DC/DC-Wandler für Messtechnik Anwendungen

Das Testen und Messen (T+M) deckt einen weiten Bereich von Anwendungen ab, umfasst jedoch im Wesentlichen das Erfassen einer physikalischen Größe (Strom, Spannung, Temperatur usw.) unter verschiedenen Betriebsbedingungen (normal, an den Betriebsgrenzen oder bei überlastetem Betrieb) sowie das Aufzeichnen und Analysieren des Ergebnisses.
Häufig ist eine Isolierung der Messung von der Bezugsmasse erforderlich, da sich das zu prüfende oder zu messende Teil auf einer anderen Erdreferenzspannung befindet als das Aufzeichnungs- oder Analysegerät. Wenn die T+M-Ausrüstung netzgespeist ist, sorgt ein AC/DC-Wandler für die Isolierung und es kann ein DC/DC-Wandler nachgeschaltet werden, um eine galvanische Trennung zwischen separaten Stromschienen für Eingänge von Mehrkanal- oder Mehrparameter-Messgeräten zu gewährleisten. Dadurch sollen Interferenzen zwischen den Signaleingängen vermieden werden. Aus diesem Grund können DC/DCs erforderlich sein, auch wenn die Messeinheit selbst batteriebetrieben ist.

Analoge Eingangs-Messtastersensoren benötigen normalerweise eine Doppelschienenversorgung, um die Operations- oder Präzisionssignalverstärker mit Strom zu versorgen. Der verstärkte und konditionierte Ausgang wird normalerweise in Analog-Digital-Wandler eingespeist und der Datenstrom wird dann unter Verwendung von Digital-Isolatoren isoliert. Für ADCs und DIs sind unabhängige 3,3V- oder 5V-Schienen erforderlich, die von der Hauptversorgungsschiene (typischerweise 12V oder 24V) herunter konvertiert werden.
Schließlich sind digitale Bustrenner (USB, CAN, GPIB usw.) häufig unerlässlich, um Masseschleifen zu vermeiden und die Sicherheit oder eine Einzelfehlertoleranz im Messtechniksystem zu gewährleisten.

Netzbetriebene T+M-Geräte können von Desktop-Produkten bis hin zu Rack-Installationen mit einer Eingangsspannung von nominal 90VAC bis 277VAC oder sogar höher für industrielle Anwendungen reichen. Bei kleinen Leistungsniveaus von 3W bis 20W werden häufig PCB-bestückte Teile verwendet, wie z. B. RAC03-K, RAC04-K/277, RAC05-K/480, RAC10-K/277 und RAC20-K. Bei höherer Leistung, von 40W bis 550W, können RACM40-K, RACM60-K, RACM90-K, RACM230-G und RACM550-G gewählt werden welche passive Kühlung über das Gehäuse bieten.

Oft ist in T+M-Umgebungen ein lüfterloser Betrieb erwünscht, und alle diese Teile sind bis in hohe Temperaturbereiche ohne forcierte Luftkühlung nutzbar, wobei die 230W- und 550W-Produkte zusätzlich mit Grundplattenkühlung betrieben werden können. Je nach Produkt sind Sicherheitszertifizierungen für verschiedene Anwendungsumgebungen verfügbar, z. B. IEC/EN 61010, IEC/EN 62368, IEC/EN 60601, EN 60335. Die EMV-Normen werden ohne zusätzliche Komponenten erfüllt und alle Bauteile haben einen niedrigen Netzableitstrom, was bei T+M-Anwendungen, besonders im medizinischen Bereich, von kritischer Bedeutung ist. Ebenso kann das geringe Ausgangsrauschen der RECOM AC/DC-Spannungsversorgungen bei empfindlichen Messungen von Vorteil sein.

RECOM bietet DC/DC-Wandler mit sehr hoher Isolation in kompakten Gehäusegrößen an. Unsere außergewöhnliche RHV2/RHV3-Serie bietet eine 20-kVDC-Isolierung (12,5kVAC/1 Minute) in einem SIP16-Gehäuse für sehr hohe Isolationsmessungen in Anwendungen wie Hartvakuum-Ionenpumpen, Röntgengeräten und Hochspannungs-Staubfiltern.

Unsere REM-Serie bietet eine Isolation von bis zu 10kVDC (5kVAC/1 Minute) und ist zertifiziert, um durchgehende 230 VAC über die Isolationsbarriere hinweg zu widerstehen. Ausgangsleistungen von 1W bis 30W stehen zur Verfügung. Eine Beispielanwendung ist die Isolation für Temperaturmessthermoelemente, die an Transformatoren, Transistoren, Dioden oder Kondensatoren angebracht sind, die mit Netzspannungen betrieben werden.

Für Messtechnik-Anwendungen, bei denen eine funktionale Trennung erforderlich ist, um Erdschleifen oder Störungen in Niederspannungssystemen zu vermeiden, bietet die RKE-Serie ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis mit Isolationsoptionen für 3kV, 4kV oder 6kV.

