Надежность — высший приоритет

Когда у блока питания (БП) настольного компьютера после трех или четырех лет заканчивается срок службы, это не радостный факт, однако он подталкивает к переходу на более современную модель. Совсем другая ситуация, когда речь идет об источниках питания (ИП), применяемых в системах управления промышленными установками, которые не только должны обладать более продолжительным сроком службы, но и подвергаются, как правило, значительно бóльшей нагрузке. Тщательно и точно смонтированные на DIN-рейке, они зачастую работают бок о бок с реле, контакторами, блоками распределительного устройства или аварийными выключателями в герметично закрытом электрошкафу. В таком окружении БП может значительно нагреваться. Кроме того, необходимо учитывать повышенную нагрузку, которой он длительное время подвергается при воздействии пиков тока и электромагнитных помех. Неудивительно, что пользователи при выборе ИП для установки на DIN-рейку придают большое значение вопросу надежности. Новые БП семейства REDIN от компании RECOM настолько надежны, что предлагаются с семилетней гарантией (рис. 1).

Рис. 1. Источники питания для крепления на DIN-рейку

Критерий надежности

Ответ на данный вопрос неоднозначен. Некоторые считают, что вопрос решается указанием среднего времени наработки на отказ MTBF (mean time between failure). При этом речь идет о теоретической величине, которая рассчитывается на основе параметров всех применяемых компонентов. Но эта величина дает разве что исходные отправные точки, так как она является чисто теоретической, означающей отрезок времени между двумя сбоями. Однако цель разработчика системы — по возможности исключить уже первый выход из строя.

Значительно важнее показатель «расчетный срок службы», который может быть определен практически, т. е. на основе сверхускоренных ресурсных испытаний, так называемого «HAL-теста» (Highly Accelerated Life Test). Целью «HAL-теста» является обнаружение и устранение «узких» мест еще при разработке опытных образцов в экстремально ускоренном за счет вибраций, высокой влажности воздуха и быстрых изменений температуры процессе старения (рис. 2). Тогда в результате испытаний ограниченного числа серийных изделий получают действительно надежные данные о средней теоретической долговечности модели. Разумеется, проведение таких испытаний еще не очень распространено. По крайней мере, лишь немногие производители приводят соответствующие данные.

Рис. 2. Лаборатория надежности в новой штаб-квартире RECOM в Гмундене (Австрия), где в экстремальных условиях были проведены HAL-испытания нового семейства REDIN

Для повышения «расчетного срока службы» RECOM уже несколько лет ведет работы в собственной лаборатории моделирования условий окружающей среды, где каждое новое изделие испытывается уже на ранней фазе разработки. Таким образом, изменения конструкции, получаемые в результате испытаний, могут быть реализованы задолго до запуска в производство. Для некоторых светодиодных драйверов «расчетный срок службы» равен 70 000 ч. У новых ИП для крепления на DIN-рейку, которые впервые были представлены на выставке electronica 2014 в Мюнхене, расчетный срок службы должен быть еще выше. Надежные данные, полученные на основе испытания серийных устройств, появятся через несколько месяцев.

Повышение надежности

Рис. 3. ИП семейства REDIN разрабатываются для эксплуатации в жестких условиях и последовательно настраиваются на максимальную теоретическую долговечность

Существенные факторы, которые ограничивают теоретическую долговечность ИП, назвать несложно. Это, в первую очередь, электролитические конденсаторы, ферритовые сердечники трансформаторов и дросселей, а также напряжения посторонних источников и внешние электромагнитные помехи. Для первых двух вышеупомянутых факторов важную роль играет температура окружающей среды. У электролитических конденсаторов электролит со временем испаряется — тем быстрее, чем выше рабочая температура, что также справедливо и для ферритовых материалов, которые при слишком высоких температурах теряют свои рабочие характеристики и тем самым еще более усиливают перегрев.

