Leválasztott egyenáram-átalakítók választása ipari IoT-érzékelőkhöz és használatuk

Az ipari dolgok internetére (IIoT) kapcsolódó vezeték nélküli érzékelők áramellátása komoly kihívást jelent az olyan felhasználási területeken, mint például a gépek állapotfigyelése. Az érzékelőknek kis méretűeknek, strapabíróknak, könnyen felszerelhetőknek és olcsóknak kell lenniük, ugyanakkor hosszú ideig megbízhatóan kell működniük kevés karbantartással vagy karbantartás nélkül. Az érzékelők meghibásodásának következményei a gép állapotára vonatkozó létfontosságú adatok hiányától kezdve a költséges javításokon át a rendszer vagy a gyártósor katasztrofális meghibásodásáig terjedhetnek.

Ez a cikk a tervezők előtt álló azon kihívásokat ismerteti, amelyekkel az állapotfigyelő rendszerek elemes vagy akkumulátoros IIoT-érzékelőinek áramellátása során szembesülnek. Ezután leírja, hogy a RECOM Power nagy energiasűrűségű leválasztott egyenáram-átalakítói (DC–DC átalakítók) hogyan használhatók olyan tápegységek alapjaként, amelyek drága és terjedelmes hűtőbordák használata nélkül nélkül is képesek megoldani ezeket a kihívásokat.

Mi az az állapotfigyelés?

Az állapotfigyelés megoldja a nagy és összetett gépek és géprendszerek, valamint folyamatok megelőző karbantartásának ütemezésével járó problémákat. Ez a technika a gépalkatrészek állapotának ismeretén alapul, hogy jóval a meghibásodás előtt javítani vagy cserélni lehessen az adott alkatrészt. Például egy motor rezgéseinek folyamatos figyelésével a szoftver képes meghatározni a csapágy kopottságát, és az adatokat extrapolálva megállapíthatja, hogy a pillanatnyi kopási sebesség mikor okozhat meghibásodást. Az ilyen információk lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy megnöveljék a szervizidőközöket, és elkerüljék a nem tervezett leállásokat (1. ábra).

1. ábra: Karbantartás nélkül az összetett ipari folyamatok és bonyolult gépek végül meghibásodnak, ami hosszabb leállásokhoz vezet. Az elhasználódott berendezések ismétlődő meghibásodásai a javítás után is előfordulnak (alul). A megelőző karbantartási rendszerek gyakori szervizidőközöket ütemeznek be, hogy biztosítsák a folyamatok és gépek hosszú időn keresztül való működőképességét és azt, hogy a gépek ne kopjanak el, de ezek a rendszerek erőforrás-igényesek (középen). Az állapotfigyelés lehetővé teszi a meghibásodás kockázata nélküli hosszabb szervizidőközöket, miközben csökkenti a karbantartási költségeket (fent) (kép: RECOM Power)

Az IIoT-érzékelők jó választásnak bizonyulnak az állapotfigyelő rendszerekhez. Ezek a kis méretű eszközök mechanikusan rögzíthetők a gépek vagy folyamatok ismert hibapontjainak közelében, ami növeli a mérési pontosságot. A vezeték nélküli kapcsolat drága kommunikációs vezetékek nélkül teszi lehetővé a rendszeres állapotfrissítést.

Az IIoT-érzékelők áramellátásának tervezése komoly kihívás. A jellegzetes működési környezet piszkos, nagy lehet a rezgés, nagyon magas lehet a hőmérséklet, és mindennaposak a veszélyes feszültségek. A rendelkezésre álló hely gyakran korlátozott, és az érzékeny elektronika folyamatos, sima és pontosan szabályozott egyenfeszültséget igényel.

A RECOM Power cég RxxCTExx sorozatú leválasztott egyenáram-átalakítóinak új generációja megoldást kínál erre. Ezek a kis méretű eszközök biztosítják az IIoT-érzékelőrendszerekhez szükséges nagy energiasűrűséget, kis méretet, tartósságot és hatékonyságot. Az átalakítók felületszerelhető tokozásban kaphatóak. Ezek az átalakítók akár 1 W teljesítmény leadására is képesek, miközben nagyon kis helyet foglalnak el a nyomtatott áramköri lapon.

