Термины: Источник питания 2-полярный. Качество технического решения блока питания измерительной системы

Часто употребляемый термин 2-полярный источник питания подразумевает по сути два источника напряжения U1 и U2, включенных последовательно, как показано на рисунке. Необходимость применения такого источника для питания различных устройств, как правило, объясняется тем, что данное устройство должно работать в 2-полярном диапазоне напряжений питания (от V- до V+) относительно общего провода V0, при этом токи потребления по цепям питания в общем случае не равны (I⁺≠ I^-), и ток по общему проводу (V₀) будет равен  I⁺- I^-.

По своей электрической эквивалентной схеме 2-полярный источник питания аналогичен дифференциальному выходу напряжения.

В практическом случае при образовании 2-полярного источника питания из 1-полярных следует учитывать, что не каждые блоки питания поддерживают последовательные соединения выходов, и не для каждых блоков питания будет корректно использовать любую его выходную цепь в качестве, возможно, заземлённой цепи общего провода. Эти особенности связаны не только с требованиями к изолированности выходов блоков питания, соединяемых последовательно, но и с требованиями изоляции выхода относительно его собственной цепи "корпус", а также к симметричному устройству цепей помехоподавляющих фильтров по отношению к обоим полюсам его выхода (ниже мы рассмотрели один из показательных примеров на эту тему). Естественно, применяя готовые 1-полярные блоки питания нужно, прежде всего, руководствоваться сведениями из их документации о возможности образования последовательного соединения их выходов при параллельном соединении их входов.

Применяя множественные схемы соединения выходов импульсных источников питания, следует также учитывать, вероятно, разные пороги и время включения - выключения этих устройств. Данная проблема, естественно, не существует при применении одного блока питания с многополярным выходом.   

В технической литературе встречаются случаи 2-полярных источников напряжения, на которые накладываются эксплуатационные требования симметричности токов потребления I⁺ и I^-. Независимо от технических причин подобных требований это означает, что данные 2-полярные источники имеют некую иную эквивалентную электрическую схему по отношению к вышеприведённой, поскольку в схеме должен учитываться фактор взаимовлияния цепей тока I⁺  и  I^- или взаимовлияния самих источников напряжения U1 и U2. И, безусловно, данное взаимовлияние делает подобные 2-полярные источники напряжения неполноценными. В то же время для истинных двуполярных источников напряжения симметричность тока потребления никогда не оговаривается, и каждый полюс этого источника может быть использован как независимый однополярный источник напряжения соответствующего знака относительно общего провода этих источников.  

Качество технического решения блока питания измерительной системы.

Типично двуполярные схемы питания используются для питания аналоговых трактов, предусилителей, располагающихся как внутри корпуса измерительного устройства, так и вне его. В последнем случае это может быть, например, выносной датчик, получающий двуполярное питание от измерительного устройства, и задача выбора качественного технического решения двуполярного блока питания (БП) для подобной задачи нередко возлагается на инженера-интегратора измерительной системы. Ниже мы попытаемся изложить основные аспекты этой непростой задачи, поскольку при ближайшем рассмотрении её электрофизического смысла, мы непременно сталкиваемся с вопросами электросовместимости устройств.  

Рассмотрим типичный пример проблемного включения пары блоков питания Mean Well серии DR-45 в двуполярную схему включения выходов.

Блок-схемы этих БП скопированы из документации производителя [1].

Двуполярную схему включения выходов этих БП нельзя назвать корректной (использована блок-схема Mean Well DR-45, дважды скопированная из документации производителя [1], синим цветом показаны соединения в двуполярную схему). В блок-схеме Mean Well DR-45 цепь –V связана конденсатором фильтра с цепью защитного заземления FG, а +V – управляемый выход БП, что требует использовать цепь –V только в роли цепи общего провода в системе. Но в двуполярной схеме для БП с выходом отрицательного напряжения (нижний по приведённой схеме) это требование не соблюдается. Это может привести к повышенному шуму в канале обратной связи этого БП из-за того, что на DETECTION CIRCUIT этого БП будут влиять не только ток нагрузки, но и ток I_1. Токи I₁, I₂ (показаны красным) – это перераспределённые переменные токи, вызванные практически всегда присутствующим переменным напряжением скоростных помех между FG (цепью защитного заземления) и V₀ (общим проводом цепи нагрузки).

