औद्योगिक स्वचालन प्रणालियों के डिजाइनरों को बढ़ती चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। इस तरह के उपकरण बढ़ते रैक बढ़ते आकार और थर्मल बाधाओं को बढ़ा सकते हैं। कठोर औद्योगिक वातावरण में, जहां संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को कसकर विनियमित वोल्टेज की आवश्यकता होती है, ग्राहक उच्च प्रदर्शन और कार्यक्षमता की मांग करते हैं। इस दो-भाग श्रृंखला के भाग 1 में, हम औद्योगिक बिजली की आपूर्ति और सामान्य समाधानों से जुड़े ट्रेडऑफ पर परस्पर विरोधी मांगों का पता लगाएंगे।
परिचय
औद्योगिक स्वचालन प्रणाली डिजाइन अद्वितीय चुनौतियों को प्रस्तुत करता है। वास्तव में, यह परस्पर विरोधी मांगों की कहानी है। हाउस सिस्टम घटकों जैसे प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर्स (PLCs) और I/O मॉड्यूल जैसे कम लागत वाले मॉड्यूलर रैक का परिचय इंजीनियरों और समाधानों पर गंभीर स्थान और थर्मल बाधाओं को रखता है। इन चुनौतियों को गंदगी, आर्द्रता और कंपन के लिए अतिसंवेदनशील कठोर वातावरण में अत्यधिक विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करने की आवश्यकता से जटिल है।
इसके अलावा, ग्राहक बिजली की खपत, उपकरण आकार, गर्मी उत्पादन और लागत को बढ़ाने के बिना, स्वचालन प्रणालियों की बाद की पीढ़ियों में बढ़ी हुई कार्यक्षमता की उम्मीद करते हैं। इस तरह के संवर्द्धन अक्सर इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रगति पर आधारित होते हैं, लेकिन अक्सर एक कीमत पर आते हैं: वोल्टेज के स्तर में सख्त बिजली सहिष्णुता और वृद्धि जो कम-से-सही बिजली की आपूर्ति से आने के दौरान स्थिर रहना चाहिए।
हालांकि, इंजीनियर एक बिजली की आपूर्ति को डिजाइन करने में मूल्यवान परियोजना समय खर्च नहीं करना चाहते हैं जो ग्राहकों द्वारा किसी का ध्यान नहीं जाता है और अक्सर मूल्यवान स्थान की बर्बादी माना जाता है। इसके बजाय, इंजीनियर उन चीजों पर ध्यान केंद्रित करना पसंद करता है जो स्पष्ट रूप से प्रतियोगिता से उसके स्वचालन प्रणाली को अलग करती हैं।
सेमीकंडक्टर आपूर्तिकर्ताओं ने एक डिवाइस में बिजली की आपूर्ति के कई प्रमुख कार्यों को एकीकृत करने वाले मॉड्यूल की शुरुआत करके औद्योगिक स्वचालन प्रणाली डिजाइनरों की परस्पर विरोधी जरूरतों का जवाब दिया है। हालांकि, औद्योगिक स्वचालन प्रणालियों द्वारा उपयोग किए जाने वाले 12, 24, या 48VDC आपूर्ति द्वारा संचालित होने के लिए डिज़ाइन किए गए मॉड्यूल को या तो वोल्टेज क्लैंप द्वारा संरक्षित किया जाना चाहिए या वोल्टेज स्पाइक्स का सामना करने के लिए एसिंक्रोनस स्विचिंग तकनीकों का उपयोग करना चाहिए जो मुख्य आपूर्ति को कम करते हैं। दोनों समाधानों में बड़े, अधिक महंगे और कम कुशल पावर सिस्टम होते हैं - वास्तव में सिस्टम इंजीनियर क्या से बचने की कोशिश कर रहे हैं।
यह एप्लिकेशन नोट औद्योगिक नियंत्रण नियामकों पर हमारी दो-भाग श्रृंखला का भाग 1 है। यहां, हम औद्योगिक नियंत्रण आर्किटेक्चर और बिजली की आपूर्ति आर्किटेक्चर पर चर्चा करते हैं जो उन्हें अद्वितीय बनाते हैं, एक डिजाइन चुनौती। इस श्रृंखला के भाग 2 में, हम अगली पीढ़ी के बिजली उपकरणों पर चर्चा करेंगे जो नवीनतम सिलिकॉन फैब्रिकेशन तकनीकों का उपयोग करते हैं जो अभिनव चिप डिजाइनों के साथ संयुक्त हैं।
औद्योगिक नियंत्रण वास्तुकला
