Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
CControls
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak nowe, zintegrowane DAC-i pozwalają zmniejszać wielkość analogowych wyjść

ghost666 30 Mar 2017 21:41 1944 0
  • Czwarta rewolucja przemysłowa zmienia oblicze automatyki przemysłowej, jaką stosuje się obecnie w fabrykach. Systemy kontroli procesów przemysłowych w Przemyśle 4.0 budowane są według zupełnie nowych wyznaczników: rozpowszechniania systemów zdecentralizowanych i inteligentnych układów deterministycznych.
    Systemy zdecentralizowane muszą być modularne i elastyczne. Aby łatwo to osiągnąć muszą być wydajne i zużywać niewiele mocy. Niska ilość wydzielanego ciepła jest blisko związana z tym zagadnieniem tak jak miniaturyzacja poszczególnych komponentów systemu.
    Z kolei determinizm działania systemu w połączeniu z inteligencją, to systemy takie jak układy automatycznego wykrywania błędów w transmisji itp zabiegi, jakie pomagają zwiększyć niezawodność działania sterowników przemysłowych.
    W automatyce przemysłowej przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) często wykorzystywane są jako elementy aktywne wyjść analogowych, tak jako wyjścia modułów PLC, jak i transmitery wyjść z cyfrowych sensorów. W obu przypadkach układ DAC wykorzystany może być dwojako: jako wyjście prądowe lub napięciowe.
    Układ DAC8775 to najnowszy członek rodziny precyzyjnych przetworników DAC firmy Texas Instruments. Jest to najmocniej zintegrowany układ z wbudowanym driverem pętli prądowej 4-20 mA dostępny obecnie na rynku. Układ ten pracować może także z wyjściem napięciowym. W DAC ten wmontowano adaptywny system zasilania, umożliwiający zarządzanie zużyciem mocy. W poniższym artykule przedstawimy przykłady projektów, wykorzystujących DAC8775 w sposób prezentujący jego największe zalety i wpisujący się w nowe trendy w automatyce przemysłowej.
    Wiele systemów sterowania wyposażonych jest w setki wejść i wyjść, które potrzebne są do obsłużenia ogromnej ilości podłączanych doń sensorów. Stawia to projektantów tych układów przed ogromnym wyzwaniem - upakowania tak ogromnej liczby IO w niewielkiej obudowie sterownika przemysłowego. Dodatkowo tak gęste upakowanie elementów sprawia, że trudniej odprowadzać ciepło z tych elementów. Większość wyjść analogowych z modułów PLC pracuje w trybie 4-20 mA, wykorzystując do tego układ konwersji napięcie-prąd po wysokiej stronie zasilania wraz z wzmacniaczem. Na rysunku 1 pokazano architekturę typowego wyjścia analogowego w sterowniku przemysłowym.
    Pętla sformowana z wzmacniacza A1 zmienia napięcie z DAC na prąd. Poprzez pętlę z ujemnym sprzężeniem zwrotnym wzmacniacz A1 ustawia napięcie na oporniku RSET tak, by było równe napięciu wyjściowemu z przetwornika. Spadek napięcia na tym oporniku powoduje, że przez pierwszy stopień układu IM, zaczyna płynąć prąd (w idealnym przypadku IRSET = IM). Prąd ten trafia następnie na wzmacniacz, który składa się z układu A2 oraz pętli sprzężenia zwrotnego, oraz oporników RMIRROR i RSENS. Wzmacniacz A2 wymusza by napięcie na RSENSE było równe RMIRROR, co generuje prąd obciążenia równy prądowi IM wzmocnionemu. Współczynnik wzmocnienia równy jest stosunkowi oporów RMIRROR do RSENSE. Obciążenie - RLOAD - pokazane na rysunku 1 jest zazwyczaj jakimś liniowym elementem bądź siłownikiem w systemie sterowanym przez sterownik PLC.




