Autoranging

Konstante Leistung bei variablem Input

Mehr Möglichkeiten

Mit nur einer Quelle

Mit der zunehmenden Verbreitung von energieverbrauchenden Gleichstromverbrauchern in gewerblichen und privaten Anwendungen und der zunehmenden Konzentration auf die Einführung energieeffizienter Systeme zur Erfüllung ehrgeiziger nationaler Ziele hat sich die Debatte über die relativen Vorteile von AC- gegenüber DC-basierten Systemen intensiviert.

Zu den Komponenten gehören Konverter (Zentralgleichrichter und Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter), Gleichstrom-Leistungsschalter, Gleichstromverteilungseinheiten (PDUs) und Gleichstrom-Stromverwaltungssysteme (Überwachung und Steuerung), die für die Umwandlung auf Gebäude-, Etagen-/Raum- und Geräteebene installiert werden.

Programmierbare DC-Stromquellen sind ein wesentliches Hilfsmittel bei der Produktentwicklung und Produktionsprüfung einer breiten Palette von elektronischen Geräten und Systemen. In vielen Fällen erfordert die Funktionsprüfung, dass das zu testende Gerät einer Vielzahl von Betriebsbedingungen ausgesetzt wird. In einigen Fällen nimmt der Prüfling unter variablen Eingangsbedingungen konstante Leistung auf.

Gängige Beispiele sind DC-Motorantriebe und geregelte DC/DC-Versorgungen. Unter solchen Umständen ist die Fähigkeit der programmierbaren DC-Quelle, einen erhöhten Strom bei reduzierter Ausgangsspannung zu liefern, wertvoll. Diese Fähigkeit ist als “Autoranging” bekannt. Bei DC-Stromversorgungen ohne Autoranging muss der Anwender den Prüfling oft überdimensionieren oder mehrere Versorgungen verwenden, um ihn unter variierenden Eingangsspannungsbedingungen zu testen.

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Produktreihe PSI 9000 mit Autoranging

Das Prinzip vom Autoranging

Wenn eine programmierbare DC-Quelle automatisch einen großen Ausgangsbereich sowohl für Spannung als auch für Strom bietet, um die volle Ausgangsleistung über einen großen Betriebsbereich aufrechtzuerhalten, nennt man dies Autoranging. Das untenstehende Diagramm zeigt sowohl den konventionellen quadratischen als auch den Autoranging-Betrieb.

Das zugrundeliegende Funktionsprinzip ist einfach. Die Quelle bietet automatisch einen erhöhten Strom bei niedrigeren Spannungen, wodurch die Flexibilität beim Prüfen maximiert wird. Damit ist es Anwendern möglich, mit einer einzigen Quelle mehrere Spannungs- und Stromkombinationen zu testen.

Herkömmliche DC-Stromversorgungen basieren auf einer quadratischen, begrenzten Betriebskurve. Das bedeutet, dass die volle Leistung nur bei voller Skalenspannung erreicht wird, da der Strom auf einen bestimmten Wert begrenzt ist. Das Anlegen der Skalenendwertspannung der programmierbaren DC-Versorgungen an ein DUT ist selten, was bedeutet, dass die DC-Quelle in den meisten Fällen nicht bis zum vollen Leistungspotential ausgenutzt wird.

Anwendungs­beispiel

Der Trend der 380-VDC-Stromverteilung für Serverfarmen wurde als eine effiziente Methode der Stromversorgung innerhalb eines Rechenzentrums vorgeschlagen. Spitzenhersteller wie Cisco und Juniper haben diese Technologie übernommen, da man davon ausgeht, dass die vereinfachte Umwandlung zu erheblichen Energieeinsparungen führt.

Für die Zwecke dieses Beispiels belaufen sich die Leistungsspezifikationen der Cisco Nexus 9500 Platform of Series Switches auf insgesamt 3.000 W bei einem Eingangsspannungsbereich von 192 VDC – 400 VDC. Dieser große Betriebsbereich bedeutet, dass der Schalter bei Niederspannungsbetrieb erheblich mehr Strom zieht.

Eigenschaften der AC/DC-Stromversorgung Cisco Nexus 9500 Plattform
Leistung 3150W
Eingangsspannung 200 bis 277V AC oder
240 bis 380V Gleichstrom (normal)
192 bis 400V Gleichstrom (min. – max.)
Frequenz 47 Hz bis 63 Hz
Wirkungsgrad 90% oder höher (20 bis 100% Last)

Tabelle: Cisco Nexus 9500 Leistungsspezifikationen

Der Eingangsstrom beträgt:

  • Bei 192 Vdc ist 3.150W/192Vdc = 16,4 Adc
  • Bei 420 Vdc ist 3.150W/420Vdc = 7,5 Adc

Bei der Auswahl einer geeigneten programmierbaren Stromquelle für den Test müssen die Ingenieure sowohl die ungünstigste Spannung von 400 VDC als auch den ungünstigsten Strom von 16,4 ADC berücksichtigen. Denken Sie daran, dass die meisten Designverifikationstests extremer sind und bis zu 180 Vdc reichen können. In diesem Fall würde der Strom auf 17,5 ADC ansteigen. Schauen wir uns eine quadratische programmierbare DC-Versorgung an. Die meisten Hersteller bieten ein Modell mit 500 Vdc Ausgang an.

