Aplicar la capacidad de programación de las fuentes de alimentación de mesa, la conexión en red y las características de la teledetección sin plomo

Las fuentes de alimentación se ofrecen en una gama extremadamente amplia de grados, tamaños físicos y factores de forma. Si bien es común optimizar el tamaño, la eficiencia y los costos -especialmente en aplicaciones con limitaciones de energía como las que se pueden usar-, hay aplicaciones en las que los parámetros de la unidad de fuente de alimentación (PSU) deben ser ajustados una vez que la unidad se despliega y está en uso. Este es particularmente el caso de las PSU para aplicaciones y entornos de pruebas automatizadas o de mesa.

Esto ha dado lugar a fuentes de alimentación que proporcionan diversos grados de flexibilidad en el campo, que van desde actualizaciones de firmware por aire para la optimización de la eficiencia, hasta la supervisión y el control remotos siempre activos para garantizar la precisión, la escalabilidad, la redundancia y el equilibrio de carga efectivo de los conjuntos de fuentes de alimentación. Las características de programación pueden acelerar el diseño y la evaluación del producto, mejorar la funcionalidad del sistema y proporcionar la flexibilidad necesaria. Sin embargo, entre la creciente gama de opciones programables disponibles, algunas en particular se destacan.

Este artículo examina el papel, las funciones y las características de las PSU avanzadas de última generación, que son mucho más que simples fuentes de alimentación autónomas, independientes, precisas y con capacidad de respuesta en sus propios recintos. A continuación, se centra en las características y capacidades, y los beneficios posteriores de la última generación, totalmente en red, altamente programables de las PSU de XP Power como ejemplos.

La PSU comparada con el suministro de marco abierto

En muchos diseños, el suministro de CA/CC se construye o se aprieta en la placa principal de la PC o en una placa separada que se "mete" en una esquina. Sin embargo, en otros productos se necesita una unidad de alimentación distinta, independiente y separada. Estos suministros -a veces llamados suministros de "chasis" o de "marco abierto"- son autónomos y cumplen los requisitos de embalaje, rendimiento y reglamentación necesarios. Muchos de ellos se pueden obtener de múltiples proveedores como segunda o alternativa en cuanto a la forma, el ajuste y la función.

Estos suministros, tipificados por unidades como el UCH600PS36 de XP Power, un suministro de 36 voltios, 4.16 amperios (A), 600 vatios (W) de marco abierto, no tienen ninguna interfaz de usuario ya que no se requiere ninguna (Figura 1). En su lugar, se incorporan en el producto final sin que se prevean ajustes para el usuario una vez que se han introducido. Tienen mínimas conexiones de entrada/salida: Entrada de CA, salida de CC, y tal vez cables de detección remota.

Figura 1: Una fuente de alimentación de marco abierto como la UCH600PS36 está diseñada para ser incorporada en el producto final sin necesidad de que el usuario final tenga acceso o ajuste sus diversos parámetros de rendimiento. (Fuente de la imagen: XP Power)

Por el contrario, los proyectos de ingeniería necesitan un suministro con una interfaz flexible y fácil de usar implementada mediante una combinación de interruptores, perillas, botones suaves, medidores, indicadores e incluso una pantalla de lectura alfanumérica. Estas PSU totalmente ajustables están diseñadas para permitir un ajuste conveniente de los parámetros, incluyendo el voltaje de salida, la corriente máxima y la limitación de voltaje/corriente, entre otros factores. Sirven a las necesidades del equipo de ingeniería durante las fases de diseño, evaluación de prototipos y depuración, y generalmente se denominan suministros de "mesa de trabajo" o "laboratorio". También pueden estar montados en un bastidor en una disposición fija y semipermanente para mayor comodidad y limpieza como parte de un equipo de pruebas automatizadas (ATE) u otra instalación a largo plazo (Figura 2).

Figura 2: Las PSU de "Banco" se usan en el banco del ingeniero, pero también se montan a menudo en un bastidor junto con otras unidades de prueba para proporcionar una configuración de instrumentación completa y empaquetada. (Fuente de la imagen: UKARANet, Red de Radioastronomía Amateur del Reino Unido)

Las UPM de hoy en día deben satisfacer necesidades más sofisticadas que las que manejaban las UPM de hace solo unas décadas, aunque su función básica sea la misma. Junto con las lecturas básicas de voltaje y corriente, y el ajuste manual del valor del voltaje de salida, una fuente de alimentación eléctrica debe habilitar otras funciones dirigidas manualmente, así como ofrecer acceso remoto.

