Az asztali tápegységek programozhatóságának, hálózatba kapcsolhatóságának és vezeték nélküli távérzékelési jellemzőinek hasznosítása

A tápegységek rendkívül széles skálán mozognak a teljesítmény, a fizikai méretek és a méretformátumok tekintetében. Míg a méretre, hatékonyságra és költségekre való optimalizálás általános – különösen az olyan, fogyasztás szempontjából kényes területeken, mint például a viselhető eszközök –, vannak olyan alkalmazások, ahol a tápegység (PSU) paramétereit a készülék üzembe helyezése és használatba vétele után módosítani kell. Ez különösen igaz az asztali vagy automatizált tesztalkalmazásokhoz és tesztelési környezetekhez használt tápegységekre.

Olyan tápegységeket fejlesztettek ki, amelyek különböző fokú rugalmasságot biztosítanak a terepen a hatékonyság optimalizálását szolgáló on-the-air firmwarefrissítésektől kezdve a mindig bekapcsolt távfelügyeletig és -vezérlésig a pontosság, a méretezhetőség, a redundancia és a hatékony terheléselosztás biztosítására. A programozhatósági funkciók felgyorsíthatják a termékek tervezését és kiértékelését, javíthatják a rendszer funkcionalitását és biztosíthatják a szükséges rugalmasságot. A programozható opciók egyre bővülő választékából azonban néhány különösen kiemelkedik.

Ez a cikk azon fejlett, legújabb generációs tápegységek szerepét, funkcióit és jellemzőit vizsgálja, amelyek sokkal többet jelentenek, mint csupán önhordó, önálló, pontos, könnyen vezérelhető tápegységek a saját házukban. Ezt követően példaként megvizsgálja az XP Power legújabb generációs, teljesen hálózatba kapcsolható, nagymértékben programozható tápegységeinek jellemzőit és képességeit, valamint az ezekből eredő előnyöket.

A „hagyományos” és a nyitott tápegység összehasonlítása

Sok elrendezésben az AC/DC tápegységet a fő nyomtatott áramköri lapon vagy egy valamelyik sarokba „beszorított” különálló kártyán építik fel. Más termékeknél viszont különálló, független, elválasztott tápegységre van szükség. Ezek a tápegységek – amelyeket néha „vázas” vagy „nyitott” tápegységeknek is neveznek – önállóak és megfelelnek a szükséges tokozási, működésbeli és szabályozási követelményeknek. Sokan közülük több beszállítótól is elérhetőek második vagy alternatív forrásként a forma, az illeszkedés és a funkció tekintetében.

Ezek a tápegységek, például az XP Power UCH600PS36 jelű 36 V-os, 4,16 A-es, 600 W-os tipikus terméke, nem rendelkeznek felhasználói felülettel, mivel nincs is rá szükség (1. ábra). Ehelyett be vannak ágyazva a végtermékbe, és a felhasználónak nincs lehetősége a módosításokra, ha már használatba kerültek. Minimális számú bemeneti/kimeneti csatlakozással rendelkeznek: AC bemenet, DC kimenet és esetleg távérzékelő vezetékek.

1. ábra: Az UCH600PS36-hoz hasonló, nyitott tápegységeket a végtermékbe való beágyazásra tervezték, a végfelhasználó részéről nincs szükség hozzáférésre vagy a különböző működési paraméterek beállítására. (Kép: XP Power)

Ezzel ellentétben a mérnöki projektekhez rugalmas, könnyen kezelhető, kapcsolók, gombok, szoftvergombok, mérőműszerek, kijelzők és akár alfanumerikus kijelző segítségével megvalósított interfésszel rendelkező tápegységekre van szükség. Az ilyen, teljes mértékben beállítható tápegységeket úgy tervezték, hogy például a kimeneti feszültség, a maximális áram és a feszültség-/áramkorlátozás paraméterek kényelmesen beállíthatók legyenek. Ezek a mérnöki csapat szükségleteit elégítik ki a tervezési, a prototípus-kiértékelési, illetve a hibakeresési fázisok során, és általában „asztali” vagy „laboratóriumi” tápegységeknek nevezik őket. Automatizált tesztberendezések (ATE) vagy más tartós összeállítás részeként a kényelem és a rendezettség érdekében fix, félállandó elrendezésben szekrénybe is beszerelhetők (2. ábra).

