Soddisfare in modo economico gli standard internazionali con gli alimentatori c.a./c.c. montati su scheda

Gli alimentatori c.a./c.c. montati su scheda da 3 a 20 W sono utilizzati in una crescente varietà di applicazioni di Internet delle cose (IoT) e Internet delle cose industriale (IIoT), Impresa 4.0, automazione industriale, apparecchiature audiovisive, apparecchiature informatiche (ITE), domotica/edilizia, elettrodomestici e apparecchi consumer. Anche se può essere allettante provare a progettare alimentatori c.a./c.c. a bassa potenza, il processo è più complesso e lungo di quanto possa sembrare a prima vista. I progetti devono soddisfare requisiti di prestazione impegnativi, tra cui ampi intervalli della tensione di ingresso, distribuzione dell'energia elettrica di picco e alta densità di potenza. Devono anche essere certificati secondo numerosi standard internazionali per la sicurezza, l'efficienza, la potenza in standby e la compatibilità elettromagnetica (EMC).

Invece, i progettisti possono usare alimentatori c.a./c.c. compatti montati su scheda e certificati per tutti gli standard di prestazioni internazionali pertinenti, accelerando il time-to-market. Questi efficienti alimentatori hanno un ampio intervallo della tensione di ingresso e possono accettare ingressi c.a. o c.c. per la flessibilità e la compatibilità mondiale.

Questo articolo fa una breve disamina delle considerazioni generali sulle applicazioni di alimentazione c.a./c.c. Fornisce poi esempi di tre opzioni di conversione di potenza c.a./c.c. montate su scheda della serie RACxx-K di RECOM Power, identificando le caratteristiche chiave e i vantaggi dei prodotti specifici e come siano applicati.

Combinazioni di convertitore c.a./c.c.

Gli alimentatori c.a./c.c. possono essere collegati in serie o in parallelo per fornire livelli di potenza più elevati o un funzionamento per sostituzione a caldo ridondante (Figura 1).

Figura 1: Due convertitori c.a./c.c. possono essere collegati in serie per una tensione maggiore (in alto) o in parallelo per una corrente maggiore e/o un funzionamento ridondante (in basso). (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Gli alimentatori collegati in parallelo (la configurazione in basso nella Figura 1) possono essere utilizzati per fornire correnti più elevate o una maggiore affidabilità grazie alla ridondanza. Le correnti maggiori sono possibili quando entrambi gli alimentatori vengono azionati alle correnti di uscita nominali o quasi. La tensione di uscita non cambia, ma la corrente disponibile è aumentata, aumentando la potenza di uscita.

Le configurazioni di alimentazione ridondante utilizzano più alimentatori per aumentare l'affidabilità del sistema, non per aumentare il livello di potenza disponibile. Le configurazioni ridondanti possono assumere diverse forme. In una topologia, il sistema è configurato per attingere energia solo dall'alimentazione "primaria" durante il normale funzionamento e per passare automaticamente all'alimentazione ausiliaria o "di riserva" nel caso in cui l'alimentazione primaria si guasti.

La ridondanza N+1 è un'altra topologia comune usata per aumentare l'affidabilità dell'alimentazione. Un sistema N+1 consiste in due o più alimentatori. Nella Figura 1, la configurazione inferiore può essere usata come un'architettura ridondante con "N" = 1. In questo caso, ciascuno degli alimentatori funziona al 50% della capacità durante il funzionamento normale, e ciascuno può fornire l'alimentazione a pieno carico se l'altro alimentatore dovesse guastarsi.

Anziché mettere in parallelo gli alimentatori per aumentare la potenza disponibile, questa può anche essere aumentata collegando gli alimentatori in serie (configurazione in alto nella Figura 1). In questo esempio, entrambi gli alimentatori hanno la stessa tensione di uscita, V_O, e la configurazione in serie fornisce 2V_O. Poiché la corrente fornita al carico non cambia, raddoppiando la tensione si raddoppia la potenza effettiva.

Entrambe le configurazioni in Figura 1 includono diodi ORing per isolare le uscite degli alimentatori. Se uno degli alimentatori si guasta, i diodi ORing proteggono il sistema da un'avaria catastrofica. La corrente nominale del diodo ORing deve essere maggiore della corrente nominale di uscita dell'alimentatore, e la tensione nominale di rottura deve essere maggiore della tensione di uscita dell'alimentatore.

Considerazione sull'ingresso in c.a./c.c.

Se ci sono diversi modi per collegare le uscite di due o più alimentatori c.a./c.c. per una funzionalità aggiuntiva, non è possibile collegare gli ingressi di due convertitori c.a./c.c. per aumentare l'intervallo della tensione di ingresso. È per questa ragione che gli alimentatori c.a./c.c. ad ampio ingresso (detti anche a ingresso universale) sono sempre più popolari. Anche la protezione tramite fusibili è una considerazione importante per gli ingressi di alimentazione c.a./c.c. (Figura 2).