Las fuentes de alimentación como las fuentes de alimentación de CC programables de la serie PLS600 de XP Power lo hacen permitiendo que el ajuste de los parámetros de funcionamiento se realice a través de controles del panel frontal despejados y convenientes, además de varias opciones de conectividad del panel trasero, incluyendo interfaces USB, Ethernet y analógicas (Figura 3). Además, la UPM debe vigilar su propia situación y la de la carga, e informar de la situación de forma directa y remota, tanto a petición como de forma excepcional, con el fin de mantener la confianza en la propia unidad así como en el sistema más amplio.

Figura 3: El panel frontal (superior) de las unidades de la serie PLS600 es funcional y despejado, a la vez que soporta el potente acceso del usuario y las características de monitorización; el panel trasero (inferior) tiene el cable de CA y los conectores para las interfaces USB, Ethernet y analógicas. (Fuente de la imagen: XP Power)

Las funciones del panel frontal (que se muestran del 1 al 7 en la Figura 3) se describen con más detalle en el manual del usuario, pero son, en orden ascendente: encendido/apagado; ajuste de corriente; ajuste de voltaje; encendido/apagado de la salida; la pantalla; y los enchufes del cable de salida de energía.

La familia PLS600 consta de cinco unidades de salida de CC que empiezan con la PLS6003033 CC de 30 voltios y se completan con la PLS6004002.5 de de 400 voltios, todas con una potencia máxima de 600 vatios.

La completa programabilidad trae beneficios adicionales.

Una cosa es afirmar que un PSU es "programable", pero es importante aclarar lo que esto significa para un PSU moderno. En primer lugar, la fuente de alimentación PSU debe tener un voltaje de salida ajustable por el usuario en lugar de uno fijo; en muchos casos, la fuente de alimentación PSU también puede funcionar como una fuente de corriente ajustable por el usuario. Para mayor comodidad, los valores de estos parámetros primarios se ajustan fácilmente según sea necesario desde el panel frontal. Junto con una lectura digital, los controles giratorios siguen siendo la forma más cómoda de ajustar rápidamente, ajustar o "afinar" la configuración de los valores deseados.

Entre otros parámetros que los usuarios pueden establecer están los importantes valores de protección contra sobretensiones (OVP), protección contra sobrecorrientes (OCP) e incluso protección contra sobrecargas (OPP). Esto último es útil para aplicaciones en las que la "preocupación" no es el límite de potencia de 600 W de la fuente de alimentación PLS600, sino la cantidad máxima de potencia (voltaje × corriente) que se debe permitir que la carga extraiga de la fuente para evitar cualquier daño a la misma.

A menudo, después de hacer varios ajustes en el voltaje, la corriente, la potencia u otros puntos de ajuste bajo la presión del tiempo y el estrés de la depuración y la prueba, los usuarios pueden inadvertidamente dejar de registrar los valores que realmente han establecido para estos factores. Debido a esta y otras razones, las PSU PLS600 permiten una rápida visualización de los valores de los parámetros. Además, todos se almacenan internamente para que no sea necesario volver a introducirlos al encenderlos.

Esta programabilidad básica es solo el primer aspecto de una PSU verdaderamente versátil. Para muchas situaciones de prueba y evaluación, es necesario que el suministro ejecute un "guión" predefinido en tiempo real independiente de una conexión de red. Para ello, la serie PLS600 proporciona una sofisticada capacidad de escritura integrada que permite a los usuarios escribir programas personalizados para la generación de perfiles de salida definidos por el usuario para adaptarse a una amplia variedad de requisitos únicos, y cargarlos en la fuente de alimentación para ejecutarlos a pedido.

Esto permite que los suministros desempeñen un papel avanzado en el sistema más grande y así ser un elemento eficaz en una secuencia de rendimiento del producto o en una prueba avanzada del ciclo de vida, como una prueba de vida altamente acelerada (HALT), y posiblemente de ayuda para encontrar anomalías sutiles relacionadas con las características del subsistema de energía del producto final.