2. ábra: Az „asztali” tápegységeket a mérnöki tervezőasztalokon használják, de gyakran más tesztberendezésekkel együtt szekrénybe is beszerelik őket, hogy teljes, tokozott műszerösszeállítás jöjjön létre. (Kép: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

A mai tápegységeknek sokkal kifinomultabb igényeket kell kielégíteniük, mint a néhány évtizeddel ezelőttieknek, még akkor is, ha alapvető funkciójuk ugyanaz. Az alapvető feszültség- és áramkijelzés és a kimeneti feszültségérték kézi beállíthatósága mellett a tápegységnek lehetővé kell tennie más kézi vezérlésű funkciókat, valamint a távoli hozzáférést is.

Az olyan tápegységek, mint az XP Power PLS600 sorozatú, programozható egyenáramú tápegységei, ezt úgy érik el, hogy a működési paraméterek beállítása áttekinthető, kényelmesen használható előlapi kezelőszervekkel és különböző hátlapi csatlakozási lehetőségeken, pl. USB-n, Etherneten és analóg interfészeken keresztül történik (3. ábra). A tápegységnek továbbá figyelemmel kell kísérnie saját állapotát, valamint a terhelés helyzetét és ezt közvetlenül és távolról is jelentenie kell, mind igény szerint, mind kivételes esetben, hogy fenntartsa a bizalmat maga az egység és a nagyobb rendszer iránt.

3. ábra: A PLS600 sorozatú egységek előlapja (felül) funkcionális és áttekinthető, miközben támogatja a hatékony felhasználói hozzáférést és a felügyeleti funkciókat; a hátlapon (alul) található a hálózati kábel, továbbá az USB, Ethernet és analóg interfész csatlakozók. (Kép: XP Power)

Az előlapon található funkciókat (a 3. ábrán 1-től 7-ig) részletesebben a felhasználói kézikönyv ismerteti, de növekvő sorrendben a következők: bekapcsolás/kikapcsolás; árambeállítás; feszültségbeállítás; kimenet be/ki; kijelző; kimeneti tápkábelek csatlakozói.

A PLS600 család öt egyenáramú kimeneti egységből áll a 30 V-os PLS6003033 DC-től a 400 V-os PLS6004002.5-ig, maximális teljesítményük 600 W.

A teljes programozhatóság további előnyökkel jár

Egy dolog azt állítani, hogy egy tápegység „programozható”, de fontos tisztázni, hogy ez mit jelent egy modern tápegység esetében. Először is, a tápegységnek rögzített helyett a felhasználó által beállítható kimeneti feszültséggel kell rendelkeznie; sok esetben a tápegység a felhasználó által beállítható áramforrásként is működhet. A kényelem érdekében ezen elsődleges paraméterek értékei az előlapról könnyen beállíthatók. A digitális kijelzés mellett a forgatógombos megoldás még mindig a legkényelmesebb módja a kívánt értékek gyors beállításának, szabályozásának vagy „finomhangolásának”.

A felhasználók által beállítható egyéb paraméterek közé tartoznak a fontos túlfeszültségvédelem (OVP), túláramvédelem (OCP), sőt, még a túl nagy teljesítmény elleni védelem (OPP) értékei is. Ez utóbbi olyan alkalmazásoknál hasznos, ahol az „aggodalom” nem a PLS600 tápegység 600 W-os teljesítményhatára, hanem amiatt a maximális teljesítmény (feszültség × áram) miatt van, amelyet a terhelésnek a tápegységből annak károsodása nélkül ki kell vennie.