ИП для крепления на DIN-рейку в большинстве случаев монтируются в электрошкафах, защищенных от пыли и грязи. Однако ограниченное охлаждение обуславливает более высокие температуры окружающей среды, что должно учитываться при разработке ИП хотя бы потому, что они обладают собственным тепловым излучением. Как же «надежно» решить проблему надежности источников питания?

При разработке совершенно нового семейства REDIN с самого начала главной целью группы специалистов RECOM являлось обеспечение достаточного запаса надежности всех критичных компонентов (рис. 3). Разработка началась с определения размера корпуса, чему предшествовало построение сложной тепловой модели. Если корпус сделать слишком компактным, то неизбежно возникнут проблемы с управлением теплообменом. В таком случае отдельные блоки нельзя будет монтировать в электрошкафу близко друг к другу или вблизи от других источников тепла. Также внутри блока требуется больше места, чтобы обеспечить хороший тепловой баланс. Для этого наряду с оптимальной в электронном аспекте конструкцией необходима также оптимизация теплообмена, что является непростой задачей для разработчика. Каждый миллиметр расстояния между «точками перегрева» или от них до конденсаторов уменьшает КПД или увеличивает подверженность помехам окружающей среды. Кроме того, необходимо также учитывать электромагнитную совместимость, а следовательно, выдерживать как можно более короткие расстояния между фильтрами и переключающими транзисторами. Требуется глубочайший опыт в разработке аналоговой техники, чтобы найти наилучшие компромиссные решения этих задач.

Естественно, что при выборе используемых компонентов компромиссы в отношении качества неприемлемы. Там, где электролитические конденсаторы нельзя заменить на бóльшие по габаритам, применяется дорогостоящий вариант с увеличенным сроком службы, допущенный для применения при температурах окружающей среды до +105 °C. Аналогично для ферритовых сердечников трансформаторов используется высококачественный материал, подходящий для применения при более высоких температурах.

Удачное решение от RECOM

Компания RECOM инвестировала в разработку нового семейства для DIN-рейки гораздо больше времени, чем для всех предыдущих продуктов, — более года. Полученный результат заслуживает внимания: новое семейство БП достигает оптимальных значений почти во всех областях.

Сначала будут доступны к заказу модули мощностью 45 Вт (REDIN45) и 60 Вт (REDIN60) с выходными напряжениями 12 или 24 В DC. Таким образом, планируется обеспечить подходящее решение для почти половины всех наиболее распространенных приложений, Дальнейшие модели находятся в разработке.

БП с установочной шириной 41 мм довольно тонкие. Ценное место в распределительном шкафу можно дополнительно сэкономить за счет того, что рядом друг с другом можно без промежутков смонтировать произвольное число блоков. Это достигается за счет первоклассного управления теплообменом в самом БП, а также высокого КПД (до 87%). Для электрошкафов с небольшой установочной глубиной монтаж блоков может производиться также сбоку. Хотя для промышленного применения это не требуется, мощность холостого хода на уровне <500 мВт соответствует норме ЕС по экологическому проектированию. Блоки могут быть оснащены не находящимися под напряжением релейными контактами для генерирования сигнала «Питание в норме» (Power Good). Данный сигнал может либо непосредственно включать индикатор рабочего состояния в дверце шкафа, либо подводиться к программируемому контроллеру, который в случае неисправности посылает сигнал об ошибке на центральный процессор. При этом контакты нескольких блоков могут быть включены последовательно, чтобы генерировать общий «Хороший/Плохой» сигнал.

Новое семейство REDIN (таблица) хотя и не относится к самым дешевым продуктам в своем классе, зато, безусловно, к самым удачным. Расчетный срок службы будет составлять как минимум 10 лет. Вполне логично, что RECOM предоставляет на новые модули семилетнюю гарантию. Компания выпускает данные модули под девизом «установил и забыл». Уже сейчас они доступны для заказа, например у компании-дистрибьютора DigiKey.