Pull to refresh

Проектирование подсистемы питания электронного измерителя

Reading time 5 min
Views 2.1K

Аннотация


В статье представлен структурный анализ подсистемы питания стационарных средств измерений показателей качества электрической энергии (СИ ПКЭ).
Данный принцип также подходит для проектирования подситемы питания других различных приборов и электронных устройств.

Введение


Под стационарными СИ ПКЭ понимаются приборы — измерители, предназначенные для проведения мониторинга или продолжительного аудита электрических сетей. В обоих случаях измерители устанавливаются вблизи точек контроля на продолжительное время (1…3 и более месяцев) и находятся под постоянным контролем операторов. Как правило, контроль осуществляется удалённо, данные передаются в диспетчерский компьютер посредством проводных или беспроводных интерфейсов. В том случае, когда требуется обслуживать несколько точек контроля, измерители объединяются в информационные сети. Такие сети, осуществляющие сбор и компьютеризированную обработку данных (информации), принято называть измерительными системами (СИ).
Питание для таких пространственно распределённых измерителей осуществляется от источников бесперебойного питания (ИБП), которые могут быть автономными и размещаться рядом с измерителем, либо могут быть организованы как единый (централизованный) источник, который размещается в диспетчерском пункте.
Второй вариант питания может быть реализован при использовании проводных интерфейсов типа RS485, CAN, Ethernet …
Использование автономных ИБП повышает общую надёжность системы, однако более затратно. В ряде случаев возможна реализация компромиссных вариантов питания – с применением групповых ИБП, когда от каждого из размещённых источников питается по несколько измерителей.
На рис.1 представлено условное обозначение типового ИБП системного назначения. ИБП представляет собой трёхфазный преобразователь переменного напряжения в постоянное со стабилизирующими функциями. Имеет гальванический барьер, выход защищён от короткого замыкания. ИБП сохраняет свои функции при наличие хотя бы одного из фазных напряжений, упавшего не более чем до установленных границ. С целью дальнейшего повышения надёжности системы ИБП полезно снабжать служебным интерфейсом (RS485, RS232, CAN) для оперативной связи с диспетчерским компьютером. Это позволит диспетчеру изменять режимы работы ИБП, получать предаварийную информацию (перегрев и т.п.) и др.

Рис. 1. Условное обозначение источника питания системного назначения

2. Выбор компонентов подсистемы питания СИ ПКЭ


В [1] показана типовая структурная схема СИ ПКЭ. Особенностью схемы является наличие до пяти гальванических зон питания. Внутри каждой зоны действует своё напряжение (или несколько напряжений) которые не имеют гальванической связи – говорят, что зоны разделены гальваническими барьерами так, что общий провод в каждой зоне свой. Таким образом, при проектировании подсистемы питания для СИ ПКЭ необходимо формировать несколько групп питания – по одной на каждую зону.
На рис.2 показана типовая структурная схема подсистемы питания. Использованные обозначения: ВхП – входной преобразователь, ВтП – вторичный преобразователь, LDO – линейный стабилизатор с малым падением напряжения «вход-выход».
Структура имеет четыре гальванические зоны. Напряжения, принадлежащие одной зоне, имеют отличительное обозначение, например, напряжения зоны №4 обозначены: U1.4, U2.4, U3.4, U4.4.
Структура содержит наиболее полный набор преобразователей, учитывающий наличие гальванических барьеров, который образуют четыре т.н. гальванические зоны. Зона 1 – зона входных питающих напряжений, зона 2 – зона основной электронной схемы, зона 3 – зона интерфейсных сигналов, зона 4 – зона входных измерительных цепей (преобразователей).
Структура может изменяться в зависимости от назначения проектируемых СИ ПКЭ. В частности, простые портативные измерители могут иметь только одну гальваническую зону. Наиболее сложные измерители могут иметь несколько гальванических зон для входных измерительных цепей.