La conectividad y el control desde lo simple hasta lo conectado a la red

Aunque una fuente de alimentación de mesa debe tener un panel frontal y controles prácticos y fáciles de usar para un acceso básico e inmediato, estos son inadecuados para un suministro eficiente a nivel de sistema. Además de los convenientes controles rotativos para el ajuste de voltaje y corriente, la serie PLS600 también admite el control remoto a través de USB, Ethernet y entradas de control analógicas.

El control analógico puede parecer un anacronismo, pero permite la configuración directa y fácil de un escenario de control remoto básico, y puede ser necesario en algunas situaciones de legado. Tenga en cuenta que los instrumentos de mesa de trabajo tienden a tener una larga vida y todavía hay unidades de Bus de Interfaz de Propósito General (GPIB) IEEE-488 en uso. El control analógico también es conveniente cuando el suministro se utiliza en un arreglo de retroalimentación de circuito cerrado en el que el voltaje de un suministro debe ajustarse en tiempo real basándose en algún voltaje detectado o derivado.

Más allá de ese control analógico básico, todas las PSU PLS600 tienen certificación de LAN eXtensions for Instrumentation (LXI), por lo que cumplen con los estándares de interoperabilidad para los instrumentos basados en LAN. Se dispone de controladores estándar LabVIEW e Instrumento Virtual Intercambiable (IVI) para su uso con todo el software estándar. Las unidades admiten comandos estándar para instrumentos programables (SCPI) y también se admite el software basado en SCPI desarrollado por el usuario. Las entradas USB y Ethernet son compatibles con el SCPI y tienen controladores LabVIEW disponibles en el sitio web de National Instruments. Para asegurar la confianza en el ajuste y la recuperación de los valores, las PSU incluyen convertidores digitales-analógicos y analógico-digitales de 12 bits incorporados para la medición y el informe precisos del voltaje y la corriente.

La combinación de la configuración remota en red con la capacidad de cambiar manualmente los valores, o hacerlo bajo el control del programa, y también informar sobre el estado de la fuente de alimentación y las condiciones de alarma es más que una conveniencia. Reduce la necesidad de los ingenieros de "cuidar" la unidad bajo prueba y buscar y correlacionar las anomalías a medida que se producen. El uso de esto en combinación con instrumentos como un registrador de datos o un osciloscopio digital con memoria profunda y disparadores adecuados hace que sea práctico ejecutar pruebas a largo plazo y luego descargar los resultados para un análisis más exhaustivo.

Abordar la teledetección y la calibración

Todos los cables y carriles de alimentación están sujetos a caídas de tensión por resistencia a la corriente (IR). Un cálculo básico usando la ley de Ohm (V = IR) muestra la magnitud del problema. Como resultado, el voltaje entregado en la carga puede fácilmente estar en cualquier lugar desde unos pocos milivoltios por debajo de su valor nominal en el suministro, hasta decenas o incluso cientos de milivoltios fuera.

Una forma de tratar esta caída es compensarla aumentando el voltaje nominal de la fuente de alimentación en una cantidad igual a la caída, pero esto se considera una práctica deficiente porque la caída del IR es una función de la corriente absorbida y por lo tanto fluctuará. Como resultado, el voltaje de la carga puede ser demasiado alto en momentos en los que la corriente y la caída de IR resultante son bajas.

Por esta razón, la solución habitual es utilizar la teledetección a través de dos cables adicionales en un dispositivo de detección Kelvin. En esta configuración, el voltaje real en la carga es detectado y retroalimentado al suministro para ajustar dinámicamente la salida de manera que el voltaje en la carga siempre tenga el valor deseado. Esta solución, ampliamente utilizada, se acepta como práctica estándar y suele funcionar bien, pero tiene algunos inconvenientes.

Primero, hay la necesidad de esos dos cables extra, lo que parece un asunto trivial pero se añade al desorden del banco. En segundo lugar, no siempre es fácil añadir dos contactos adicionales de baja resistencia en la carga, especialmente cuando los contactos de la carga no han sido diseñados para acomodarlos. Cualquiera que haya intentado conectar los cables de sentido #24 AWG a los tornillos u otros terminales diseñados para el carril de suministro de corriente #14/12/10 AWG ha experimentado la dificultad de primera mano.