Вторая проблема некорректности такой схемы заключается в том, то цепь V₀ в измерительных системах, как правило, относится к цепи сигнального заземления, которая должна быть связана с цепью защитного заземления (FG) не более, чем в одной точке ([2]). Но путь тока I₂ (через конденсатор фильтра), а затем через выходное сопротивление нижнего по схеме БП, образует второй путь связи FG и V₀ по переменному току высокой частоты, что, несомненно, внесёт высокочастотные помехи в измерительную систему. 

Третья проблема (использования такого решения для питания аналоговых трактов измерительных устройств) заключается в том, что аналоговые тракты (высокочувствительные усилители) типично требуют электромагнитной независимости от внешних цепей. Иначе говоря, практически любой инородный путь тока, помимо собственных токов питания и токов передачи сигнала аналогового тракта, в той или иной степени, будет оказывать негативное влияние на аналоговый тракт. Примером такого негативного влияния может стать путь импульсных токов через собственную ёмкость гальваноразвязки БП, в данном случае, путь тока относительно клеммы защитного заземления (FG) через ёмкости фильтров БП. Этот ток, не относящийся ни к току питания аналогового тракта, ни к току передачи сигнала, будет носить характер инородного высокочастотного (в данном случае 100 кГц – частота преобразования Mean Well DR-45)  сквозного тока по цепи общего провода аналогового тракта, что явно усложнит задачу качественных измерений на фоне столь негативного фактора влияния.   

О четвёртой проблеме таких БП говорит сам их производитель [1]: 

По сути, это означает, что этот БП в принципе не является законченным устройством с требуемыми для измерительных систем гарантированно хорошими характеристиками электромагнитной совместимости ЭМС. Это означает, что эти БП предназначены для применения в качестве локальных узлов питания внутри конечного оборудования (и уж точно не для питания внешних датчиков!). Это также означает, что инженеру в конечном оборудовании ещё придётся предусмотреть, как минимум, внешние цепи конденсаторов вторичной цепи этого БП, а как максимум, усомниться в качестве внутреннего сетевого фильтра в первичной цепи этого БП (как важнейшем звене обеспечения хорошей ЭМС в конечном оборудовании с сетевым питанием) и отдельно исследовать этот вопрос (хотя бы путём разборки образца и визуальным осмотром его компонентов).  

Пятая проблема использования такого технического решения – это некогерентность частот преобразования используемых БП. Это влечёт за собой глубокую нестационарность электромагнитной обстановки внутри оборудования с такими БП из-за влияния температурной нестабильности близких частот преобразования не синхронизированных БП. Эта нестационарность имеет опасность статистически редких совпадений фаз частот преобразования БП, при которых в редких случаях могут проявиться плохо диагностируемые проблемы (как метрологические, так и проблемы сбоев оборудования, особенно в случае большого количества не синхронизированных БП в системе), могут возникнуть проблемы с повторяемостью технических характеристик оборудования из-за индивидуального разброса частот преобразования используемых БП.    

Надеемся, что на разобранном выше примере мы смогли показать инженеру-системному интегратору некоторые неочевидные проблемы применения импульсных БП для питания измерительных устройств. Учёт этих проблем на ранней стадии проектирования системы позволит инженеру более адекватно выстроить критерии выбора технического решения блока питания измерительной системы. 
 

Литература:

1. DR-45 series – 45W Single Output Industrial DIN Rail Power Supply – Mean Well: [Электронный ресурс] // URL: www.mean-well.ru/uploads/files/datasheets/DR-4512.pdf. (Дата обращения: 15.02.2020) 
2. А.В. Гарманов “Подключение измерительных приборов. Электросовместимость и помехозащита” – OOO “Л Кард”: [Электронный ресурс]. 2003 г. // URL: www.lcard.ru/download/lcardconnects.pdf (Дата обращения: 15.02.2020)