Неизолированные модули преобразователей постоянного тока в постоянный: правила выбора для промышленных нагрузок

Неизолированный модуль преобразователя постоянного тока в постоянный имеет общую землю между своим входом и выходом, преобразуя одно постоянное напряжение в другое без трансформаторного барьера. Это единственное решение делает эти модули меньше, дешевле и, как правило, более эффективными, чем изолированные эквиваленты, а также решает, где вы можете их использовать. Если ваша нагрузка и ваш источник уже имеют одно и то же заземление, неизолированный модуль обычно является лучшим инженерным и коммерческим выбором. Если они этого не делают, то это неправильная деталь, независимо от того, насколько хорошо выглядит ее кривая эффективности. В этом руководстве описывается, что подразумевается под термином «неизолированный», где находятся эти модули, а также шесть размеров спецификации, которые определяют, на какой номер детали вы запрашиваете ценовое предложение.

Ключевые выводы

• Общая земля является определяющим свойством. Входной возврат и выходной возврат — это один и тот же узел; Из этого следуют размер, стоимость, эффективность и конструкция защиты.

• Выбирайте по входному диапазону перед выходным напряжением. Входной диапазон определяется вашей шиной; вывод обычно можно обрезать в опубликованном окне.

• Измерьте ток для худшего случая, затем уменьшите его. Номинальные значения при 25 °C — это не то, что модуль обеспечивает внутри герметичного корпуса при 60 °C.

• Изоляция — это системное требование, а не предпочтение. Изолированный модуль стоит дороже и занимает больше места, поэтому уточните это, прежде чем сравнивать цены.

• Герметизация и вибрация определяют установку автомобиля. Вибрация, термоциклирование и попадание пыли убивают модули еще до того, как это произойдет при попадании воды.

• Имеет значение только таблица технических характеристик. Подтвердите входной диапазон, постоянный ток и пороговые значения защиты из таблицы данных, а не из маркетингового обзора.

Что на самом деле означает «неизолированный» на практике

Почему неизолированные модули имеют общий заземляющий путь?

В неизолированной топологии входной и выходной возвраты электрически являются одним и тем же узлом. Коммутационный каскад по-прежнему повышает или понижает напряжение, но никакой трансформатор не обеспечивает гальваническую развязку. Опубликованный пример ясно показывает это: в неизолированном водонепроницаемом понижающем преобразователе 12 В/24 В в 5 В указан тип изоляции как «Неизолированный (общее заземление)», номинальный вход 12 В/24 В постоянного тока, выходное напряжение 5 В постоянного тока, максимальный продолжительный выходной ток 10 А, эффективность преобразования более 90% и диапазон рабочих температур от -40 °C до +85 °C. При отсутствии барьера нет необходимости в путях утечки и воздушных зазорах, требуемых трансформатором, а также нет потерь в сердечнике на пути прохождения энергии — отсюда меньшая занимаемая площадь, меньшая стоимость материалов и более высокий КПД при том же уровне мощности.

Когда этот общий путь становится небезопасным?

Повторяются три ситуации. Ваш источник может иметь обратное или плавающее опорное значение относительно нагрузки, которое неизолированный модуль не может исправить. Вашей нагрузкой может быть измерительный преобразователь, который не должен быть привязан к шине питания, что характерно для инструментальных усилителей, токовых шунтов и изолированных интерфейсов датчиков. Или вашей системе может потребоваться разорвать контур заземления, в котором два компонента оборудования соединены в разных точках.

Если что-либо из этого применимо, укажите изолированный модуль. Линейка изолированных преобразователей постоянного тока предлагает полезное сравнение: семейство приборов SD-350 принимает напряжение 19–36 В постоянного тока, 36–72 В постоянного тока или 72–144 В постоянного тока в зависимости от индекса модели, обеспечивает время удержания 30 мс при полной нагрузке и выдерживает напряжение 1,5 кВ переменного тока вход-выход и 1,5 кВ переменного тока вход-корпус с сопротивлением изоляции 100 МОм. при 500 В постоянного тока. За этот барьер вы платите.