Strapabíró kereskedelmi tápegységek IIoT-érzékelőkhöz

A tokozás terén végzett fejlesztések, például az áramellátó és vezérlőelemek ugyanazon szilíciumszeleten történő elhelyezése és a lapos transzformátorok használata lehetővé teszi a gyártók számára, hogy kiváló műszaki jellemzőkkel rendelkező leválasztott egyenáram-átalakítókat kínáljanak az IIoT-érzékelőrendszerekhez. A RECOM Power egyenáram-átalakítói például olyan tervezési megoldásokat használnak, mint a síkbeli transzformátorok, hogy a lapkák magassága 3 mm alá csökkenjen (2. ábra).

2. ábra: A RECOM cég RxxCTExx sorozata kis méretű, 3 mm-nél laposabb, felületszerelhető SOIC-16 tokozással készül (kép: RECOM Power)

A szabványos SOIC-16 tokozás használata lehetővé teszi az automatizált berendezésekkel történő kezelést és szerelést, a lapkák kis mérete pedig azt, hogy a teljesítményszabályozó rész sokkal közelebb kerüljön a terheléshez, ami egyszerűsíti a tervezést, és kisebb méreteket tesz lehetővé.

Az olcsó RECOM Power egyenáram-átalakítók 4,5–5,5 V névleges bemenőfeszültség esetén 0,5 W (R05C05TE05S-CT) vagy 1 W (R05CTE05S-CT) teljesítményt nyújtanak 5 V kimenőfeszültség mellett (a kimenőfeszültség hullámossága (csúcstól csúcsig) legfeljebb 50 mV (mV_p-p)). Az átalakítók kimenőfeszültsége kompatibilis a népszerű aktívérzékelő-termékcsaládokkal és mikrovezérlőkkel, valamint az adatelemzéshez elterjedten használt bemenőoldali digitális jelfeldolgozó (DSP) eszközökkel A 0,5 W-os R05C05TE05S-CT bemenőárama 240 mA, míg az 1 W-os R05CTE0505S-CT változat bemenőárama 370 mA. Az átalakítók rövidzár-, túláram- és túlmelegedés-védelemmel is el vannak látva, így nagy megbízhatóságot kínálnak az ipari dolgok internetéhez kapcsolódó (IIoT-s) felhasználási területeken.

A 0,5 W-os változat akár 100 °C-os környezeti hőmérsékleten is működhet teljesítménycsökkenés nélkül, míg az 1 W-os termék 72 °C-ig használható. Mindkét eszköz megfelel az IEC 62368-1 szabványnak (informatikai berendezésekre vonatkozó általános biztonsági előírások).

A egyenáram-átalakítóknak nincs minimális terhelési követelményük, ami alkalmassá teszi őket olyan felhasználási területeken való használatra, ahol az energiatakarékosság érdekében gyakran nagyon kis terhelésű üzemmódba kapcsolnak. Ez az IIoT-érzékelők esetében teljesen általános. Az R05C05TE0505S-CT legfeljebb 60 másodpercig képes 0,6 W-ot is leadni (255 mA-ra növelt bemenőáram mellett). A csúcsteljesítmény ismételt igénybevételéhez a csúcsteljesítményen való működés időtartamának háromszorosát kitevő visszaállási időre van szükség (3. ábra).

3. ábra: A RECOM Power cég R05C05TE0505S-CT 0,5 W-os egyenáram-átalakítója 0,6 W kimenő csúcsteljesítményt képes leadni maximum 60 másodpercig. A csúcsteljesítmény ismételt igénybevételéhez a csúcsteljesítményen való működés időtartamának háromszorosát kitevő visszaállási időre van szükség (kép: RECOM Power)

A leválasztással kapcsolatos igények kielégítése

Amikor nagy teljesítményű gépeket indítanak el vagy állítanak le, az IIoT-csomópontot körülvevő környezetet nagy energialökések érik. Emiatt biztonsági okokból és a sérülékeny elektronika védelme érdekében az érzékelő egyenáramú tápegységeit le kell választani a fő tápegységről.

A RECOM Power egyenáram-átalakítók belső transzformátorral választják le a kimenetet a bemenetről. Az eszközök 3 kV egyenáramú leválasztási feszültséggel rendelkeznek (60 s-re méretezve), és 1 s-en keresztül 3,6 kV maximális egyenáramú leválasztási feszültséggel tesztelik őket. A szigetelési ellenállás (500 V egyenfeszültség és 25 °C esetén) 50 GΩ, és a külső átütési távolság > 8 mm. A 4. ábra egy tényleges áramkört mutat a leválasztott egyenáram-átalakító felhasználására.