Рис. 2. Типовая структура подсистемы питания СИ ПКЭ

2.1. Примеры структурных реализаций подсистемы питания

Рассмотрим примеры структурной реализации подсистемы питания с первичным источником постоянного тока и источником переменного тока.
Структуры с источником постоянного тока.
На рис. 3 представлена структура питания от первичного источника с нестабильным выходным напряжением (U1.1).
Читаем схему в соответствии с условными обозначениями.
Входной преобразователь (G1) понижающего вида, имеет гальванический барьер между входным напряжением и преобразованным U1.2. Свойства входного преобразователя: -преобразователь имеет стабилизирующие функции (знак ++) и допускает подачу напряжения в широком диапазоне (знак 2:1), например, (36…72) В; -выход имеет защиту от короткого замыкания (знак х на выходе).
На выходе G1 установлен LDO-преобразователь (G3) для уменьшения шумовых составляющих U1.2. Обычно такое улучшение питающего напряжения требуют аналоговые измерительные цепи. Менее чувствительные к шумам цифровые схемы можно питать непосредственно напряжением U1.2, которое – и это всегда надо учитывать, несколько выше стабилизированного U2.2.
Второй нагрузкой для U1.2 является преобразователь G2. Он предназначен для питания внешнего интерфейсного драйвера. Преобразователь имеет гальванический барьер и выход его нестабилизирован.
Для простоты гальваническая зона 4 (рис.2) не показана.

Рис. 3. Структура питания от источника нестабилизированного напряжения. Преобразователь интерфейсного драйвера имеет гальванический барьер

Схема, представленная на рис. 4 имеет тоже назначение и отличается реализацией питания для интерфейсного драйвера. Для питания интерфейсного драйвера использован понижающий преобразователь со стабилизирующими функциями, но в отличие от G2 он не имеет гальванического барьера.

Рис. 4. Структура питания от источника нестабилизированного напряжения.

Преобразователь интерфейсного драйвера не имеет гальванического барьера
Сравним. Первая схема (рис.3) построена по более надёжной (испытанной) структуре. Она имеет относительно дорогой преобразователь (модуль) с УГР. Вторая схема (рис.4) более привлекательна, т.к. использует интерфейсный преобразователь питания без УГР (микросхема) – видимо, дешёвый. Она не испытана и предполагает использование преобразователя с широким входным диапазоном.
Структуры с источником переменного тока.
В ряде эксплуатационных ситуациях удаётся питать СИ ПКЭ от специальной резервированной сети питания постоянного или переменного тока с высоким, как правило, напряжением. Структурная схема подсистемы питания в этом случае может иметь в качестве входного преобразователя питания преобразователь переменного тока в постоянный. Часто такие преобразователи позволяют подавать на вход и постоянное напряжение. На рис. 5 представлена структура питания от резервированной сети питания. На входе преобразователя установлен выпрямитель, затем напряжение подаётся на вход понижающего преобразователя с гальваническим барьером.
Следует иметь в виду, что эта же схема позволяет в ряде случаев осуществлять питание от измеряемого фазного напряжения. Для этого диапазон входных напряжений преобразователя должен быть достаточно широк, чтобы питание измерителей не прерывалось, пока напряжение на входе имеет актуальное состояние (интересное для исследования).

Рис. 5. Структура питания от резервированной сети переменноготока

2.2. Фирмы-производители компонентов питания.

На рынке компонентов питания присутствуют десятка три-четыре производителей. Наиболее хорошо представлены следующие фирмы.
Производители преобразовательных модулей: Aimtec, Recom, PEAK, Traco, Rohm, Mean Weel, Murata PS, Chinfa Electronics, Fabrimex, XP, Mornsun, Ирбис и др. [2-5]
Производители преобразовательных микросхем: Analog Devices, Texas Instruments, Linear Technology, Microchip, Maxim, Exar, On Semiconductor и др. [6-10]
Tags:
Hubs:
0
Comments 4
Comments Comments 4

Articles