Industrielle CAN-Bus-, RS-485- (ModBus) oder GPIB-Systeme werden häufig verwendet, um Sensoren, Relais, Oszilloskope und programmierbare Netzteile/Lasten miteinander zu verbinden und automatische Prüfgeräte (ATE) oder SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) zu erstellen. Solche Systeme können erhebliche Potenzialunterschiede zwischen Erdungspunkten aufweisen, insbesondere bei Hochspannungs- oder Hochstromanwendungen oder langen Kabelstrecken. Eine isolierte serielle Schnittstelle, ein CAN-Bus-Transceiver oder ein USB-Isolator eliminiert die Auswirkungen von Potenzialunterschieden zwischen Sensoreinheiten.

Ein isolierter Datenbus-Transceiver benötigt eine isolierte Stromversorgung für den seriellen Kommunikationsbus, die üblicherweise von einem isolierten DC/DC-Wandler bereitgestellt wird, der über die Isolationslücke gelegt und von der Eingangsversorgung gespeist wird. Typische Eingangs- und Ausgangsspannungskombinationen sind 3,3V bis 3,3V, 5V bis 5V oder 3,3V bis 5V.

In der folgenden Abbildung liefert RECOM eine vorgefertigte Evaluierungskarte (R-REF03-CAN1), mit der ein schnelles Prototyping von CAN-Bus-Systemen möglich ist.

Viele Sensoren liefern niedrige Ausgangspegel. Ein Thermoelement vom Typ K hat beispielsweise eine thermoelektrische Spannung von nur 1mV bei 25°C. Thermoelementverstärker mit hoher Verstärkung sind anfällig für Gleichtaktstörungen und benötigen daher sehr leise Stromversorgungsschienen. Ein typischer ungeregelter isolierter DC/DC-Wandler weist eine p-p-Ausgangswelligkeit von 60–100mV auf, die einige Messungen stören kann. Als Lösung bietet RECOM nachregulierte DC/DC-Wandler in der gleichen Pinbelegung wie Standardwandler an, die die Vorteile eines isolierten DC/DC-Wandlers mit der Spannungsstabilität und der geringen Geräuschentwicklung eines Linearreglers kombinieren. Beispielsweise bietet der RIZX-0505 einen geregelten 5V-Ausgang mit nur 30mV p-p-Welligkeit. Wenn dies immer noch zu hoch ist, kann ein einfacher Eingangs- und Ausgangsfilter verwendet werden, um die Ausgangswelligkeit auf 2mV p-p zu reduzieren und eine sehr rauscharme (-68dB) isolierte Versorgung zu erzeugen.

Während Linearregler kostengünstige und zuverlässige Komponenten zum Absenken einer höheren Eingangsspannung auf eine niedrigere Versorgung sind, die für TTL- oder CMOS-Komponenten geeignet ist, ist der Wirkungsgrad sehr schlecht, was den verfügbaren Ausgangsstrom begrenzt, bevor die Verlustleistung zu hoch wird. Geschaltete DC/DC-Wandler sind Leistungswandler, d.h. ein 24-V-Eingangs-/5V/1A-Ausgangswandler zieht nur etwas mehr als 208mA aus der Primärversorgung – weniger als ein Viertel des Stroms, der von einem Linearregler gezogen würde. Für mehrere unabhängige Kanal-Mess- und Regelgeräte ist es daher sinnvoll, Schaltregler oder isolierte DC/DC-Wandler zu verwenden, um jeden Eingangskanal effizient zu versorgen. Anwendungen mit hohen Strömen und niedriger Spannung sind beispielsweise A.I.- und LIDAR-Schaltungen sowie FPGA- und ASIC-Stromversorgungen, die typischerweise etwas über zehn Ampere bei Spannungen von 5V oder weniger benötigen. Der RPMGx Serie kann bis zu 20A aus einer 12V, 24V oder 48V-Batterieversorgung liefern und ist für diese Art von Point-of-Load-Anwendungen ideal.

Ein DC/DC-Wandler ist oft die einfachste, billigste und effizienteste Möglichkeit, um eine bipolare Schienenstromversorgung zu erzeugen. RECOM bietet eine große Auswahl an Wandlern mit zwei Ausgängen (± 5V, ± 12V oder ± 15V), die für die Stromschienen von Operationsverstärkern geeignet sind. Die Ausgangsleistung unter Volllast beträgt nur 250mW für Konstruktionen mit sehr geringem Stromverbrauch bis zu 40W zur Versorgung großer Mehrkanalsysteme.

Ein Anwendungsbeispiel ist eine High-Side-Stromerfassungsschaltung. Da der Shunt-Widerstand an eine hohe Wechsel- oder Gleichspannung angeschlossen ist, wird ein isolierter Operationsverstärker verwendet, um den Spannungsabfall über ihm zu messen. Die isolierte bipolare Versorgung des Operationsverstärkers ist potenzialfrei, sodass der gemeinsame (0Viso) direkt mit dem Operationsverstärkereingang verbunden werden kann.