4. ábra: Egy tényleges áramkör a RECOM Power cég RxxC05TExxxxS leválasztott egyenáram-átalakítójának felhasználásával (kép: RECOM Power)

A hűtés fontossága

A egyenáram-átalakítók energiasűrűségét W/cm³-ben mérik. A nagyobb fajlagos teljesítmény (nagyobb energiasűrűség) lehetővé teszi a tervezők számára, hogy nagyobb méretű alkatrészek használata nélkül növeljék a készülék teljesítményét, vagy hogy a termék méretét csökkentve érjenek el ugyanolyan teljesítményt.

Az egyenáramátalakító-gyártók számára a nagy energiasűrűség biztosításának kulcsa a lapka hatásfokának növelése vagy hőleadási teljesítményének javítása, ami lehetővé teszi kisebb méretű tokozás használatát és a magasabb legnagyobb üzemi hőmérsékleten való működést.

A RECOM Power egyenáram-átalakítók jó hatásfokot kínálnak az olcsó, leválasztott, félig szabályozott, kapcsolóüzemű eszközökhöz. Az egyik legfontosabb jellemzőjük, amely megkülönbözteti őket a versenytársaiktól, az, hogy a hatásfok-jelleggörbéjük a 20%-os és a teljes kimeneti terhelés közötti tartományban viszonylag lapos (5. ábra). A versenytárs eszközök alacsony és közepes kimeneti terhelésnél gyakran rossz hatásfokot mutatnak.

5. ábra: Az R05C05TE05S-CT hatásfok-jelleggörbéje a kimeneti terhelés százalékos arányának függvényében. A kapcsolóüzemű leválasztott áramátalakítók széles terhelési tartományban jó hatásfokot kínálnak (kép: RECOM Power)

Az alkatrész legnagyobb határfelületi hőmérséklete (T_jmax) (a szilíciumszelet tetejének közepén mérve) általában meg van adva az adatlapon. Amennyiben a hőmérséklet nem lépi túl ezt a határértéket, a gyártó garantálja a teljesítményt. Az ezen hőmérséklet feletti működés úgy megváltoztathatja a félvezető anyag vezetőképességét, hogy az már nem a kívánt módon működik, és akár maradandó károsodást is szenvedhet.

Egy állandó veszteségi teljesítményű eszköz, például egy egyenáramú szabályozó esetében a T_j hőmérséklet nagymértékben függ a belső többutas hőellenállástól (Ψ_jt) és a közvetlen környezet felé történő hőátadás hatékonyságától. A Ψ_jt figyelembe veszi az összes olyan lehetőséget, amelyen keresztül a hő távozhat az alkatrészből, beleértve a lapka alján át a nyomtatott áramköri lapon keresztül való hűtést is. Ezt a paramétert nehéz a laboratóriumon kívül mérni, és gyakran nem is szerepel az adatlapon. A Ψ_jt jó helyettesítője a θ_ja. Ez a szilíciumszeletről közvetlenül a külső környezetbe vezető egyetlen hőelvezetési útvonal hőellenállásának (R_θja) mérőszáma, amelyet egyszerűbb mérni. A R_θja mértékegységei a °C/W (Celsius-fok/watt) és a K/W (kelvin/watt). A T_j értéke az alábbi egyenlettel becsülhető:

Az alkatrésztervezők célja a belső hőellenállás minimálisra csökkentése, valamint a hővezetés és a hőátadás útján történő hőelvezetés maximálisra növelése, hogy az alkatrészek hőmérsékletét alacsonyan tartsák, és kielégítő tartalékot („játékot”) biztosítsanak a T_j és a T_jmax között (6. ábra).

6. ábra: Az alkatrészgyártók a megfelelő működés biztosítása érdekében megadják az aktív eszközök legnagyobb határfelületi hőmérsékletét (T_jmax). Egy adott veszteségi teljesítmény esetén a T_j értéket leginkább az alkatrész teljes hőellenállása és a környezeti hőmérséklet (T_a) határozza meg. (kép: RECOM Power)

Az IIoT-érzékelők gyakran zárt, rosszul szellőző környezetben működnek. Ez a környezeti hőmérséklet emelkedését okozhatja, amely ipari környezetben könnyen megközelítheti a 70 °C-ot. Ez a magas T_a hőmérséklet hatással van az alkatrész hőmérsékleti tartalékára.

Nézzünk meg egy jellegzetes egyenáram-átalakítót szemléltető példát:

A hűtőborda használatával történő költség- és térfogatnövelés nélkül ez az eszköz nem lenne alkalmas az adott felhasználásra, mert a hőmérsékleti tartaléka nagyon szűk.

