Témakör:

IT2700 többcsatornás tápegységrendszer: moduláris, flexibilis, professzionális

Megjelent: 2024. június 18.

Energom bevezető kép logoval Amikor egy mérőautomata vagy tesztállomás tömbvázlatának első változatát veti papírra a tervező, sokszor csak ennyit ír egy blokkra: tápegység. A tervezés előrehaladtával azonban ez a blokk „elbonyolódik” – amikor kiderül: hány, milyen specifikációjú, időzítésű és más üzemi paraméterektől függően működtetett tápfeszültségre, műterhelésre van szükség –, és számolni kell a tartós üzemeltetési költség, a termikus és zajterhelés, valamint a méret problémáival is. A bonyolult kérdésre ad egyszerű választ az ITECH IT2700 rendszere.

Ipari vagy laboratóriumi környezetben ma már rendszeresnek számít, hogy a vizsgált rendszert akár tíznél is több, szigorúan specifikált tápfeszültséggel kell ellátni, azokat előírt idősorrend szerint be- és kikapcsolni, a marginális vizsgálatok érdekében a megengedett üzemi feszültségtartomány határai között változtatni. Ezeket az egyre bonyolódó feladatokat még egy „soha vissza nem térő”, ad hoc mérési összeállításban sem lehet „innen-onnan kölcsönkért” tápegységek alkalmilag „összemadzagolt” sokaságával megoldani úgy, hogy az reprodukálható és validálható legyen, és garantálja a – sokszor igen értékes, esetleg egyetlen példányban létező – tesztelt berendezés épségét is. Az ilyen problémákra nincs kész célműszer, de – mint azt az alábbiakban be is mutatjuk – létezhet olyan moduláris, sokfunkciós, programozható rendszermegoldás, aminek elemeiből akár összetett tápellátási feladatokra alkalmas rendszer is építhető.

Az IT2700 többcsatornás tápegységrendszer

Az IT2700 többcsatornás, moduláris felépítésű tápegység-típuscsalád legfontosabb jellemzője a rendkívül magas teljesítménysűrűsége, azaz a teljesítményéhez viszonyított kis mérete. Az 1U-méretű 19"-es rendszerkeret legfeljebb nyolc, egyenként 200 W, vagy négy 500 W kimenőteljesítményű tápegységmodult képes befogadni. A keretbe helyezett, különféle rendeltetésű modulokból egymással összehangoltan működő csoportok alakíthatók ki.
Az eszközcsalád számos modulja funkcionális szempontból három típusba sorolható: a legegyszerűbb az, amit minden további megkülönböztető jelző nélkül szokás DC-tápegységnek nevezni. A másik a kétirányú (bidirekcionális) típus, amely – aktív terhelés esetén – fordított irányú terhelőáram felvételére is alkalmas. Ilyenkor a terhelőáramkör „visszatáplál” a tápegységbe, amely így egy műterhelés szerepét játssza. A harmadik típus is képes terhelésként, gyakorlatilag egy passzív terhelőellenállásként viselkedni. Ez felvetheti a kérdést: miért kell egy „olcsó” terhelőellenállást „drága” elektronikus áramkörrel helyettesíteni. A válasz az, hogy a passzív terhelőellenállás – ha az üzemeltetés költségeit is számításba vesszük – minden, csak nem olcsó. Ipari léptékben akár kW nagyságrendű elektromos teljesítményt kell – akár tartósan is – hővé alakítani, amit költséges, és önmagában is energiaigényes aktív hűtéssel kell valamilyen úton a környezetbe juttatni. Az elektronikus műterhelés azonban – azonkívül, hogy elektromos paramétereit tekintve egy passzív, ohmos ellenállást szimulál –, az általa felvett villamos teljesítmény túlnyomó részét „újrahasznosítja”, azaz visszatáplálja a rendszert tápláló váltakozóáramú hálózatba. Ez pedig ipari méreteknél már „szabad szemmel” is észrevéteti magát az alacsonyabb energiaszámlán, nem beszélve arról, hogy a veszteségi hő kezelésére nem kell drága hűtőrendszert kiépíteni és üzemeltetni. (Itt jegyezzük meg, hogy a tápegységmodulok képesek áramgenerátorként [CC – Constant Current], feszültséggenerátorként [CV – Constant Voltage], passzív ellenállásként [CR – Constant Resistance] és teljesítménykorlátozott [CP – Constant Power] üzemmódú működésre is.)
A háromféle modultípus egyetlen rack-kereten belül egymással szabadon kombinálható, ráadásul az azonos típusúak egymással sorosan vagy párhuzamosan is kapcsolhatók.
A modulok működésének vezérlését, szinkronizálását és összehangolását többféle kommunikációs interfész támogatja: beépített LAN, USB, CAN, egyszerű paralel digitális be- és kimenet közül választhat a felhasználó, a kezelőfelületet pedig árban foglalt PC-szoftver valósítja meg.