Por último, esos dos cables de sentido extra pueden parecer solo cables pasivos, pero no lo son. Eléctricamente, forman un bucle de retroalimentación para un amplificador que resulta ser una fuente de alimentación. Cada vez que hay un bucle de retroalimentación, existe la posibilidad de que se recoja el ruido o incluso la oscilación debido al bucle sin restricciones y generalmente mal definido. Por lo tanto, aunque la teledetección puede resolver el problema de la caída del IR, también puede causar un problema más insidioso de oscilación de la salida del suministro. Es posible que se necesite un filtrado adicional del tipo adecuado, pero ese filtrado también puede cambiar y degradar la respuesta dinámica transitoria del suministro.

La teledetección, sin cables inductores de caída de IR

Para evitar los problemas mecánicos, eléctricos e incluso estéticos asociados con la teledetección, la serie PLS600 ofrece un enfoque alternativo que utiliza una tecnología patentada para compensar digitalmente estas resistencias sin necesidad de ningún cable adicional. En resumen, el usuario invoca el modo de detección remota desde el panel frontal, cortocircuita los cables de la carga en la carga y ajusta la corriente de la fuente de alimentación a por lo menos tanto como se espera que la carga consuma (Figura 4).

Figura 4: Los PSU PLS600 de XP Power soportan un esquema único de precompensación de la caída de IR, eliminando la necesidad de cables extra de teledetección. (Fuente de la imagen: XP Power)

La PSU mide la corriente de salida y la caída total de voltaje en los cables de carga, luego calcula la resistencia de los cables de carga. La fuente de alimentación puede entonces ajustar el voltaje de salida en sus terminales de potencia en tiempo real para corregir la caída de los cables de carga. Como resultado, no hay necesidad de pistas de sentido separadas en la instalación real.

Las PSU avanzadas también ofrecen flexibilidad de calibración

Aunque las PSU como las de la serie PLS600 no necesitan normalmente ser calibradas, puede haber circunstancias en las que el rendimiento del voltaje de salida de la unidad necesite ser verificado y se requieran algunos ajustes de calibración. Para calibrar el voltaje y la corriente de salida y el voltaje y la corriente mostrados, la serie PLS600 requiere un voltímetro calibrado y un shunt de corriente calibrado.

La fuente de alimentación está configurada en modo de calibración y su salida se deja abierta con solo el voltímetro conectado. En resumen, el valor mostrado de la PSU y el valor del voltímetro se emparejan, y el botón del panel de la PSU se pulsa para registrar los valores. A continuación, la derivación de corriente se conecta a través de la salida y el voltímetro se conecta a la derivación. La salida de la fuente de alimentación se ajusta entonces hasta que el voltímetro externo lea exactamente la corriente que se muestra en la pantalla de la fuente de alimentación (Figura 5). Tenga en cuenta que el voltaje que aparece en el medidor dependerá del valor de la derivación de corriente utilizada, de nuevo por la ley de Ohm.

Figura 5: Para calibrar las fuentes de alimentación XP Power se utiliza un sencillo proceso de dos pasos: una medición de voltaje de salida en circuito abierto seguida de una medición de voltaje a través de una derivación de carga calibrada. (Fuente de la imagen: XP Power)

Cómo obtener más voltaje o corriente

Aunque las PSU de la serie PLS600 se ofrecen en combinaciones de voltaje y corriente, sin duda habrá circunstancias en las que se necesite más de uno o ambos de esos parámetros. La solución obvia es conseguir un mayor suministro, con la desventaja del costo añadido. Esto puede ser difícil de justificar ya que puede ser necesario solo por un corto período de tiempo. Una alternativa es considerar poner dos o más de los PSU PLS600 en serie para más voltaje o en paralelo para más corriente.

Sin embargo, conseguir ese aumento de voltaje o corriente no es solo cuestión de conectar dos suministros en serie o en paralelo. Cuando se combinan de esta manera, una de tres cosas es probable que ocurra:

1. La configuración no proporcionará la salida necesaria, es incontrolable, y es probable que los suministros se dañen.
2. La configuración funciona de alguna manera, pero no con el rendimiento, la precisión, la consistencia o la confianza necesarias.
3. Todo funciona muy bien ya sea por suerte -generalmente no es una buena táctica de ingeniería- o por la virtud de un diseño deliberado.