Jobb megoldás lenne egy olyan eszközt használni, amelynek nagyobb a hőmérséklet-tartománya. Számos kereskedelmi forgalomban kapható egyenáramú szabályozó kínál 125 °C-os T_jmax értéket, és néhány, például a RECOM Power termékcsaládja 150 °C-ra is növeli ezt az értéket. Másodszor, a bemenő- és a kimenőfeszültség jobban illeszthető egymáshoz (ami növeli a lineáris szabályozó hatékonyságát, és ezáltal csökkenti a veszteségeket). Harmadszor pedig a tervezőnek törekednie kell arra, hogy a legalacsonyabb hőellenállással rendelkező eszközt válassza.

Nézzünk egy másik példát a fenti szempontok figyelembevételével kiválasztott egyenáram-átalakítóra:

Ez a megoldás jelentős hőmérsékleti tartalékot kínál, ami segít megnövelni a termék élettartamát.

A RECOM Power cég RxxCTExx sorozatánál a hőellenállás csökkentése érdekében 3D teljesítménytokozást (3DPP) használnak. A 3DPP a hőellenállás csökkentése érdekében kihasználja az anyagoptimalizálás, a gyártási technológiák, valamint a határfelületek és a környezet közötti különböző hőátviteli módszerek, például a közvetlen vezetékezésű, hordozóanyagra helyezett félvezetőszeletes (FCOL, flip-chip-on-lead) technika, a beágyazott IC-k és a hőelvezető furatok előnyeit. Ezek a technikák lehetővé teszik olyan SOIC-16 méretű egyenáram-átalakítók gyártását, amelyek nagy terheléseket képesek ellátni az aktív hűtési módszerek bonyolultsága és költségei, illetve nagyméretű passzív hűtőbordák nélkül. Az RxxC05TExxS termékek R_θja értéke 63,8 °C/W, szemben a hagyományos termékek 90 °C/W körüli értékével.

Bizonyos körülmények között, például zárt helyiségekben, sok hőt sugárzó nagy villanymotorokkal működő gépek közelében a környezeti hőmérséklet még magasabbra emelkedhet. Ezekben a helyzetekben a lapkagyártók teljesítménycsökkentést javasolnak (azaz az eszköz kimeneti teljesítményének korlátozását, hogy csökkentsék a veszteségi teljesítményt és ezzel együtt a T_j értékét). Vegyük például a fentebb bemutatott második egyenáram-átalakítót. A hőmérséklet 110 °C-ra emelkedése miatt csak körülbelül 38 °C-os hőmérsékleti tartalék maradna, ami kevesebb, mint ami a termék élettartamának megnöveléséhez ajánlott. A 7. ábra a RECOM Power cég RxxC05TExxxxS egyenáram-átalakítójának hőmérsékleti teljesítménycsökkenési görbéjét mutatja.

7. ábra: A RECOM Power cég RxxC05TExxxxS egyenáram-átalakítójának hőmérsékleti teljesítménycsökkenési görbéje. A gyártó T_a = 104 °C felett az alkatrész hosszú távú károsodásának elkerülése érdekében a kimenő teljesítmény csökkentését javasolja (kép: RECOM Power)

Összegzés

A kis energiaigényű, vezeték nélküli IIoT-érzékelők áramellátása olyan felhasználási területeken, mint például a gépek állapotfigyelése, jelentős feladat, mert a működési környezet forró és piszkos. Az érzékeny figyelőeszközöket egyenletes, sima egyenfeszültséggel kell ellátni, és védeni kell őket az ipari berendezésekben gyakori nagy feszültséglökések ellen. Ezenkívül általában fontos szempont a kis helyigény, és a költségeket is alacsonyan kell tartani.

A leválasztott egyenáram-átalakítók új generációja ma már segít a tervezőknek, hogy megfeleljenek ezeknek a kihívásoknak. A kis méretű, felületszerelhető megoldások egyszerű összeszerelést tesznek lehetővé, és az elvárt nagy energiasűrűséget, helytakarékosságot, tartósságot és hatékonyságot kínálnak. Emellett az újszerű tokozási megoldások és gyártási technológiák csökkentették a hőellenállást, lehetővé téve az eszközök zárt, magas hőmérsékletű környezetben való működését anélkül, hogy drága és terjedelmes hűtőbordákra lenne szükség.