Figura 2: Tipicamente, viene usato un singolo fusibile di ingresso (in alto), ma se l'ingresso non è polarizzato, i fusibili possono essere messi in entrambe le linee di ingresso (in basso). (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

L'uso di fusibili ritardati (detti anche ad azione ritardata) è generalmente raccomandato. I fusibili possono essere collegati a entrambe le linee di ingresso se l'ingresso in c.a non è polarizzato. Le dimensioni tipiche e consigliate dei fusibili per gli alimentatori monofase c.a./c.c. sono di 1,5 A per uscite inferiori a 40 W, 2 A per uscite superiori a 40 W ma inferiori a 60 W e 3 A per uscite di 60 W o superiori.

Se l'alimentazione c.a./c.c. ha un pin di messa a terra (FG), deve essere collegato a terra a un punto a massa di sicurezza. La tensione di uscita -V_OUT può essere collegata a FG, riferendo l'uscita +V_OUT a terra. I progettisti dovrebbero specificare interconnessioni corte e spesse per garantire connessioni salde per ridurre ulteriormente le interferenze elettromagnetiche (EMI) (Figura 3).

Figura 3: La tensione di uscita può essere collegata a terra per riferire l'uscita a terra. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

3 W per applicazioni IoT, IIoT e domestiche

Per i progettisti di applicazioni IoT, IIoT e domestiche che richiedono 3 W di potenza, RECOM offre l'alimentatore c.a./c.c. RAC03E-K/277 che fornisce una singola uscita a 12 V c.c. strettamente regolata (altri modelli sono disponibili con uscite da 3,3 a 24 V c.c.). Questi alimentatori certificati a livello internazionale sono caratterizzati da un ampio intervallo della tensione di ingresso potenziato da 85 a 305 V c.a. o da 120 a 430 V c.c. e sono conformi ai requisiti di alimentazione in standby ErP. La serie RAC03E-K/277 ha un ampio intervallo della temperatura di funzionamento, fornendo piena potenza di uscita da -30 a +75 °C (eccetto per le unità con uscita a 3,3 V che forniscono piena potenza a +70 °C) con raffreddamento per convezione naturale (Figura 4).

Figura 4: I dispositivi serie RAC03E-K/277 hanno un ampio intervallo della temperatura di funzionamento, fornendo piena potenza di uscita da -30 a +75 °C (tranne per le unità con uscita a 3,3 V che forniscono piena potenza a +70 °C). (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Questi alimentatori hanno un ingombro di 36,8 x 24,1 mm e un profilo ribassato di 15,4 mm. L'isolamento da ingresso a uscita di 4 kV c.a. li rende adatti ad applicazioni in tutto il mondo, e soddisfano i seguenti standard:

• Certificato UL/IEC/EN 60950-1
• Certificato CAN/CSA C22.2 No. 62368-1
• EN60335-1 (in attesa)
• EN62233 (in attesa)
• IEC/EN 2-16 (in attesa)
• Conformità EN55032/EN55035

10 W per l'automazione dei processi e gli edifici intelligenti

La capacità di potenza di picco del 140% dell'alimentatore RAC10-05SK/277 da 10 W con uscita c.a./c.c. a 5 V supporta le esigenze di potenza transitoria dei sistemi con carichi induttivi, ad alta corrente di avvio o non lineari come nel caso dell'automazione di processo e gli edifici intelligenti (Figura 5). Questi alimentatori c.a./c.c. montati su una scheda a circuiti stampati (scheda CS) hanno certificazioni di sicurezza internazionali sia per gli standard per uso industriale e domestico.

Figura 5: Gli alimentatori RAC10-05SK/277 c.a./c.c. da 10 W hanno certificazioni di sicurezza internazionali per gli standard per uso industriale e domestico. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

I modelli da 10 W sono disponibili con tensioni di uscita singole da 3,3 a 24 V c.c. o in versioni a doppia uscita che forniscono ±12 o ±15 V c.c. Questi alimentatori soddisfano la categoria di sovratensione III (OVC III) dell'alimentazione stabilita in IEC62477-1 per sistemi industriali utilizzati in installazioni fisse e per i casi in cui l'affidabilità e la disponibilità dell'apparecchiatura sono soggette a requisiti speciali. Gli alimentatori in queste installazioni hanno tipicamente una connessione permanente e cablata al pannello di distribuzione della corrente alternata. Come il modello RAC03E-K/277 da 3 W discusso sopra, questi alimentatori c.a./c.c. hanno un ampio intervallo della tensione di ingresso da 85 a 305 V c.a. o da 120 a 430 V c.c.