जबकि 24VDC अधिकांश औद्योगिक नियंत्रण अनुप्रयोगों (विशेष रूप से पीएलसी का उपयोग करने वाले) के लिए वास्तविक वोल्टेज बन गया है, 12VDC भी सामान्य है और इसे अक्सर बैटरी बैकअप वोल्टेज के रूप में उपयोग किया जाता है या वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों जैसे कि फोटोवोल्टिक (पीवी) पैनल द्वारा प्रदान किया जाता है। ईथरनेट (पीओई) पर बिजली के हालिया परिचय ने भी औद्योगिक स्वचालन निर्माताओं को मानक में निर्दिष्ट 48VDC आपूर्ति द्वारा संचालित उपकरणों को डिजाइन करने के लिए प्रोत्साहित किया है। 24VDC बिजली की आपूर्ति का उपयोग करके एक विशिष्ट औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली को चित्र 1 में दिखाया गया है।
चित्रा 1। विशिष्ट औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली।
सिस्टम में सेंसर से जानकारी प्राप्त करने या एक्ट्यूएटर्स, मल्टी-चैनल डिजिटल इनपुट, मल्टी-चैनल एनालॉग इनपुट और आउटपुट, संचार कार्यों, और एक प्रोसेसर (सीपीयू) को एक डिजिटल बस के माध्यम से जुड़े एक एक्ट्यूएटर्स, मल्टी-चैनल डिजिटल इनपुट, मल्टी-चैनल एनालॉग इनपुट और आउटपुट भेजने के लिए I/O मॉड्यूल शामिल हैं। PLC आमतौर पर कंप्यूटिंग शक्ति प्रदान करता है। पावर को उपयोगिता से आपूर्ति की जाती है, 24VDC पर कदम रखा जाता है, और बैकप्लेन के माध्यम से वितरित किया जाता है।
सिस्टम की बिजली की आपूर्ति पर एक करीबी नज़र विभिन्न सिस्टम घटकों द्वारा आवश्यक विभिन्न वोल्टेज और वर्तमान स्तरों के कारण अधिक जटिलता का खुलासा करती है। चित्रा 2 पावर आर्किटेक्चर का एक छोटा सा हिस्सा दिखाता है। 120VAC/230VAC मुख्य बिजली की आपूर्ति शुरू में एक मानक 12VDC या 24VDC सिस्टम बैकप्लेन बिजली की आपूर्ति के लिए एक औद्योगिक बिजली मॉड्यूल का उपयोग करके नीचे कदम रखा गया है। सिस्टम स्तर पर, इस बैकप्लेन वोल्टेज को व्यक्तिगत घटकों द्वारा आवश्यक निचले वोल्टेज स्तर तक नीचे ले जाया जाता है।
चित्रा 2। एक औद्योगिक स्वचालन प्रणाली की बिजली वास्तुकला का हिस्सा।
उदाहरण के लिए, एक पीएलसी में माइक्रोप्रोसेसर, डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (डीएसपी), और फील्ड-प्रोग्रामेबल गेट एरे (एफपीजीए) शामिल हो सकते हैं। इन उपकरणों को 5V से 1V की वोल्टेज रेंज की आवश्यकता होती है। हालांकि, पूरे पीएलसी को वर्तमान के 3.5a तक की आवश्यकता हो सकती है। इसी तरह, मल्टी-चैनल एनालॉग I/O मॉड्यूल को विभिन्न एम्पलीफायरों, एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (ADCs), और मल्टीप्लेक्सर्स (MUX) के लिए 500mA तक की धाराओं के साथ ± 15V और 5V आपूर्ति की आवश्यकता होती है।
मामलों को जटिल करने के लिए, डिजाइनरों को क्षणिक वोल्टेज स्पाइक्स ("ओवरवॉल्टेज") पर विचार करने की आवश्यकता होती है जो वितरण नेटवर्क पर बिजली के हमलों जैसे या तेजी से स्विचिंग भारी भार जैसी घटनाओं के माध्यम से बिजली की आपूर्ति को प्रभावित करते हैं जो औद्योगिक ऑटोमेशन सिस्टम के समान पावर सर्किट साझा करते हैं। वोल्टेज स्पाइक्स भी बिजली की आपूर्ति वास्तुकला में भी हो सकते हैं, उदाहरण के लिए, जब एक बिजली की आपूर्ति मॉड्यूल आपूर्ति वोल्टेज को 12VDC या 24VDC तक नीचे ले जाती है, खासकर स्विच-मोड प्रकार के उपकरणों का उपयोग करते समय।
