“Fit & Forget!”: i nuovi alimentatori Recom per guide DIN

Recom ha recentemente presentato due nuove famiglie di alimentatori per barre DIN, la REDIN45 e REDIN60, contraddistinte da una potenza pari a 45W e 60W, rispettivamente. Particolare cura è stata posta durante lo sviluppo dei dispositivi, in modo tale da garantire il massimo livello possibile di affidabilità e durata. I componenti utilizzati sono tutti di elevata qualità, e l'intera progettazione è stata condotta con lo scopo di ottenere una vita degli alimentatori il più possibilmente lunga e priva di guasti. Il motto scelto da Recom per questa nuova linea di prodotti non è casuale: "Fit & Forget!", infatti, significa che una volta installati questi dispositivi saranno in grado di svolgere egregiamente il loro compito senza richiedere alcuna particolare attenzione.

Introduzione

Le nuove PSU (Power Supply Unit) di Recom sono disponibili con tensioni di uscita standard, pari a 12Vcc e 24Vcc, e con la possibilità di regolare finemente tale valore tramite un potenziometro collocato sul coperchio frontale (contraddistinto dalla dicitura "+V ADJ"). Sempre sul pannello frontale è collocato un led di stato (contraddistinto dalla dicitura "DC OK"), la cui funzione è quella di monitorare la stabilità della tensioni di uscita, peraltro garantita dall'eccellente livello di regolazione ottenuto dai dispositivi della famiglia REDIN. I moduli dispongono anche di contatti "DC-OK" disaccoppiati dalla tensione di uscita del modulo stesso: in questo modo è possibile controllare direttamente un indicatore visivo remoto, oppure inviare un segnale a un sistema di monitoraggio centralizzato. Questi contatti possono poi essere collegati in daisy-chain tra più moduli, in modo tale da generare un segnale di "System Power OK" generale.

Il range di temperatura operativa è compreso tra -20°C e +70°C, mentre l'elevato livello di efficienza (pari all'87%) e le basse perdite in modalità stand-by (inferiori a 0,5W) consentono di ridurre al minimo sia l'assorbimento di potenza che la generazione di calore. Come noto, la maggiorparte dei guasti che si verificano negli alimentatori è determinato dalle sovratensioni e dai transitori che si verificano sulla tensione in ingresso. Particolare cura è stata pertanto posta nella progettazione di un robusto filtro di ingresso. Inoltre, il tempo di hold-up in condizioni di pieno carico è sufficientemente lungo (50 ms) da garantire che la tensione di uscita rimanga stabile anche a fronte di un andamento imprevisto e non uniforme della tensione in ingresso.

Tutti gli alimentatori delle famiglie REDIN45 e REDIN60 sono equipaggiati con diverse misure atte a proteggerne la sicurezza: oltre alle protezioni dai corto circuiti e dalle sovracorrenti (con restart automatico del dispositivo), sono infatti presenti funzionalità di protezione dalle sovratemperature e dalle sovratensioni. Tutti gli alimentatori sono certificati secondo le norme IEC/EN/UL60950, CE, e UL508. Il range della tensione in ingresso, compreso tra 85 VAC e 264 VAC, ed il funzionamento garantito fino all'altitudine di 5000 m, rendono questi moduli utilizzabili in praticamente tutti i paesi del mondo.

Poichè gli alimentatori sono stati concepiti per l'utilizzo finale su barre di tipo DIN, ne consegue che le dimensioni rispecchiano questo tipo di applicazione e sono pertanto molto compatte: 88,6 x 41,1 x 101,4 mm (Lunghezza x Profondità x Altezza). Più moduli possono inoltre essere collocati sulla stessa guida uno di fianco all'altro, senza richiedere alcuno spazio di separazione tra gli stessi.

Tutti gli alimentatori della serie REDIN sono stati progettati per un utilizzo continuativo (24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana). Ne consegue che essi sono stati pienamente testati in condizioni di pieno carico, e hanno superato delle stringenti ispezioni finali prima di essere commercializzati. L'affidabilità e durata degli alimentatori è stata inoltre verificata e validata attraverso l'esecuzione di opportuni test di invecchiamento ("aging") accelerato. Recom è così confidente della robustezza di questi dispositivi da coprirli con una garanzia completa della durata di 7 anni (più del doppio di quanto offerto dai produttori concorrenti).