Los resultados 1 y 2 son indeseables e inaceptables, aunque hay formas de subsanar sus deficiencias en cierta medida, con algunos componentes externos cuidadosamente seleccionados y calificados como resistencias de corriente compartida o diodos de aislamiento (Figura 6). Un esquema similar se utiliza para el emparejamiento de voltaje. Incluso si funciona, el rendimiento general está limitado por las especificaciones del menor de los dos suministros y los desajustes entre los componentes añadidos y degradados por esos componentes también.

Figura 6: Los componentes externos como las resistencias de corriente compartida (izquierda) o los diodos de aislamiento (derecha) pueden utilizarse para poner dos PSU en paralelo para una capacidad de corriente adicional, pero el rendimiento se degrada al hacerlo. (Fuente de la imagen: XP Power)

Como resultado, la idea general es que causa muchos menos problemas el uso de una sola fuente de alimentación que esté clasificada para la aplicación en lugar de dos o más en paralelo o en serie. Sin embargo, ese resultado deseable #3 de "funcionar bien" se producirá si los suministros están específicamente diseñados para la operación en serie o en paralelo - como lo son las PSU de la familia de la serie PLS600.

Para colocar los PSU PLS600 en paralelo o en serie, una fuente de alimentación debe ser configurada para ser la principal y el resto de las fuentes de alimentación deben ser configuradas como subordinadas. Se pueden conectar hasta dos fuentes (y deben ser idénticas) en serie para aumentar el voltaje, mientras que se pueden utilizar hasta cuatro unidades idénticas en paralelo para aumentar la corriente. La configuración y la designación de las unidades principal y subordinada se realiza a través del control del panel frontal, y hay algunos límites máximos que deben entenderse tanto por razones de seguridad como de rendimiento.

Se puede almacenar y apilar por conveniencia, disciplina, eficiencia...

El aspecto visual de los bancos de trabajo de los ingenieros va desde razonablemente limpio a increíblemente desordenado. La realidad es que muchos bancos empiezan limpios, pero a menudo el desorden se "acumula" y las unidades de alimentación y sus cables se añaden a ese desorden. En otros casos, la UPM es parte de un conjunto de instrumentos que ha sido montado en un bastidor por una de varias razones:

• Es parte de un ATE independiente o un proyecto de evaluación a largo plazo
• Para proporcionar la integridad del sistema y mejorar la fiabilidad asegurándose de que todo tiene su lugar previsto y que todos los cables están completamente vestidos y tienen alivios de tensión
• Una necesidad de transporte y eventual reinstalación

Por estas razones, XP Power ofrece el kit de montaje en bastidor PLS600 para las PSU PLS600 (Figura 7).

Figura 7: El kit de montaje en bastidor PLS600 de XP Power facilita la instalación de una sola unidad PLS600 o un par de unidades lado a lado en un chasis de bastidor de equipo estándar. (Fuente de la imagen: XP Power)

Como todos los miembros de la serie PLS600 tienen el mismo tamaño de carcasa, el kit funciona para todos ellos. La instalación de una PSU usando este kit es una tarea rápida y simple, y el kit permite montar dos PSU lado a lado.

Conclusión:

Las fuentes de alimentación de mesa son muy diferentes en forma y función de las unidades empotradas que tienen pocos o ningún control o ajuste por parte del usuario. Las PSU de mesa o "de laboratorio" son instrumentos esenciales para el desarrollo, depuración y prueba de prototipos, así como para los bancos de pruebas fijos en el lugar. Una PSU de laboratorio bien diseñada y con muchas características, como las de la serie PLS600 de XP Power, ofrece tanto un rendimiento superior como las capacidades y funciones adicionales necesarias para un uso eficiente y flexible, que van desde el cómodo control del panel frontal hasta el acceso en red y la programabilidad mediante scripts.

Referencias

1. Fuentes de alimentación de CA-CC de la serie PLS600 de XP Power
2. Manual de usuario de XP Power de las fuentes de alimentación programables CC de la serie PLS600
3. Manual de programación del usuario de XP Power de las fuentes de alimentación programables CC de la serie PLS600