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Isolierte MagI³C Power Module kontrolliert den 24V Industrie Bus
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Maximale Eingangsspannung - Obergrenze
Für die Ableitung der maximalen Eingangsspannung muss die Industrieanlage (Abbildung 3) in ihre Funktionseinheiten zerlegt werden. Diese sind, die die elektrische Versorgung, der DC-Bus und die elektrischen Verbraucher. Die elektrische Versorgung selbst, z.B. Trafo-Stromversorgung ohne Nachregelung, wird mit 3x380VAC -15% / +20% versorgt, wobei es möglich ist, dass die Gleichstrombusspannung von den nominellen 24V abweicht. Außerdem verändern Spannungsschwankungen der Eingangswechselspannung durch entlastete, parallel geschaltete Wechselstrommotoren die Ausgangsspannung eines Transformatornetzteils.
Wie bereits erwähnt, sind die Versorgung und die Lasten über einen Gleichstrombus mit etwa 10 Metern Kabellänge verbunden. Diese Kabel können als Antenne fungieren und Störungen von benachbarten Impulslasten wie z.B. Frequenzumrichtern empfangen. Diese Störungen können dann auf den gesamten Gleichstrombus und jede angeschlossene Anwendung verteilt werden. Darüber hinaus kann die eingangsseitige physikalische Verbindung der verschiedenen Anwendungen selbst über den Gleichstrombus zu Interaktionen führen. Dazu gehören z.B. Spannungsspitzen durch induktiv induzierte Schalttransienten und rückgekoppelte Überspannungen von Gleichstrommotoren. Als Grundlage für die Erklärung des maximalen Eingangsspannungswertes sind zwei Parameter relevant:
Erstens, der Wert der maximalen Ausgangsspannung der elektrischen Stromversorgung, der technisch möglich ist. Zweitens, der maximale Spitzenwert eines Eingangsschutzelements für eine nominale 24V-Anwendung.
Jedes Schaltnetzteil oder Transformator-Netzteil hat einen oder mehrere Ausgangs-Elektrolytkondensatoren zur Stabilisierung und Filterung der Ausgangsspannung, siehe Abbildung 3. Diese Kondensatoren haben eine Nennspannung von 35V bei einer Ausgangsnennspannung von 24V. Die Norm IEC 60384-4, Kapitel 4.14 definiert Spitzenspannungen und ihre Frequenz für die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators, die ohne sichtbare Schäden am Kondensator oder eine Kapazitätsänderung von weniger als 15% angelegt werden können. Die tragbare Spitzenspannung ist auf das 1,15-fache der Nennspannung eingestellt. Dies führt zu einer 40,25V verkraftbaren Spitzenspannung für einen 35V-Kondensator.
Um den Eingang der Anwendung gegen transiente Überspannungen zu schützen, werden üblicherweise Suppressordioden (TVS) verwendet. Die Diode leitet, wenn die Durchbruchspannung VBR erreicht wird und die Energie des Impulses durch die Diode überbrückt wird und schützt so die Last. Es kann keine zerstörerische Spannung größer als die Klemmspannung VClamp der TVS anliegen.
Um eine 24V-Anwendung gegen Überspannungen zu schützen, ist die folgende grundlegende Richtlinie ein geeigneter Referenzpunkt:
Die Diode beginnt bei der maximalen Sperrspannung (VRMW) zu leiten, und der Strom ist mit nur wenigen µA vernachlässigbar. Daher müssen die nominale Betriebsspannung der Last und ihre Toleranzen über VRMW liegen. Für eine nominale 24V-Schiene ist eine TVS-Diode von Würth Elektronik mit 26V VRMW ein üblicher Wert. Wenn die Transientenspannung VBR erreicht, leitet die Diode und es fließt ein Strom von 1mA. Aufgrund der Technologie einer TVS-Diode hat die Durchbruchspannung eine Toleranz zwischen einem Minimal- und Maximalwert, daher kann ein genauer Auslösepunkt nicht definiert werden. Für unser 26V-VRMW-Beispiel haben wir den Bereich zwischen 28,9V und 31,9V. Die Diode ist in der Lage, die maximale Spannung VClamp zu sperren, während sie den maximal zulässigen Strom von Ipeak leitet. Für eine TVS-Diode mit einer 26V Rückwärtsspannung VRMW beträgt die Klemmspannung VClamp typischerweise 42,1V. Vergleicht man TVS-Dioden verschiedener Anbieter, so liegen die Kennwerte fast alle im gleichen Bereich.
Die TVS-Diode schützt ein DC/DC-Leistungsmodul im 24V-System vor Überschreitungen, die über die absoluten Spitzenwerte VINMAX hinausgehen. Im Allgemeinen gilt: Je höher dieser Wert angegeben wird, desto einfacher ist es, die richtige TVS-Diode und den Eingangsfilter zu entwerfen. Das bedeutet, dass es schwieriger ist, die richtige Diode zu finden, wenn die nominale Betriebs-Eingangsspannung nahe der maximalen Eingangsspannung VINMAX des Moduls liegt.
Zusammenfassend ist eine Spezifikation der maximalen Betriebseingangsspannung VIN des isolierten VISM SIP-8-Leistungsmoduls mit 42V ein geeigneter Wert, um den 40,25V- und 42,1V-Transienten standzuhalten, wie oben gezeigt wird.
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Die auf dem Markt üblichen isolierten Power Module liefern eine feste Ausgangsspannung. Das isolierte DC/DC Modul SIP-8 bietet einen einstellbaren Spannungsbereich, da es in einigen Fällen hilfreich ist, die Ausgangsspannung etwas höher als den Nennbetriebsspannungswert der Last einzustellen, damit sie z.B. gegen Spannungseinbrüche robuster ist. Daher kann auch der Stützkondensator der Last in seinem Kapazitätswert reduziert werden, da die Unterschreitung am Modulausgang geringer ist.
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