Caratteristiche tecniche

Le caratteristiche tecniche di base del componente sono riassunte nella seguente tabella (riferita alla versione con potenza di 60W, e misurate alla temperatura di 25 °C e con tensione in ingresso pari a 230 VAC):

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Le caratteristiche elettriche legate alla variazione delle grandezze ambientali sono invece sintetitzzate nella seguente tabella:

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Completano il quadro le numerose protezioni disponibili, come indicato nella seguente tabella:

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Il raffreddamento

Il caldo rappresenta senza ombra di dubbio la principale insidia dei componenti elettronici, ed in particolare dei condensatori elettrolitici. E' proprio per questo motivo che i produttori di alimentatori progettano i loro dispositivi in modo tale da assicurare ai condensatori elettrolitici un'adeguata protezione dalle fonti di calore. In particolare, si vuole prevenire un guasto prematuro degli stessi causato dall'evaporazione dell'elettrolita. Recom, da sempre, ha investito molto nella prevenzione dei guasti attribuibili alle alte temperature, garantendo un'elevata affidabilità dei propri moduli alimentatori, convertitori DC/DC, e driver per led. Nei laboratori di sviluppo Recom, situati a Gmunden, Germania, si utilizzano telecamere a immagine termica sin dai primi stadi della progettazione, e vengono condotti severi test di invecchiamento forzato (denominati "HALT" test) al fine di identificare prima possibile eventuali difetti di progettazione. Poichè su questa linea di prodotti Recom offre una garanzia di sette anni, è evidente che non ci si può basare solo su sterili calcoli relativi al MTBF.

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L' MTBF, acronimo di "Mean Time Between Failure", viene comunemente utilizzato come metrica per misurare il grado di affidabilità di un dispositivo elettronico e non. In sostanza, esso rappresenta il reciproco del tasso con cui si verificano i guasti. Se, ad esempio, un alimentatore su 10 si guasta dopo 10000 ore di funzionamento, l'MTBF relativo a un funzionamento continuativo di 10000 ore è espresso dalla seguente formula:

MTBF = 1/λ

dove "λ" rappresenta il numero di guasti per unità di tempo, che nel nostro caso è pari a 0,1 per 10,000.

Il valore di MTBF può così essere estremamente elevato, senza riflettere necessariamente l'effettiva vita utile del componente. In particolare, il calcolo dell'MTBF non distingue dagli altri i guasti che si verificano durante i primi stadi del ciclo di vita del componente. Questi guasti dovrebbero infatti avere un peso maggiore, mentre il loro peso sul calcolo complessivo dell'MTBF è analogo a quello degli altri guasti.

Per quanto riguarda i prodotti di fascia alta, la tendenza attuale dei produttori è perciò quella di focalizzarsi sul "design lifetime" piuttosto che sull'MTBF. Il "design lifetime" viene determinato durante l'esecuzione degli HALT test, nei quali il componente viene sottoposto a cicli di temperatura molto rapidi, vibrazioni casuali, variazioni di umidità, e altri fattori che comportano un invecchiamento prematuro del dispositivo sotto test. Gli HALT test condotti da Recom prevedono il prelievo casuale di un numero prefissato di campioni da ogni lotto di produzione, che vengono successivamente sottoposti ai test per un periodo di 1000 ore. I risultati di questi test delineano in modo accurato il "design lifetime" del prodotto. Nel caso particolare degli alimentatori per guide DIN della serie REDIN, Recom ha raggiunto un design lifetime superiore a 85000 ore, corrispondenti a 10 anni di funzionamento ininterrotto.

L'immagine seguente mostra due moduli della serie REDIN sottoposti a un ciclo di test di 1000 ore con temperatura pari a 85 °C e umidità dell'aria pari al 95%. I risultati prodotti da questi e da altri test consentono di analizzare accuratamente la qualità della progettazione e garantire un elevato livello di affidabilità del prodotto.

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L'importanza dell'immagine termica

La maggiorparte dei quadri di controllo, cioè le unità dove vengono normalmente alloggiati i moduli di alimentazione REDIN, presentano solitamente una circolazione dell'aria molto limitata, e di conseguenza la temperatura al loro interno si mantiene sempre molto elevata. Per gli alimentatori destinati a un'installazione all'interno di quadri elettrici di controllo è perciò fondamentale progettare il dispositivo in modo tale che vi sia una distribuzione uniforme del calore all'interno del modulo. Utilizzando delle telecamere a immagine termica è possibile rilevare e individuare dei difetti nella progettazione del circuito già durante i primissimi stadi dello sviluppo, e apportare di conseguenza le correzionin necessarie.