Gyakran előfordul, hogy a feszültség, az áram, a teljesítmény vagy más alapértékek különböző beállításai után a hibakeresés és a tesztelés okozta időzavar és stressz miatt a felhasználók véletlenül elmulasztják feljegyezni e tényezők ténylegesen beállított értékeit. A PLS600 tápegységek emiatt és más célból is lehetővé teszik a paraméterértékek gyors megjelenítését. Ezek az értékek továbbá mind belsőleg tárolódnak, így nem kell újra beírni őket bekapcsoláskor.

Az ilyen alapvető programozhatóság csak az első fontos jellemzője egy valóban sokoldalú tápegységnek. Számos tesztelési és kiértékelési helyzetben szükség van arra, hogy a tápegység egy előre meghatározott, hálózati kapcsolattól független valós idejű „szkriptet” hajtson végre. Ehhez a PLS600 sorozat kifinomult integrált szkriptkészítési képességet biztosít, amely lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy egyéni programokat írjanak az általuk meghatározott kimeneti profilok létrehozására a legkülönbözőbb egyedi követelményeknek való megfelelés céljából, majd feltöltsék azokat a tápegységre, hogy parancsra futtathatók legyenek.

Így lehetővé válik, hogy a tápegységek a nagyobb rendszeren belül előremutató szerepet játsszanak, és így hatékony részei lehessenek egy termékműködést vizsgáló tesztsorozatnak vagy korszerű életciklustesztnek, például egy nagymértékben gyorsított élettesztnek (HALT), illetve esetleg segítségre lehessenek a végtermék energiaellátó alrendszerének jellemzőivel kapcsolatos finom rendellenességek felderítésében.

Csatlakoztathatóság és vezérlés az egyszerűtől a hálózatba kapcsolt elrendezésig

Bár egy asztali tápegységnek rendelkeznie kell előlapi, kézreálló, felhasználóbarát kezelőszervekkel az alapvető és azonnali hozzáférés érdekében, ezek nem elegendőek egy hatékony rendszerszintű tápegységhez. A PLS600 sorozat a feszültség- és árambeállítás kényelmes forgatógombos kezelőszervei mellett támogatja az USB-n, Etherneten és analóg vezérlőbemeneteken keresztüli távvezérlést is.

Az analóg vezérlés anakronizmusnak tűnhet, de lehetővé teszi egy alapvető távvezérlési forgatókönyv közvetlen és egyszerű beállítását, illetve bizonyos örökölt helyzetekben szükség is lehet rá. Vegyük figyelembe, hogy az asztali műszerek általában hosszú élettartamúak, és még mindig vannak használatban IEEE-488 szabványú általános célú GPIB (General Purpose Interface Bus) egységek. Az analóg vezérlés akkor is kényelmes, ha a tápegységet zárt hurkú visszacsatolt elrendezésben használják, ahol a tápegység feszültségét valós időben kell beállítani valamilyen érzékelt vagy származtatott feszültség alapján.

Az alapvető analóg vezérlésen túl minden PLS600 tápegység LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) tanúsítvánnyal rendelkezik, így megfelel a LAN-alapú műszerek együttműködési képességére vonatkozó szabványoknak. A szabványos LabVIEW és IVI (Interchangeable Virtual Instrument) illesztőprogramok minden szabványos szoftverrel való használatra rendelkezésre állnak. Az egységek támogatják a Standard Commands for Programmable Instruments (SCPI) parancsokat, illetve a felhasználó által fejlesztett SCPI-alapú szoftvereket. Az USB és Ethernet bemenetek SCPI-kompatibilisek, hozzájuk LabVIEW illesztőprogramok állnak rendelkezésre a National Instruments weboldalán. Az értékek beállításának és visszaolvasásának megbízhatósága érdekében a tápegységek beágyazott 12 bites digitális-analóg és analóg-digitális átalakítókat tartalmaznak a feszültség és az áram pontos mérésére és az érték továbbítására.