    Jako że prąd płynący przez opornik RMIRROR nie przepływa przez obciążenie, jest on de facto marnowany w układzie i zmniejsza jego sprawność. Dobrą praktyką podczas projektowania tego rodzaju systemów jest utrzymywanie prądu płynącego przez ten opornik na poziomie mniejszym niż 1% prądu wyjściowego. W dalszych obliczeniach ignorować będziemy - z uwagi na założenie, że stosunek rezystancji RMIRROR do RSENSE jest duży (powyżej 100), prąd IM.

    Jak nowe, zintegrowane DAC-i pozwalają zmniejszać wielkość analogowych wyjść
    Rys.1. Konwerter napięcie-prąd pracujący po wysokiej stronie napięcia.

    W typowym układzie PLC napięcie VPS waha się od 12 do 36 V, a obciążenie RLOAD ma opór od prawie zera do około 1 k?. Aby lepiej zilustrować działanie tego systemu załóżmy, w naszym pierwszym przykładzie, że VPOS - 36 V, a RLOAD = 1 ?. W momencie gdy w takim systemie na wyjściu będzie największy prąd - 20 mA to moc wyjściowa równa będzie PLOAD = 1?R = 0,4 mW.
    Całkowita moc wygenerowana przez układ wyniesie 0,72 W. Z tego przykładu łatwo oszacować ile mocy wytracane jest na samym konwerterze napięcie-prąd w układzie wyjściowym - 0,72 W - 0,4 mW = 0,7196 W. To w ogromny sposób zwiększa temperaturę układów wyjściowych i powoduje niepotrzebne marnowanie energii.
    Rozważmy drugi przykład, gdzie obciążenie ma rezystancję 1 k?, czyli PLOAD = 1?R = 0,4 W. To przekłada się na dużo mniejsze straty na układzie - 0,72 W - 0,4 W - 0,32 W jest zamieniane w ciepło w układzie. To znacznie mniej niż w pierwszym przypadku, ale nadal całkiem dużo, zważywszy, że jak pamiętamy, kanałów w pojedynczym urządzeniu mogą być dosłownie setki.
    Łatwo sobie wyobrazić jak pracować mogłoby urządzenie z setką kanałów, jeśli każdy z nich wydzielałby 0,4 W ciepła. Ogromne ilości energii zamieniane byłyby w ciepło, co oprócz znacznego obniżenia sprawności układu przekłada się na zwiększanie jego temperatury, awaryjności i osłabienie bezawaryjności, jakże ważnej w sterownikach przemysłowych. Powyższe przykłady obejmują tylko jeden kanał wyjściowy. Przy czterech kanałach w PLC straty mocy na układzie wyjściowym wynosiłyby od niemalże 2,8 W do 1,2 W, zależnie od obciążenia .
    Straty zwiększają się jeszcze bardziej, im więcej dołożymy analogowych kanałów wyjściowych do modułu PLC. Jednym z rozwiązań, jakie stosuje się w przemyśle, aby je zmniejszać jest dynamiczna zmiana napięcia zasilania VPOS w zależności od rezystancji obciążenia. Taki układ realizuje się dodając prostą pętlę sprzężenia zwrotnego i przetwornicę buck/boost która dostosowuje napięcie zasilania do wymaganego obciążenia. Układ tego rodzaju pokazany jest na rysunku 2.
    Jak nowe, zintegrowane DAC-i pozwalają zmniejszać wielkość analogowych wyjść
    Rys.2. Przetwornik napięcie-prąd z przetwornicą buck/boost dostosowującą poziom napięcia zasilającego układ.