Насколько эффективно вы на самом деле получаете?

Выгода реальна, но ее не следует переоценивать. Неизолированные понижающие модули в неизолированном понижающем диапазоне постоянного тока обычно демонстрируют эффективность преобразования выше 90%, в то время как изолированный преобразователь аналогичной мощности имеет немного более низкую эффективность. Этот разрыв редко решает закупки — решающими факторами являются площадь, стоимость и необходимость изоляции вообще.

Таблица 1. Неизолированные и изолированные модули преобразователей постоянного тока в постоянный

Где неизолированные модули являются правильным выбором

Транспортные средства, аккумуляторы и мобильные системы

Электрические системы автомобиля являются классическим домом для неизолированных модулей, поскольку шасси уже является общим ориентиром для всего, что находится на борту. Опубликованный диапазон отражает следующее: от 12 до 24 В при токе 1–50 А, от 12 до 48 В при токе 1–20 А, от 24 до 48 В при токе 3–42 А для автомобилей гольфа, от 36 В/48 до 12 В при токе 3–100 А для электромобилей и от 24 до 13,8 В для вилочных погрузчиков. Семейства повышающих понижающих преобразователей охватывают входы, которые могут находиться по обе стороны от цели, в том числе от 8–40 В до 12 В при токе 3–60 А и от 9–40 В до 24 В при токе 2–30 А.

Понижение шины постоянного тока для солнечной и телекоммуникационной промышленности

Вторым важным вариантом являются шины постоянного тока с более высоким напряжением. рассчитанный Понижающий преобразователь с 48 В на 24 В, на ток от 3 А до 85 А, с водонепроницаемым корпусом IP68 предназначен для солнечных систем, а семейство преобразователей с напряжением 72 В на 12 В/13,8 В рассчитано на ток от 5 А до 60 А. Случай с телекоммуникациями поучителен: стойка уже обеспечивает общую ссылку, поэтому деньги, сэкономленные на изоляции, вместо этого идут на рейтинг корпуса.

Промышленная шина 24 В, питающая управляющую электронику напряжением 5 В и 12 В.

Внутри шкафа управления шина 24 В обычно является единственным источником питания для модулей ПЛК, датчиков, реле и индикаторных цепей, поэтому понижение ее напряжения до 5 В или 12 В является учебником. Понижающий преобразователь IP68 с 12 В/24 В на 5 В, обеспечивающий ток от 3 А до 60 А, или понижающий преобразователь с 24 В на 12 В, обеспечивающий ток от 1,5 А до 100 А, справляется с этой задачей; резервирование принадлежит уровню источника питания и собственному модулю.

Таблица 2. Опубликованные входные, выходные и текущие комбинации

Шесть параметров выбора, определяющих номер детали

Какой входной диапазон на самом деле представляет ваша шина?

Начните с шины, а не с нагрузки. Номинальная система 24 В не сидит на 24 В — она повышается во время зарядки и проседает при пусковой нагрузке, а преобразователь, рассчитанный только на номинальное значение, выпадет в неподходящий момент. Запишите минимум и максимум, которых может достичь ваша шина, затем выберите модуль, опубликованный диапазон которого охватывает оба конца с запасом.

Какой диапазон обрезки вам нужен на выходе?

Некоторые нагрузки допускают фиксированный рельс; другим нужен регулируемый, поэтому один номер детали охватывает несколько вариантов продукта. Принимайте решение заранее, потому что этот выбор исключает целые семьи из короткого списка. Закрытые источники питания большей мощности часто имеют окно непрерывной регулировки, тогда как компактные понижающие модули имеют фиксированную выходную мощность. Изолированное семейство SD-350 в этом портфолио представлено как измерительный преобразователь с несколькими напряжениями, который является примером, который следует искать, когда связанному оборудованию требуется несколько выходных шин.

Вы определили ток для наихудшего случая?