A hálózati kapcsolaton keresztüli távoli beállítás és az értékek kézi vagy programvezérelt módosítási lehetőségének kombinációja, valamint a tápegység állapotára és a riasztási feltételekre vonatkozó jelentés többek, mint csupán kényelmi funkciók. Csökkentik annak szükségességét, hogy a mérnököknek „babusgatniuk” kelljen a tesztelt egységet és meg kelljen keresniük, illetve összefüggésbe kelljen helyezniük a felmerülő rendellenességeket . Ha ezt olyan műszerekkel kombinálják, mint egy adatgyűjtő vagy egy bőséges memóriával és megfelelő triggerekkel rendelkező digitális oszcilloszkóp, akkor gyakorlatiassá válik a tartós tesztek elvégzése, majd az eredmények letöltése az átfogóbb elemzéshez.

Távérzékelés és kalibrálás

Minden áramvezető vezeték és tápsín esetén fennáll az áram-ellenállás (IR) és feszültség (V) csökkenése. Hogy ez valójában milyen nagy probléma, kiderül Ohm-törvényével (V = IR) végzett alapszámításból. Tehát könnyen előfordulhat, hogy a terhelésen mért feszültség néhány mV és akár több tíz vagy több száz mV közötti értékkel kisebb a tápegységen mért névleges feszültségnél.

Ezt a csökkenést úgy lehet kompenzálni, hogy a névleges feszültséget a tápegységen a csökkenéssel megegyező mértékben növeljük, de ez rossz gyakorlatnak számít, mivel az IR-csökkenés a felvett áram függvénye, következésképpen ingadozni fog. Ennek eredményeképpen a terhelésen levő feszültség valójában túl magas lehet akkor, amikor az áram és az ebből eredő IR-csökkenés alacsony.

Ezért a szokásos megoldás a távérzékelés alkalmazása két további vezetékkel egy Kelvin-érzékelős elrendezésben. Ebben a konfigurációban a terhelésen levő tényleges feszültséget érzékelik és visszacsatolják a tápegységbe a kimenet dinamikus beállításához, így a terhelésen levő feszültség a kívánt értékű. Ez a széles körben alkalmazott megoldás elfogadott, bevett gyakorlat és általában jól működik, de van néhány hátránya is.

Először is, szükség van a két plusz vezetékre, ami triviális dolognak tűnik, de növeli az asztalon uralkodó rendetlenséget. Másodszor, nem mindig könnyű két további, alacsony ellenállású érintkezőt hozzáadni a terheléshez, különösen akkor, ha annak érintkezőit nem készítették fel rá. Bárki, aki próbált már #24 AWG méretű érzékelővezetéket csatlakoztatni csavaros vagy más típusú #14/12/10 AWG méretű tápegységsínhez tervezett csatlakozókhoz, első kézből tapasztalhatta a nehézséget.

Végül pedig ez a két extra érzékelővezeték egyszerűen passzív vezetéknek tűnhet, de nem az. Elektromosan visszacsatoló hurkot alkotnak egy olyan erősítő számára, amely történetesen egy tápegység. Az ilyen korlátozás nélküli és általában rosszul definiált visszacsatoló hurok esetében bármikor fennállhat a zajfelvétel vagy akár a rezgés lehetősége. Tehát a távérzékelés ugyan megoldhatja az IR-csökkenés problémáját, azonban egy sokkal alattomosabb problémát is okozhat: a tápegység kimenetének rezgését. Megfelelő típusú kiegészítő szűrésre lehet szükség, de ez a szűrés is megváltoztathatja és ronthatja a tápegység dinamikus tranziensválaszát.

Távérzékelés – IR-csökkenést kiváltó vezetékek nélkül

A távérzékeléssel kapcsolatos mechanikai, elektromos, sőt esztétikai problémák elkerülése érdekében a PLS600 sorozat alternatív megközelítést kínál egy olyan szabadalmaztatott technológiával, amely anélkül kompenzálja digitálisan ezeket az ellenállásokat, hogy további vezetékekre lenne szükség. Röviden, a felhasználó az előlapról elindítja a távérzékelő üzemmódot, rövidre zárja a terhelés vezetékeit a terhelésnél és a tápegység áramát legalább akkora értékre állítja be, amennyit a terhelés várhatóan felvesz (4. ábra).