    W zaprezentowanym projekcie przetwornica mierzy napięcie dren-źródło na wyjściowym tranzystorze FET, sterującym prądem na obciążeniu i generuje napięcie błędu. Na podstawie jego wartości system sterujący przetwornicą będzie podejmował decyzję w jakim trybie pracować ma przetwornica - buck czy boost. Mechanizm doboru trybu i sposobu pracy jest dosyć skomplikowany i opiera się na złożonym algorytmie z maszyną stanów.
    Tego rodzaju system zastosowano w czterokanałowym przetworniku DAC8775 firmy Texas Instruments. Osiąga on wysoką wydajność, dzięki temu że obniża on napięcie zasilające wyjścia prądowe do minimalnej wartości jaka zapewnia ich działanie. Na przykład, jeśli wrócimy pamięcią do pierwszego przykładu, obciążenie ma rezystancję równą 1 ?, to przetwornica zasilająca DAC i układ wyjściowy, zmniejszy napięcie VPOS do 4,5 V.
    Moc wyjściowa PLOAD wyniesie w takiej sytuacji 0,4 mW, ale już cała moc pobierana przez układ będzie znacznie mniejsza i wyniesie 0,09 W. Oznacza to, że w ciepło zamieniane na układzie jest 90 mW - 0,4 mW = 89,6 mW na kanał. Pobór mocy w systemie będzie zatem znacznie niższy, tak jak i niższa będzie temperatura układów wyjściowych.
    W drugim przypadku, z wyższym obciążeniem, moc wyjściowa wyniesie 0,4 W, a całkowita moc pobrana 0,46 , jako że przetwornica VPOS skonfiguruje, dla takiego obciążenia, napięcie zasilania VPOS równe 23 V. Pozostałą część mocy rozproszy analogowy układ wyjściowy, ale nie jest to dużo, zaledwie 60 mW. Pobór mocy, przy zastosowaniu przetwornicy, spada pięciokrotnie.
    Zastosowanie układu DAC8775 w sterowniku przemysłowym pozwala na zoptymalizowanie termiczne układu. Porównując temperatury układów z czterema kanałami z i bez wykorzystania przetwornicy do adaptacji napięcia zasilającego wyjść analogowych, jesteśmy w stanie dostrzec jego zalety bez większego problemu. Na rysunkach 3 i 4 porównano temperaturę układu w funkcji prądu wyjściowego dla układu ze stałym napięciem zasilania (linia czerwona) i wbudowaną przetwornicą (linia niebieska) dla obciążenia o rezystancji 1 ? (wykres u góry) i 1 k? (wykres na dole). Jak widać na rysunku 3 różnica temperatur może wynieść do 36°C.
    W momencie gdy staramy się zmieścić w niewielkim systemie coraz więcej elementów i kanałów wyjściowych, ich temperatura staje się coraz istotniejsza. Krytyczne jest zmniejszenie poboru mocy przez układ, tak aby tylko niewielka moc była zamieniana w ciepło na stopniu wyjściowym. Zminimalizuje to grzanie się sterownika, przez co zwiększy się jego niezawodność, ale także precyzja, gdyż zmniejszą się efekty związane z termicznym dryfem parametrów układu. DAC8775 rozwiązuje wiele problemów systemów: nie tylko pozwala na zwiększenie sprawności sekcji wyjściowych, ale także minimalizację powierzchni na PCB oraz uzyskanie doskonałych parametrów DC i niewielkiego dryftu termicznego parametrów wyjścia.
    Jak nowe, zintegrowane DAC-i pozwalają zmniejszać wielkość analogowych wyjść
    Rys.3. Zależność temperatury od prądu wyjściowego układu dla obciążenia 1 ?.
    Jak nowe, zintegrowane DAC-i pozwalają zmniejszać wielkość analogowych wyjść
    Rys.4. Zależność temperatury od prądu wyjściowego układu dla obciążenia 1 k?.

    Jeżeli temperatura układu przekroczy 150°C to zadziała wbudowane w DAC8775 zabezpieczenie w postaci alarmu termicznego, który pozwoli nam szybko wykryć potencjalne źródło awarii. Oprócz zabezpieczenia termicznego układ wyposażono także w systemy wykrywające rozwarcie i zwarcie wyjścia, a także systemy czuwające nad bezpieczeństwem transmisji cyfrowej, takie jak układy CRC i watchdog. Układ wyposażony jest także w możliwość konfiguracji predefiniowanych akcji, jakie podejmowane mają być przez DAC w momencie wystąpienia poszczególnych alarmów - układ może nie zrobić nic, wyłączyć się lub wykonać preprogramowany kod.
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2017/03/07/dacs-enable-performance-in-analog-output-modules


    Fajne! Ranking DIY
  • CControls