Elrendezési változatok

A rendszerépítés és a kezeléstechnika különféle szempontjainak ad teret, hogy a rendszerelemek kétféle kivitelben rendelhetők.
Az egyik (IT2703) elektromos csatlakozórendszere teljes egészében a modulok hátoldalán kapott helyet, a berendezés előoldalán egy kijelző és egy USB-csatlakozó érhető el (1. ábra). Ez az elrendezés legfeljebb hat modul befogadására alkalmas. Ez lényegében a tápegységrendszer „asztali” kivitele. Ennek megfelelően a modulokba nincs is beépítve a rackrendszerekre jellemző hordozófogantyú-pár, de a felhasználó az igényeinek változását követve utólag is megrendelheti.

IT2700 többcsatornás tápegységrendszer 1 asztali kivitelű IT2703 egység

1. ábra Az asztali kivitelű IT2703 egység

A másik (IT2702) verzió már az „igazi”, 1U magasságú rack-keretek képét mutatja (2. ábra). Ezen a DC-csatlakozók foglalják el az előlapot, a hátoldalon csak a kommunikációs csatlakozók találhatók a modul váltakozóáramú betáplálásának csatlakozójával együtt.

IT2700 többcsatornás tápegységrendszer 2 IT2702 1Urack kivitel

2. ábra Az IT2702 1U rack-kivitel

A modulrendszer felépítése

Az IT2700-sorozatú keretekbe számos modul szabad kombinációját telepítheti a felhasználó, akinek azonban nem kell visszarettennie „a bőség zavara” élményétől; a rendszer jól áttekinthető.
Az első osztályozási szempont a modul alapvető funkcionális viselkedése:

IT271xx – DC-tápegységmodul
IT273xx – Kétirányú DC-tápegység vagy DC-műterhelés
IT275xx – Energia-visszatáplálásra képes DC műterhelés

Ezek mindegyike kétféle teljesítményvariációban rendelhető: egy egységet elfoglaló 200 W-os, vagy a két egységnyi 500 W-os verzióban. Mindezen eszközök háromféle: 30, 60 és 150 V-os feszültségváltozatban rendelhetők. A modulválaszték még egyszer megkétszereződik, mivel hagyományos rack-kerethez vagy a kijelzővel rendelkező asztali változathoz használható modulok mechanikai kivitele is eltérő: az utóbbiakat a rendelési szám végére illesztett R betű különbözteti meg.
A rendszer terhelhetőségét kétféle határadat korlátozza: 1U-egységenként a kimeneti áram legfeljebb 120 A, illetve a maximális kimeneti teljesítmény 2 kW lehet (a kettő közül értelemszerűen a kisebb értéket kell figyelembe venni).

Néhány sajátos alkalmazási lehetőség

A tápegységrendszerek üzemeltetése közben az alkalmazási körülmények változatossága miatt számtalan kihívással szembesülhet a fejlesztő-üzemeltető-karbantartó szakember. Ezek közül mutatunk be néhányat annak reményében, hogy az olvasó számos hasonlósággal találkozhat saját feladatainak megoldása közben.

„Méretkorlátos” rendszer
Amikor egy gyártósoron a terméket üzemi vagy kalibrációs tesztek alá kell vetni, a szükséges tápellátás méretezése, telepítése, programozása, rendszerintegrációja és üzemeltetése sokszor komoly mérnöki feladat, és a megoldáshoz jelentős anyagi ráfordításokra is szükség lehet.
A gyártósorokon rendszeresen előfordul, hogy nagy mennyiségű műszert kell kis helyen elhelyezni, és ezek sok táp- és kommunikációs kábel rendezett és áttekinthető elhelyezését igénylik. A megoldáshoz az IT2700-rendszeren alapuló többkimenetű fejlett tesztberendezés (Advanced Test Equipment – ATE) a következőkkel tud hozzájárulni:

Szabadon konfigurálható moduláris rendszer.
1U magas keret, amelybe különböző funkcionális modulok (DC tápegység, kétirányú tápegység, visszatermelő terhelés) telepíthetők.
A kimenetek sorosan és párhuzamosan is köthetők a felhasználási igények szerint. Minden kimenethez saját állapot-visszajelző (háromszínű RGB LED) tartozik.
Az egyfázisú AC-hálózati bemenet a keret hátoldalán található, amely az összes beépített modult egymaga látja el energiával. Ez egyszerűsíti a hálózatba kötést, nem szükséges elosztórendszert telepíteni, ellentétben például egy nyolc önálló tápegységből összeállított „ad hoc” rendszerrel.
Egyetlen tápellátó szekrényben akár 240 modul (3. ábra) is elhelyezhető. A gyártó az ilyen nagy modulszámú rendszerek menedzseléséhez az ingyenesen elérhető PC-alkalmazás használatát javasolja, amely megkönnyíti a programozást és üzemeltetést.
Amennyiben egy különálló egységekből álló nyolccsatornás tápellátó rendszert az ITECH IT2702 keretébe épített modulokkal valósítunk meg, 85%-nál is több hely takarítható meg.

IT2700 többcsatornás tápegységrendszer 3 nagy kiépítésű tápegységrendszer

3. ábra Nagy kiépítésű tápegységrendszer

Rendszerintegráció
Amikor egy készülék (szervertápegység), összetett elektronikus áramköri egység (pl. PC-alaplap, AI-gyorsítókártya) fejlesztéséhez szükséges egy többcsatornás tápegységrendszer felépítése, a laborkörnyezetben sokszor nehézkes és körülményes elhelyezni 6-8 különálló tápegységből álló energiaforrás-tömböt úgy, hogy azt a fejlesztők könnyen átláthassák és üzemeltethessék.
Az IT2073 tápegységkeret saját kijelzővel (4. ábra) rendelkezik, a modulválaszték bármelyikét és azok bármilyen kombinációját képes vezérelni, legfeljebb 6 db, egységnyi szélességű, 200 W-os modul vagy 3 db duplaszélességű, 500 W-os modulból álló rendszeren belül. Az IT2703 keret előlapján a következő funkciók érhetők el: hálózati főkapcsoló, USB-port, HD-felbontású színes kijelző, menügombok, és beállító forgatógomb. A színes HD-kijelzőn akár egy, három, vagy az összes beépített modul üzemi jellemzői tekinthetők át.

IT2700 többcsatornás tápegységrendszer 4 egy kijelzési kép

4. ábra Egy kijelzési kép az IT2703 nagy felbontású megjelenítőjén

Az IT2703 hátsó felületén található az AC-bemenet, 6 db DC-modulkimenet, Ethernet LAN-csatlakozó, I/O-portok, USB eszközként való használat csatlakozója.
Az IT2700 tápegységrendszer elemei háromféle szempontból is összekapcsolhatók.

Kimenetek párhuzamos összekötése a kimeneti áram megnövelése, vagy a kimenetek soros kapcsolása a teljes kimeneti feszültség növelése érdekében. Ez utóbbi esetben maximum két modul köthető sorba.
Hibás üzem esetén bekapcsolható a modulkimenetek tiltása a beprogramozott védelmi logika szerint.
A kimeneti védelmek kapcsolt vezérlése. A kimenetek késleltetett be- és kikapcsolása könnyen programozható akár a beépített kijelző, akár a készülékhez biztosított PC-program segítségével. Ezzel a láncba kötött, szekvenciálisan be- vagy kikapcsolt modulrendszerrel a fejlesztési fázis során könnyen tesztelhetők és működtethetők az LCD-meghajtóáramkörök, ARM/x86 processzorokat tartalmazó beágyazott rendszermodulok, ASIC/FPGA-alapú bonyolult áramköri kártyák. A nagy teljesítményigényű áramkörök adatlapjai által előírt „power on/power off” szekvenciákat a fejlesztő néhány sornyi programozással könnyen automatizálhatja, és a bevált szekvenciákat a fejlesztés egy későbbi fázisában átírhatja a beágyazott panelre integrált tápegységáramkörbe. Ezt követően a megoldását a regeneratív modulok felhasználásával ellenőrizheti, mielőtt éles teszt alá vetné az akár többezer euró értékű csipeket (FPGA, ASIC stb.), megvédve ezzel a fejlesztés költségvetését a váratlan kiadásoktól.