Für die Dimensionierung würde a für die Anwendung bedeuten:

  • 500 Vdc x 16,4 ADC = 8.200 W

In diesem Fall ist eine quadratische Betriebsquelle von mindestens 8,2 kW erforderlich, um beide Eckfälle der Prüfung zu bedienen. Die meisten Hersteller bieten eine 5, 10, 15 kW-Lösung an, so dass die Ingenieure gezwungen wären, eine 10 kW-Lösung zu wählen, nur um ein 3.150 W-Produkt zu testen. Unten ist ein Beispiel dafür aufgeführt, dass die 8/10 kW-Versorgung maximal 20 Adc liefert.

Leistung 4/5 kW8/10 kW12/15 kW
Spannung StromStromStrom
500102030

Tabelle: Spezifikationen für quadratische Betriebsleistung

Vorteile vom Autoranging

Im vorherigen Beispiel ist eine Mindestleistung von 8,2 kW erforderlich, um die Eckfälle der DUT-Anforderungen zu testen. Der EA PSI 9500-30 3U ist für 5.000 W ausgelegt und liefert 0-500 Vdc und bis zu 30 Adc.

Leistung PSI 9500-30 3U
Bemessungsspannung & Bereich 0 … 500 V
Bemessungsstrom & Bereich 0 … 30 A
Nennleistung & Bereich 0 … 5000 W

Tabelle: PSI 9500-30 3U Autoranging-Leistungsspezifikationen

Mit einer Nennleistung von 5.000W ist die Quelle in der Lage, folgende Werte zu liefern:

  • Bei 192 Vdc ist 5.000W/192Vdc = 26,0 Adc
  • Bei 420 Vdc ist 5.000W/420Vdc = 11,9 Adc

In diesem Fall ist die Autoranging-Versorgung der Elektro-Automatik nur halb so leistungsstark wie die herkömmliche quadratische Versorgung, bietet jedoch mehr Strom und erlaubt eine große Bauhöhe, selbst im DVT-Gehäuse bis hinunter zu 180 Vdc.

Im Allgemeinen gilt für Stromversorgungen $X / Watt. Das heißt: Je höher die Leistung, desto höher die Kosten. Eine Autoranging-Stromversorgung kann bis zur Hälfte der Kosten eines herkömmlichen Netzteils ausmachen.

Bei der Auswahl eines Autoranging-Netzteils sollte man deswegen vorausschauend plannen. Was wäre, wenn statt 400 Vdc die Eingangsspannung auf etwa 600 Vdc ansteigen würde? Warum sollte man dann nicht eine 750 Vdc-Quelle verwenden?

Die PSI 9750-20 3U ist wiederum auf 5.000 W ausgelegt und liefert 750 Vdc und bis zu 20 Adc. Die Quelle erfüllt nach wie vor die Anwendungsanforderungen, bietet jedoch den Vorteil einer höheren Ausgangsspannung. Im Autoranging-Diagramm ist das der “Extra-Bereich”.

Automatisierte Testsysteme

Die ATE-Integration wird häufig durch die Autoranging-DC-Versorgungen vereinfacht. ATE-Designs enthalten in der Regel mehrere DC-Versorgungen, um verschiedene DUT-Anforderungen zu erfüllen, oder eine einzige überdimensionierte Versorgung, um hohen Leistungs-, Spannungs- und Stromanforderungen zu entsprechen. Die Verwendung einer Autorange-Quelle kann sowohl Kosten als auch wertvollen Platz in ATE-Designs einsparen.

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Digitale Remote-Schnittstellen

Die meisten Lösungen von EA Elektro-Automatik bieten eine branchenführende Auswahl an digitalen Remote-Schnittstellen mit der Bezeichnung “Anybus”. Die Module werden einfach in die Rückwand eingesteckt und können dann abgespielt werden. Die große Auswahl an Schnittstellen vermeidet die Notwendigkeit instabiler und kostspieliger Digitalwandler.

Verfügbare Schnittstellen
RS232 / CAN Open / Profibus / ProfiNet I/O 1-2 Port / Ethernet (1/2 Port) / ModBus TCP / CAN / EtherCAT

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Hochleistungslösungen

Die Autoranging-Lösungen von Elektro-Automatik beginnen bei nur 160 W und reichen bis 480 kW. Wir bieten komplette schlüsselfertige integrierte Lösungen, die an Ihre Anforderungen angepasst werden können.

Zusammen­fassung

Autoranging stellt in der heutigen Testumgebung eine wertvolle Funktion dar. Die Vorteile sind leicht zu erkennen. Wenn Sie Fragen haben oder Unterstützung bei der Spezifizierung einer Lösung benötigen, wenden Sie sich bitte an uns oder rufen Sie uns an. Wir helfen Ihnen gerne weiter!

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