Непрерывный ток при эталонной температуре — это отправная точка, а не ответ. Возьмите опубликованное значение, добавьте запас на пусковой бросок, затем примените кривую снижения номинальных характеристик для температуры, которую фактически будет воспринимать модуль. Рассматривайте пиковые нагрузки отдельно: модуль резервирования, рассчитанный на непрерывный ток 20 А, может выдерживать ток 30 А всего в течение пяти секунд.

Существует ли тепловой путь для той эффективности, которую вы указали?

Модуль с номинальной мощностью более 90% преобразует оставшуюся часть в тепло, и это тепло должно покинуть корпус. Если модуль залит и загерметизирован, сам класс корпуса, который защищает его, также удерживает тепло, поэтому кривая снижения характеристик имеет большее, а не меньшее значение. Форматы для монтажа на шасси остаются популярными, поскольку корпус становится частью теплового пути.

Какие функции защиты не подлежат обсуждению?

Подтвердите защиту от перегрузки и перегрева и проверьте фактические пороговые значения. Семейство изолированных приборов SD-350 представляет собой удобный эталон: защита от перегрузки при 105–135 % номинальной выходной мощности и функция перегрева, которая отключает выход и автоматически восстанавливает его при падении температуры. Его выдерживаемое напряжение заявлено как 1,5 кВ переменного тока вход-выход и вход-корпус и 0,5 кВ переменного тока выход-корпус при сопротивлении изоляции 100 МОм при 500 В постоянного тока. Точки отключения должны находиться за пределами нормального диапазона вашей нагрузки, но внутри его диапазона выживания.

Какого класса корпуса действительно требует установка?

Для автомобильных, солнечных и наружных телекоммуникационных систем класс корпуса часто решает покупку. Степень водонепроницаемости и пыленепроницаемости IP68 одновременно защищает устройство от влаги, проникновения пыли и вибрации, а эта комбинация имеет значение в движущемся транспортном средстве или в уличном шкафу. Не путайте номинал модуля с номиналом узла, в котором он установлен: герметичный корпус с незагерметизированным кабельным вводом ничего не дает.

Выбор модуля для промышленной нагрузки от 24 В до 12 В

Предположим, что номинальное напряжение шины 24 В достигает 28 В во время зарядки и падает до 20 В под нагрузкой, питая шину 12 В, которая непрерывно потребляет ток 8 А с броском тока 12 А в течение 200 мс.

Шаг 1 — Подтвердите окно ввода. Шина рассчитана на напряжение от 20 до 28 В. Модуль, указанный только на 24 В, не соответствует требованиям; Опубликованный полный ассортимент преобразователей постоянного тока включает семейства, окна ввода которых охватывают его.

Шаг 2 — Преобразование в мощность с запасом. При 12 В и 8 А постоянная нагрузка составляет 96 Вт. Добавьте 20 % инженерного запаса на старение и погрешность измерений, что даст примерно 115 Вт.

Шаг 3 — Проверьте ток отдельно. Устойчивое потребление составляет 8А, пусковое — 12А. Понижающий преобразователь с 24 В на 12 В, обеспечивающий ток от 1,5 А до 100 А, находится внутри обоих, но продолжительность броска напряжения сверьте с таблицей данных.

Шаг 4 — Примените термическое снижение номинальных характеристик. Установите температуру окружающей среды в шкафу, затем прочитайте кривую снижения номинальных характеристик. Если кривая снижает рейтинг на 30% при вашей температуре окружающей среды, это уменьшенное значение является вашей отправной точкой.

Шаг 5. В последнюю очередь решите вопрос об изоляции. Если нагрузке требуется собственный источник опорного напряжения, укажите изолированный модуль, например, семейство SD-350 с выдерживаемым входным и выходным напряжением 1,5 кВ переменного тока. Если нет, приступайте к неизолированной части.

Только иллюстративный метод; не является спецификацией продукта SMUN.

Подводные камни установки и защиты

Недостаточный размер входной проводки. Преобразователь, понижающий напряжение с 48 В до 13,8 В при высоком токе, потребляет обманчиво большой входной ток в нижней части своего входного диапазона. Размер проводников соответствует наихудшему входному току, а не номинальному значению.