4. ábra: Az XP Power PLS600 tápegységek egy egyedi rendszert támogatnak az IR-csökkenés előkompenzálására, így nincs szükség külön távérzékelő vezetékekre. (Kép: XP Power)

A tápegység méri a kimeneti áramot és a teljes feszültségesést a terhelés vezetékeiben, majd kiszámítja azok ellenállását. A tápegység ezután valós időben képes beállítani a kimeneti feszültséget a tápcsatlakozókon, hogy korrigálja a terhelés kábelei okozta csökkenést. Ennek eredményeképpen a tényleges telepítésnél nincs szükség külön érzékelővezetékekre.

A korszerű tápegységek kalibrációs rugalmasságot is kínálnak

Bár a PLS600 sorozathoz hasonló tápegységek általában nem igényelnek kalibrálást, előfordulhatnak olyan körülmények, amikor az egység kimeneti feszültségének alakulását ellenőrizni kell, és szükség lehet néhány kalibrációs beállításra. A kimeneti feszültség és áram, valamint a kijelzett feszültség és áram kalibrálásához a PLS600 sorozat tekintetében kalibrált feszültségmérőre és kalibrált áramsöntre van szükség.

A kalibrálás üzemmódba állított tápegység kimenete nyitott, csak a feszültségmérő csatlakozik hozzá. Röviden, a tápegység által kijelzett értéket és a feszültségmérőn látható értékét összevetik és a tápegység panel gombját megnyomva regisztrálják az értékeket. Ezután csatlakoztatják a feszültségmérőt a kimenetre kapcsolt áramsönthöz. A tápegység kimenetét ezután addig kell állítani, amíg a külső mérőműszer pontosan a tápegység kijelzőjén megjelenő áramot nem mutatja (5. ábra). Vegyük észre, hogy a mérőműszeren megjelenő feszültségérték az Ohm-törvény alapján a használt áramsönt értékétől függ.

5. ábra: Az XP Power tápegységek kalibrálása egyszerű, kétlépcsős eljárással történik: egy nyitott áramkör melletti, majd egy kalibrált terheléssöntön végzett feszültségméréssel. (Kép: XP Power)

Hogyan kaphatunk nagyobb feszültséget vagy áramot?

Bár a PLS600 sorozat tápegységei feszültség- és áramértékek különböző kombinációiban kaphatók, kétségtelenül lesznek olyan körülmények, amikor az egyik vagy mindkét paraméterből nagyobbra van szükség. A kézenfekvő megoldás egy nagyobb tápegység beszerzése, aminek hátránya a többletköltség. Ennek igazolása nehéz lehet, mivel előfordulhat, hogy csak rövid ideig lesz rá szükség. Alternatív megoldást jelenthet két vagy több PLS600 tápegység sorba kapcsolása a nagyobb feszültség, vagy párhuzamos kapcsolása a nagyobb áram érdekében.

A feszültség vagy áram növelése azonban nem csupán két tápegység soros vagy párhuzamos kapcsolásával érhető el. Ezeket ilyen módon kombinálva három dolog egyike fog történni:

1. A konfiguráció nem biztosítja a szükséges kimenetet, nem vezérelhető és a tápegységek valószínűleg megsérülnek.
2. A konfiguráció valamelyest működik, de nem nyújtja a szükséges működést, pontosságot, konzisztenciát vagy megbízhatóságot.
3. Minden jól működik vagy a szerencsének – ami általában nem egy jó mérnöki taktika – vagy a tudatos tervezésnek köszönhetően.

Az 1. és 2. eredmény nem kívánatos és elfogadhatatlan, bár néhány gondosan kiválasztott és méretezett külső alkatrésszel, például árammegosztó ellenállásokkal vagy leválasztó diódákkal bizonyos mértékig ki lehet küszöbölni a hiányosságaikat (6. ábra). A feszültségpárosításhoz hasonló séma használatos. Még ha működik is, az eredő teljesítményt a két tápegység közül a kisebbik műszaki jellemzői és a hozzáadott alkatrészek közötti eltérések korlátozzák, illetve ezek az alkatrészek maguk is rontják.