ये ओवरवॉल्टेज इवेंट इतने सामान्य हैं कि इंटरनेशनल इलेक्ट्रोकेमिकल कमीशन (IEC) जैसे संगठनों ने सलाह दी है कि इंजीनियरों ने उन्हें झेलने के लिए अपने सिस्टम को डिजाइन किया है। उदाहरण के लिए, IEC 60664, जो कम-वोल्टेज (1KVAC और 1.5KVDC) सिस्टम में इन्सुलेशन समन्वय से संबंधित है, बताता है कि उपयोगिता-व्युत्पन्न 24VDC आपूर्ति द्वारा संचालित "क्लास II" उपकरण (औद्योगिक स्वचालन में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों के प्रकार) को डिज़ाइन किया जाना चाहिए 60V तक के ओवरवॉल्टेज का सामना करने के लिए।
डीसी-डीसी वोल्टेज विनियमन मूल बातें
डीसी-डीसी वोल्टेज रूपांतरण (या "विनियमन") बड़ा व्यवसाय है, और अर्धचालक आपूर्तिकर्ताओं ने सभी अनुप्रयोगों के लिए उत्पादों की एक विस्तृत श्रृंखला विकसित करने में भारी निवेश किया है। उपकरणों को दो समूहों में विभाजित किया जाता है: कम ड्रॉपआउट नियामक (LDOS), जिन्हें रैखिक नियामकों के रूप में भी जाना जाता है; और स्विचिंग नियामकों।
जब एप्लिकेशन की ऑपरेटिंग विशेषताओं से सावधानीपूर्वक मिलान किया जाता है, तो स्विचिंग नियामक आमतौर पर LDOS की तुलना में एक विस्तृत इनपुट वोल्टेज रेंज पर अधिक कुशल होते हैं। इसके अलावा, स्विचिंग नियामक आसानी से ("बूस्ट"), स्टेप डाउन ("बक"), और इनवर्ट वोल्टेज को बढ़ा सकते हैं। (ध्यान दें कि औद्योगिक स्वचालन प्रणाली बिजली की आपूर्ति के कुछ हिस्सों में इनवर्टिंग वोल्टेज की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, एलडीओएस केवल वोल्टेज को नीचे ले जा सकते हैं।
स्विचिंग नियामकों में आसानी से उपयोग किए जाने वाले LDOS पर एक नुकसान होता है: नियामक का डिजाइन अधिक जटिल है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उच्च आवृत्ति स्विचिंग संचालन द्वारा उत्पन्न वोल्टेज और वर्तमान लहरों को कम करने के लिए आउटपुट फ़िल्टरिंग की आवश्यकता होती है। यह संवेदनशील चिप्स के लिए समस्याओं का कारण बनता है और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) उत्पन्न करता है। इसके बावजूद, कई समकालीन अनुप्रयोगों को डिजाइन करने वाले इंजीनियर स्विचिंग नियामकों को तेजी से बढ़ाते हैं।
स्विचिंग नियामकों के संचालन की कुंजी मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFETs) का उपयोग स्विचिंग डिवाइस के रूप में है। जब MOSFET चालू होता है, तो वर्तमान लोड और एक बाहरी प्रारंभ करनेवाला दोनों को प्रवाहित करता है जो ऊर्जा को संग्रहीत करता है। जब MOSFET बंद हो जाता है, तो इंडक्टर लोड को अपनी संग्रहीत ऊर्जा प्रदान करता है।
पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन (पीडब्लूएम) का उपयोग आमतौर पर आउटपुट वोल्टेज को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। आवृत्ति को स्थिर रखा जाता है और पल्स चौड़ाई ("समय पर") को वांछित वोल्टेज प्रदान करने के लिए समायोजित किया जाता है। नियामक की उच्च-आवृत्ति स्विचिंग इनपुट और लोड की एक सीमा पर अपेक्षाकृत स्थिर वोल्टेज आउटपुट को बनाए रखते हुए सिस्टम में नुकसान को सीमित करती है।
एक एसिंक्रोनस टोपोलॉजी स्विचिंग रेगुलेटर (चित्रा 3) में, प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत ऊर्जा और फिर MOSFET ऑफ साइकिल के दौरान लोड में स्थानांतरित कर दिया जाता है, जो सीधे लोड में नहीं प्रवाहित होता है। इसके बजाय, यह एक बाहरी Schottky डायोड के माध्यम से प्रचारित किया जाता है। यदि प्रारंभ करनेवाला अपेक्षित लोड के आधार पर चुना जाता है, तो स्विचिंग नियामक निरंतर चालन मोड में काम करेगा, इस प्रकार एक स्थिर विनियमित वोल्टेज प्रदान करेगा।
