оказаться сложной задачей, и не существует гарантированного и простого решения. Решение проблемы требует метода проб и ошибок.

Вот некоторые предложения:

• Если на токовом выходе наблюдаются колебания – добавьте схему демпфирования.
• Если на выходе напряжения наблюдаются колебания – попробуйте увеличить значение емкости либо на клеммах постоянного тока источника питания, либо на проверяемом устройстве.
• Добавьте емкость с помощью небольшого резистора на стороне постоянного тока +.
• Если это возможно, уменьшите длину измерительных проводов между источником питания и нагрузкой. 

Используйте линии дистанционного измерения параллельно проводам источника (желательно приклеенные к проводам лентой). Если линия измерения подключена параллельно линии истока, то линия истока и датчика влияют друг на друга таким образом, что фазовый сдвиг измерительного напряжения, вызванный индуктивностью, компенсируется, что устраняет резонансную основу для колебаний напряжения.

• Также может помочь скручивание проводов дистанционного датчика и источника.
• Другой вариант — разделить провода источника и датчика, как показано на рисунке 7. Использование витой пары сводит к минимуму площадь контура и минимизирует наведенное напряжение в линиях измерения. Кроме того, используйте экранированную витую пару, чтобы исключить попадание внешних электромагнитных помех (ЭМП) в измерительные линии. 

Рисунок 6. Схема источника питания-нагрузки с проводами источника и датчика, представленными в виде распределенных сетей R-L-C. Несмотря на то, что источник питания подает напряжение постоянного тока, схема по сути представляет собой сеть переменного тока. 

Рисунок 7. Еще один вариант предотвращения колебаний в некоторых цепях: экранированная витая пара, провода дистанционного измерения отделены от проводов источника.

Использование правильных методов заземления позволяет избежать возможности того, что шумные токи заземления могут протекать в проводку источника питания, создавая нестабильность в схеме измерения напряжения. Убедитесь, что

Рис. 8. Шумовый ток заземления попадает в цепь измерения, когда источник питания постоянного тока и нагрузка находятся под разным напряжением.

цепь источника питания-нагрузки заземлена только в одной точке, обычно на источнике питания. На рис. 8 с использованием отдельной конфигурации измерительных выводов показан ток заземления, который может течь через измерительные линии, когда и нагрузка, и источник питания подключены к заземлению и оба заземления имеют немного разный потенциал.

Сохранение как можно более короткой проводки между источником питания и нагрузкой снижает общую распределенную емкость и индуктивность в проводах питания и уменьшает вероятность колебаний. Экранирование проводки снижает вероятность улавливания помех от внешних источников. 

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ТИП ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

 Альтернативой использованию внешних компонентов для защиты источника питания является рассмотрение двунаправленного источника питания. Двунаправленный источник питания может быть либо источником питания, либо электронной нагрузкой. Этот тип источника питания может безопасно поглощать и передавать мощность. Двунаправленный источник питания может безопасно поглощать мощность емкостных, индуктивных и активных нагрузок. Двунаправленный источник питания является экономически эффективным, когда испытательная схема постоянного тока требует функциональности как источника, так и нагрузки в разное время в течение протокола тестирования. Одним из примеров двунаправленного источника питания постоянного тока является EA Elektro-Automatik PSB 10000 со встроенной рекуперативной электронной нагрузкой и автоматическим выбором диапазона, что означает, что полная мощность источника и потребителя устройств доступна в широком диапазоне. operating range.

ЗНАЙТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАГРУЗКИ И ПИТАНИЯ

Хотя блоки питания разработаны как стабильные источники постоянного напряжения, тип нагрузки может влиять на производительность источника питания. Некоторые типы нагрузок могут привести к повреждению расходных материалов. Другие типы нагрузки имеют характеристики, которые могут привести к повреждению нагрузки источником питания. Кроме того, нагрузки и проводка к нагрузке могут вызывать колебания, потенциально повреждая как источник питания, так и нагрузку. Очень важно понимать характеристики нагрузки, чтобы гарантировать, что цепь питания-нагрузки защищает как источник питания, так и нагрузку. Рекомендации по защите от условий, которые могут привести к выходу из строя источника питания и/или нагрузки, обеспечат надежный источник постоянного тока и безопасное включение нагрузки.