6. ábra: Külső alkatrészek, például árammegosztó ellenállások (balra) vagy leválasztó diódák (jobbra) segítségével két tápegység párhuzamosan kapcsolható a nagyobb áramterhelhetőség érdekében, de ez a működés rovására megy. (Kép: XP Power)

Végeredményben az általános elképzelés az, hogy sokkal kevesebb problémát okoz, ha egyetlen, az alkalmazáshoz méretezett tápegységet használunk, nem pedig kettőt vagy többet párhuzamosan vagy sorba kapcsolva. A 3-as számú „jól működik” kívánatos eredmény azonban csak akkor valósul meg, ha a tápegységeket kifejezetten soros vagy párhuzamos működésre tervezték – mint a PLS600 sorozatú család tagjait.

A PLS600 tápegységek párhuzamos vagy soros elrendezéséhez az egyik tápegységet master, a többi tápegységet pedig slave beállításban kell használni. A feszültségnöveléshez maximum két tápegység kapcsolható sorba (ezeknek azonosaknak kell lenniük), míg az áramnöveléshez maximum négy azonos egység használható párhuzamosan. A master és slave egységek beállítása és kijelölése az előlapi vezérlőpanelen keresztül történik és van néhány maximális határérték, amelyet biztonsági és teljesítménybeli okokból egyaránt meg kell érteni.

Rakatolás és rendszerezés a kényelem, fegyelem és hatékonyság érdekében

A mérnöki munkaasztalok vizuális megjelenése a meglehetősen rendezettől a hihetetlenül rendezetlenig terjed. A valóság az, hogy sok asztal rendezettnek indul, de a rendetlenség gyakran egyszerre csal „felhalmozódik” , majd az egyetlen vagy több tápegység és azok vezetékei tovább növelik azt. Más esetekben a tápegység egy olyan műszeregység része, amelyet egy vagy több okból is szekrénybe szereltek, pl.:

• egy önálló tesztberendezés vagy hosszú távú kiértékelő projekt része;
• a rendszer integritásának biztosítása és a megbízhatóság növelése azáltal, hogy mindennek megvan a rendeltetésszerű helye, és minden kábel teljesen konfekcionált, valamint tehermentesítőkkel van ellátva;
• szállítás és esetleges újbóli telepítés szükségessége miatt.

Ezen okoknál fogva az XP Power a PLS600 tápegységekhez a PLS600 Rack Mount készlet használatát ajánlja (7. ábra).

7. ábra: Az XP Power PLS600 Rack Mount készlet megkönnyíti egyetlen PLS600 egység vagy két, egymás mellett párban elhelyezett egység szabványos készülékszekrénybe való beszerelését. (Kép: XP Power)

Mivel a PLS600 sorozat minden tagja ugyanolyan méretű, a készlet mindegyikhez használható. A tápegység beszerelése ezzel a készlettel gyors és egyszerű feladat, a készlet két tápegység egymás mellé történő felszerelését is lehetővé teszi.

Összegzés

Az asztali tápegységek formájukban és működésükben nagyban különböznek a beágyazott egységektől, amelyek csak kevés felhasználói vezérlési vagy beállítási lehetőséggel rendelkeznek, illetve teljes mértékben nélkülözik azokat. Az asztali vagy „laboratóriumi” tápegységek prototípusok fejlesztéséhez, hibakereséshez és teszteléshez, valamint a helyhez kötött tesztállványokhoz nélkülözhetetlen eszközök. A jól megtervezett, sokfunkciós laboratóriumi tápegységek, például az XP Power PLS600 sorozat tagjai, mind kiváló teljesítményt, mind pedig a hatékony és rugalmas használathoz szükséges további képességeket és funkciókat kínálnak a kényelmes előlapi vezérléstől kezdve a hálózaton keresztüli hozzáférésen át a szkriptvezérelt programozhatóságig.

Felhasznált forrásanyagok

1. XP Power AC-DC tápegységek, PLS600 sorozat
2. XP Power felhasználói kézikönyv PLS600 sorozatú programozható egyenáramú tápegységekhez
3. XP Power felhasználói programozó kézikönyv PLS600 sorozatú programozható egyenáramú tápegységekhez