चित्रा 3। एसिंक्रोनस हिरन नियामक सर्किट।
इन स्विचिंग नियामकों की अंतिम दक्षता दो मुख्य कारकों द्वारा निर्धारित की जाती है: बाहरी शोट्की डायोड के फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप और डिवाइस की रिवर्स रिसाव वर्तमान विशेषताओं। आधुनिक उपकरणों में, फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप लगभग 0 की सीमा के करीब पहुंच रहा है। 3V। यह ज्यादा नहीं लगता है, लेकिन यह निरंतर डिवाइस की खपत और कम दक्षता को कम करता है।
MOSFET के साथ Schottky डायोड को बदलने से दक्षता में सुधार होता है क्योंकि मूल डायोड की तुलना में आगे वोल्टेज (और नुकसान) को कम रखने के लिए ट्रांजिस्टर के ऑन-प्रतिरोध (आर पर) को उन्नत निर्माण तकनीकों का उपयोग करके कम किया जा सकता है। इस सर्किट में दो MOSFETs के संचालन को सिंक्रनाइज़ किया जाना चाहिए ताकि एक का संचालन हो और दूसरा बंद हो जाए।
चित्रा 4। सिंक्रोनस हिरन नियामक सर्किट।
तथाकथित तुल्यकालिक नियामक के दूसरे MOSFET को मॉड्यूल में एकीकृत किया जा सकता है। बाहरी Schottky डायोड को खत्म करने के अलावा, यह सरल हैसर्किट डिजाइनऔर सामग्री के बिल (BOM) को कम करता है।
सिंक्रोनस रेगुलेटर डिज़ाइन का एक साइड इफेक्ट यह है कि दो MOSFETS (यानी, इंडक्टिव लॉस को दोहरीकरण) के स्विचिंग ऑपरेशन के कारण, इंडक्टर में दोनों दिशाओं में वर्तमान प्रवाह होता है। इसकी तुलना एसिंक्रोनस प्रकार में यूनिडायरेक्शनल प्रवाह से की जाती है। सिंक्रोनस नियामकों में, नुकसान आमतौर पर छोटे होते हैं, लेकिन कम भार पर बड़े हो जाते हैं जब डिवाइस की दक्षता समान अतुल्यकालिक प्रकार की तुलना में कम हो सकती है।
प्रमुख अर्धचालक आपूर्तिकर्ताओं ने विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके इस कमी को संबोधित किया है। उदाहरण के लिए,कहावतएकीकृतकी एक श्रृंखला पेश की हैउच्च वोल्टेजसिंक्रोनस रेगुलेटर, जैसे कि MAX17503, एक मोड फ़ंक्शन के साथ, जिसका उपयोग डिवाइस को ऑपरेशन के तीन चयन योग्य मोड में संचालित करने के लिए किया जा सकता है: PWM, पल्स-फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन (PFM) और डिसकंटिन कंडक्शन मोड (DCM)। DCM कम भार पर दक्षता में सुधार करने के लिए रिवर्स इंडिक्टर करंट को भी समाप्त करता है, लेकिन दालों को नहीं छोड़ता है। यह डीसीएम को आवृत्ति संवेदनशील अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है।
सारांश
उच्च-वोल्टेज, उच्च-आउटपुट-वर्तमान तुल्यकालिक नियामक कॉम्पैक्ट, कुशल और आसान-से-डिज़ाइन पावर मॉड्यूल के लिए औद्योगिक स्वचालन की जरूरतों को पूरा करते हैं। कई कारकों ने औद्योगिक शक्ति दुविधा में योगदान दिया है, लेकिन उच्च-वोल्टेज सिंक्रोनस रेगुलेटर आर्किटेक्चर जो सभी जरूरतों को पूरा करते हैं, अब उपलब्ध हैं। जबकि उपयुक्त घटकों का वर्तमान चयन सीमित है, एक विशिष्ट प्रणाली के सभी डीसी-डीसी वोल्टेज रूपांतरण आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए सीमा का विस्तार जारी है, जिसमें कुछ सौ मिलीमीटर से लेकर कई एम्प्स तक पावर आउटपुट शामिल हैं। भाग 2 में, हम चर्चा करेंगे कि कैसे सिंक्रोनस नियामकों में नए नवाचार बिजली की खपत चुनौती को हल करने में मदद कर रहे हैं।