Alimentatori da 20 W con bassissima potenza in assenza di carico

I progettisti di dispositivi IoT e intelligenti possono beneficiare dell'uso della serie RAC20-K di moduli c.a./c.c. da 20 W. Ad esempio, la versione RAC20-48SK produce un'uscita di 48 V c.c. con solo 40 mW di consumo energetico a vuoto in applicazioni sempre attive e in modalità standby. Questi alimentatori sono caratterizzati dalla conformità alla modalità standby ErP Lot 6. Sono disponibili con un ampio intervallo di ingresso da 85 a 264 V c.a. e un intervallo di ingresso esteso opzionale da 85 a 305 V c.a. o da 120 a 370 V c.c. Le versioni modificate di questi alimentatori soddisfano la norma IEC62477-1 OVC III. Questi alimentatori montati su scheda sono disponibili con tensioni di uscita singole da 5 a 48 V c.c. o in versioni a doppia uscita che forniscono ±12 o ±15 V c.c. Questi alimentatori sono caratterizzati da un'alta efficienza da bassi carichi a pieno carico, come mostra il grafico della versione RAC20-05SK da 5 V (Figura 6).

Figura 6: Il grafico dell'efficienza rispetto al carico di uscita di RAC20-05SK (modello con uscita a 5 V) mostra un'alta efficienza dai bassi carichi a pieno carico. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Gli alimentatori c.a./c.c. RAC20-48SK sono conformi ai requisiti EN 55022 Classe B per le emissioni condotte senza alcun filtro aggiuntivo. Hanno un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +85 °C e sono dotati di certificazioni internazionali di sicurezza per apparecchiature industriali, audiovisive e informatiche tra cui (* = in attesa di approvazione per i modelli con ingresso molto ampio):

• Certificati IEC/EN62368-1
• Certificato UL62368-1
• Certificato CAN/CSA-C22.2 No. 62368-1-14
• Certificato IEC/EN60335 *
• Certificato IEC/EN61558-1 *
• Certificato IEC/EN61558-2-16 *
• Conformità IEC/EN61204-3 *
• Conformità EN55032.14 *
• Conformità EN55024 *

Due uscite da una uscita singola

Come notato sopra, RAC03E-K/277 da 3 W è disponibile solo in un design a uscita singola. Gli alimentatori c.a./c.c. RAC10-05SK/277 da 10 W e RAC20-48SK da 20 W sono offerti con uscita singola o doppia. Tuttavia, le configurazioni a doppia uscita sono limitate a ±12 o ±15 V c.c. In alcune applicazioni, può essere necessaria una diversa combinazione delle tensioni di uscita. In questi casi, i progettisti possono accoppiare un alimentatore c.a./c.c. a uscita singola con un convertitore c.c./c.c. a bassa potenza o un regolatore a commutazione per fornire una tensione di uscita ausiliaria o un rail di uscita negativa (Figura 7).

Figura 7: Un regolatore a commutazione (R-78xx, in alto) o un convertitore c.c./c.c. (in basso) può essere combinato con un'alimentatore c.a./c.c. per produrre una tensione di uscita ausiliaria (in alto) o un rail di tensione negativa (in basso). (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Più filtraggio EMI

Gli alimentatori c.a./c.c. serie RAC di RECOM discussi in questo articolo hanno tutti un filtro di linea integrato che soddisfa la norma EN 55022 Classe B per le emissioni condotte. Nelle applicazioni più esigenti può essere necessario un filtraggio aggiuntivo. Quando si aggiunge un filtro esterno, si dovrebbe usare una topologia di cablaggio centrale stella-terra e il cablaggio tra il filtro esterno e il convertitore dovrebbe essere il più corto possibile (Figura 8).

Figura 8: Gli alimentatori c.a./c.c. RAC di RECOM soddisfano la norma EN 55022 Classe B per le emissioni condotte. Un filtro esterno può essere sempre aggiunto, se necessario. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Conclusione

La necessità di alimentazione c.a./c.c. a bassa potenza e montata su scheda continua a crescere, ma i sistemi restano comunque complessi. Se un progettista non conosce molto bene le sfumature della progettazione dell'alimentazione, dei test e della conformità normativa, progettare un alimentatore da zero può richiedere molto tempo e aumentare i costi, ritardare i cicli di sviluppo e occupare più spazio sulla scheda di quanto sia necessario.

Un'opzione migliore in molti casi è quella di scegliere tra un certo numero di alimentatori c.a./c.c. di serie, compatti, già montati su scheda. Come mostrato, questi sono disponibili in un'ampia varietà di intervalli della tensione di ingresso e possono accettare ingressi in c.a. o c.c. Inoltre, è probabile che siano già certificati ai sensi di tutti gli standard internazionali per le prestazioni e delle normative di conformità pertinenti.

Letture consigliate

1. Una guida alla selezione e all'utilizzo delle fonti di alimentazione per IoT e IIoT