Игнорирование обратного пути. В неизолированной конструкции обратка является общей, поэтому любое сопротивление на этом пути появляется в обеих цепях. Прикрепите возвратную часть должным образом, а не полагайтесь на шарнир шасси.

Установка герметичного модуля на горячую поверхность. Герметизация изолирует электронику от корпуса, а также от окружающей среды. Если устройство должно быть одновременно герметичным и смонтированным на шасси, проверьте снижение номинальных характеристик с учетом реальной схемы монтажа.

Предполагая, что избыточность происходит бесплатно. Резервирование — это отдельный компонент. Выделенный модуль резервирования для DIN-рейки на 20 А, работающий от напряжения 12 В, 24 В или 48 В постоянного тока, поддерживает конфигурации 1+1 и N+1, и его необходимо заложить в бюджет явно, а не предполагать от преобразователя.

Заключение

Неизолированный модуль преобразователя постоянного тока в постоянный является правильным и экономичным решением, когда ваша нагрузка использует общий источник опорного напряжения. Технический случай прост: общее заземление, отсутствие трансформаторного барьера, меньшая занимаемая площадь, более низкая стоимость и эффективность преобразования обычно выше 90%.

Коммерческий случай столь же прост, если вы правильно укажете. Возьмите входной диапазон вашей шины, определите ток для наихудшего случая, прочитайте кривую снижения номинальных характеристик при реальной температуре окружающей среды в шкафу и подтвердите пороговые значения защиты в соответствии с вашим диапазоном нагрузки. Если приложение требует подлинного разделения, признайте, что изолированный модуль — это правильная часть.

Прежде чем направить запрос, подтвердите минимум и максимум шины, преобразуйте нагрузку в мощность с запасом, сравните бросок тока с опубликованным пиковым номиналом, прочитайте кривую снижения номинальных характеристик для вашей окружающей среды и определите, может ли ваша нагрузка иметь общее заземление.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Что такое неизолированный модуль преобразователя постоянного тока в постоянный?

A: Преобразователь постоянного тока в постоянный, вход и выход которого имеют общую землю, без трансформатора, обеспечивающего гальваническую развязку. Неизолированный водонепроницаемый понижающий преобразователь 12/24 В в 5 В имеет тип изоляции «Неизолированный (общее заземление)» и обеспечивает непрерывную подачу постоянного напряжения 5 В при токе до 10 А с КПД более 90%.

Вопрос: Когда мне следует выбрать изолированный преобразователь?

О: Когда нагрузке требуется опорный источник, отдельный от источника: измерительные преобразователи, изолированные интерфейсы датчиков, системы, необходимые для разрыва контура заземления, и любые приложения, в которых заземление источника и нагрузки имеют разные потенциалы. Если ничего не применимо, неизолированный модуль обычно выигрывает по занимаемой площади и стоимости.

Вопрос: Как правильно определить текущий рейтинг?

О: Начните с постоянного выходного тока, добавьте запас на пусковой бросок, затем примените кривую снижения номинальных характеристик в зависимости от температуры окружающей среды вашего корпуса. Пиковые значения ограничены по времени: непрерывные 20 А могут означать 30 А всего в течение пяти секунд, поэтому рассматривайте непрерывную и пиковую нагрузку как отдельные ограничения.

Вопрос: Означает ли более высокий рейтинг эффективности, что я могу игнорировать тепловой расчет?

О: Нет. Даже модуль выше 90% преобразует остаток в тепло, а герметичный корпус, защищающий электронику, также удерживает это тепло. Кривая снижения номинальных характеристик при реальной температуре окружающей среды в шкафу определяет возможности модуля.

Вопрос: Какой рейтинг корпуса следует указать для использования в автомобиле или на открытом воздухе?

Ответ: Водонепроницаемые и пыленепроницаемые корпуса со степенью защиты IP68 обычно используются в транспортных средствах, солнечных батареях и наружных телекоммуникационных установках, поскольку они одновременно защищают устройство от влаги, проникновения пыли и вибрации. Также проверьте способ подключения: герметичный корпус с незагерметизированным кабельным вводом не обеспечивает заявленных характеристик.