Energiafelhasználás
Miközben egy gyártósoron sokféle villamos terhelés üzemel egyidejűleg, azok tápellátása jelentős hőleadással és zajterheléssel járhat. A hosszú tesztidejű öregedési tesztek például komoly energiaszámlákat képesek produkálni az üzemeltető vállalatnak.
Az ITECH IT2700 sorozat energia-visszatáplálásra képes moduljai erre a kihívásra kínálnak kiváló megoldást. A regeneratív terhelés által felvett terhelőáram energiatartalmának akár 90%-a is visszatáplálható az AC-hálózatba, azaz az energiának mindössze 10%-a alakul hővé és okoz ezáltal veszteséget. A kisebb veszteségi teljesítmény nemcsak az energiaszámlát csökkenti; a rendszer kevesebb veszteségi hőt termel a környezetébe. Ezáltal kisebb hűtőkapacitású, kisebb méretű és zajtermelésű klimatizáló egységek kiépítése is elegendő, és a költségcsökkentésen kívül a környezetterhelés is kisebb, ami hozzájárul a termelőüzem környezettudatosabb működtetéséhez.
Könnyen ellenőrizhető, hogy az energia-visszanyeréssel elérhető megtakarítás mértéke egy évi 365 napon, napi 24 órában üzemelő, 2 kW-os teljesítményfelvételű gyártósoron akár millió forintos nagyságrendet is elérhet, amely CO₂-emisszióra átszámítva 15 ezer tonnával kevesebb környezetterhelést okoz egy energiavisszanyerést nem használó rendszerhez képest. Ugyanez a megoldás egy normál munkarendű fejlesztőlabor esetén 200 ezer Ft energiaköltség és 3700 tonna CO₂-emisszió megtakarításával jár.

Akkumulátorteszt
Az akkumulátorok töltésének és kisütésének teszteléséhez vagy az öregedésvizsgálatokhoz jelentős értékű vizsgáló- és felügyeleti eszközrendszer telepítése szükséges. Az ehhez szükséges képességigényt az IT2700-rendszer önmaga képes kielégíteni, a további, más forrásból származó eszközökkel való kiegészítés elkerülhető, ezáltal csökkenthető a rendszer fizikai mérete és beruházási költsége, és egyszerűbb a rendszerintegráció is.
Az IT2700 bidirekcionális moduljai beépített akkumulátortöltő és -kisütő algoritmusokkal rendelkeznek. A felhasználó szabadon megválaszthatja a töltés során a kikapcsolási feszültséget, kikapcsolási áramot. A névleges kapacitásra töltés elérésekor, vagy a kisütés megengedett értékének elérésekor a modulok leállíthatók. Megjegyezzük, hogy a tápegységmodulok az akkumulátor töltési algoritmusát, míg az energia-visszatáplálásra képes DC-terhelések az akkumulátor kisütési algoritmusát bocsátják árban foglalt képességként a felhasználó rendelkezésére.
Az IT2700-rendszer bidirekcionális tápegységmoduljainak képességei közé tartozik az akkumulátorok viselkedésének programozott szimulációja is. A szimuláció működési paramétereit akár egy elméleti MATLAB-szimulációból nyert eredményekből is képes a felhasználó beprogramozni a fizikai szimulációt végrehajtó kétirányú tápegységmodulba. Ez a funkció jól használható a kézi elektromos szerszámok, hordozható egészségügyi berendezések, drónok, kisebb („kétkerekű”) elektromos járművek, hordozható kültéri akkumulátoros energiaforrások fejlesztésénél vagy gyártósori tesztjeinél.

Applikációk, alkalmazási területek

Az IT2700-rendszer sokoldalúsága és rugalmassága – természetesen a véges teljesítménykorlátokon belül – a lehetséges felhasználási területeknek olyan sokaságát teszi lehetővé, amelynek még a felsorolására sem vállalkozhatunk. Ezért csupán címszavakban említünk meg néhányat a közismert alkalmazásokon túl.

Félvezetőipar: csiptervezés és verifikáció (nagy teljesítményű CPU-k, grafikus gyorsító csipek, nagy teljesítményű AI-gyorsítók, FPGA-k, RF-integrált áramkörök, tápegységvezérlő és energiafelügyeleti áramkörök.
DC-DC teljesítményátalakító modulok tesztelése, fejlesztése, verifikációja, gyártása.
Automotív részegységek kisfeszültségű motorhajtásai (elektromos kormányszervó, légkondicionáló egység kompresszorának motorja, elektromos vízpumpa, ablakmozgató motorok, ülésbeállítás hajtómotorjai, ablaktörlő rendszerek).
Kisfeszültségű háztartási gépek, akkumulátoros elektromos kéziszerszámok fejlesztése, gyártási tesztjei.
Informatikai eszközök fejlesztése, tesztelése (asztali és mobil számítógépek, táblagépek, szerverek, beágyazott rendszerek).
Telekommunikációs eszközök a legkisebbtől a legnagyobbig (okostelefon, mobiltelefon-kiegészítők, headset, töltők, dokkolók, mobil adótoronyok egységei, vezetékmentes kommunikációs eszközök, és műholdas rendszerek kiszolgáló berendezései, tartalék tápellátó (backup) egységek, redundáns tápellátás, szünetmentes tápellátás).