Le immagini seguenti sono riferite al PCB di un modulo alimentatore AC/DC, ripreso con telecamera a immagine termica. A sinistra è visibile un dispositivo non omogeneo, in cui un fenomeno di riflessione fa apparire il trasformatore (collocato in basso al centro) più caldo di quanto effettivamente sia. Inoltre, la superficie metallica del condensatore elettrolitico appare più fredda di quanto realmente sia. A destra è invece visibile un dispositivo omogeneo, in cui la distribuzione del calore è notevolmente più bilanciata.

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Durante l'analisi del PCB condotta tramite utilizzo della telecamera a immagine termica può capitare che alcuni componenti mostrino inizialmente una distribuzione del calore con un pattern poco rappresentativo. Ciò potrebbe essere dovuto alle loro specifiche strutture superficiali, oppure ad altri fattori. Questo è proprio uno dei motivi per i quali il PCB deve essere inizialmente reso "omogeneo", operazione che viene eseguita applicando un apposito rivestimento protettivo nero sui punti di saldatura. Questa operazione ha lo scopo di eliminare ogni forma di riflessione che potrebbe distorcere l'immagine. Inoltre, le sorgenti di luce esterne devono essere completamente eliminate, in quanto il loro contributo nel campo infrarosso potrebbe sfalsare le misurazioni. E' perciò consigliabile collocare il modulo sotto test all'interno di una scatola nera, dove possa essere completamente schermato da ogni sorgente esterna.

Un ulteriore problema deriva dal fatto che la distribuzione di temperatura all'interno del contenitore può variare considerevolmente in funzione della temperatura ambiente e del carico. E' perciò opportuno eseguire diverse misure in camera climatica, con differenti valori di carico e temperature operative. Questo approccio, tuttavia, non risolve un altro problema. I pannelli di vetro tradizionali, infatti, presentano un comportamento isolante, distorcendo l'immagine soprattutto alle temperature comprese tra 20 °C e 100 °C, cioè il più comune range di utilizzo. I produttori che intendono analizzare in dettaglio le prestazioni termiche dei loro prodotti devono pertanto disporre non solo di una telecamera a immagine termica (costo circa 30000 euro), ma anche di una camera climatica equipaggiata con pannelli di vetro speciali.

Le misure con immagini termiche hanno lo scopo di trovare il punto più freddo all'interno del contenitore, in modo da collocarvi il condensatore elettrolitico (e-cap). Grazie alla loro elevata capacità, i condensatori elettrolitici sono componenti indispensabili negli alimentatori e nei convertitori, in quanto sono in grado di immagazzinare temporaneamente elevate quantità di energia. L'elettrolita, tuttavia, evapora con il tempo, e questo processo accelera con il crescere della temperatura. Questo è il motivo per cui l'e-cap è il componente più critico, quello che determina l'affidabilità e la durata di un alimentatore.

Per i suoi nuovi alimentatori per barre DIN, Recom utilizza soltanto e-cap con elevato grado di temperatura, approvati per temperature fino a 105 °C, e rinomati per la loro durata. Inoltre, Recom seleziona componenti con una tensione operativa maggiore di quella effettivamente richiesta, con l'obiettivo di prolungare ulteriormente la vita del componente.

Conclusioni

I nuovi alimentatori per barre DIN della serie REDIN sono contraddistinti da una tecnologia sofisticata, e presentati a un prezzo molto competitivo. I moduli sono disponibili con potenze di 45W (REDIN45) e 60W (REDIN60), tensioni di uscita a 12 VCC e 24VCC, e grado di isolamento pari a 3,75 kVAC/min. Gli alimentatori sono equipaggiati con terminali robusti in grado di ospitare cavi con sezione fino a 4 mm², e sono caratterizzati da un elevato livello di efficienza (superiore a 87%). Grazie anche alla progettazione ottimizzata sotto il profilo termico, i moduli sono in grado di operare fino a un'altitudine pari a 5000 m, dove l'aria è più rarefatta e la sua funzione di raffreddamento diminuisce conseguentemente.

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Come ben visibile in questa immagine, gli alimentatori Recom per barre DIN della serie REDIN hanno la possibilità di montaggio sia verticale (a destra nell'immagine) che orizzontale (a sinistra nell'immagine), offrendo la più ampia flessibilità di installazione, in base anche alle specifiche esigenze di raffreddamento e di disponiblità di spazio.

Riferimenti

www.recom-electronic.com

www.recom-international.com/products-menu/redin.html

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