RACM1200-V: da RECOM un alimentatore ad alta densità di potenza da 1200W

RECOM ha lanciato un alimentatore AC/DC da ben 1200 W, senza ventola: il modello ad alta efficienza RACM1200-V.

Prodotto in Europa, esso possiede tutte le approvazioni per le applicazioni in campo medico. Oggi sono sempre di più le applicazioni che richiedono una grande potenza. Nella robotica industriale e nel settore medico l’esigenza di alta potenza è un fattore sempre più importante e necessario.

Alimentatore integrato: finalmente c’è la soluzione

Ogni sviluppatore attende con impazienza il momento in cui il suo prototipo è, finalmente, completo e funzionante. La progettazione interna di un alimentatore spesso non è un’opzione considerabile, sia per motivi di tempi che di approvazioni di sicurezza, in questi casi meglio preferire prodotti di terze parti. Sebbene sul mercato non manchino tali prodotti, l’identificazione dei componenti giusti si rivela spesso più complicata del solito.

Lo sviluppatore deve sapere in anticipo per quanto tempo un alimentatore deve funzionare in totale sicurezza e senza manutenzione.

Finalmente RECOM mette a disposizione un nuovo alimentatore integrato, con una potenza di uscita eccezionalmente elevata, il modello RACM1200-V, che promette di soddisfare qualsiasi tipologia di esigenza, anche quella più critica e gravosa, in quanto si può utilizzare anche in ambienti difficili.

Per RECOM il fattore sicurezza è una priorità assoluta, prima ancora di altri fattori importanti come l’efficienza, la potenza e la protezione dalle interferenze.

Quando sono necessari i 1200 W di potenza?

1200 watt sono una potenza elevata per un convertitore AC/DC, il quale deve essere in grado di lavorare al massimo dell’efficienza, in modo da non sprecare energia.

Quali sono, generalmente, le applicazioni che richiedono così tanta potenza e perché un solo alimentatore è meglio di tanti più piccoli?

Innanzitutto vi è indiscutibilmente un miglioramento delle performance.
L’efficienza operativa di un singolo AC/DC ad alta potenza è sicuramente maggiore rispetto a quella di più convertitori a bassa potenza con le stesse prestazioni complessive.

Ogni alimentatore, infatti, deve anche “autoalimentarsi” e questo consumo di energia, pur essendo abbastanza basso, si somma a quello degli altri alimentatori. Ad esempio, se un rack di apparecchiature è alimentato da dodici singoli alimentatori da 100 W o da un singolo alimentatore da 1200 W e il consumo energetico è di 2 W per ogni convertitore, la perdita totale per i dodici convertitori AC/DC sarà di 24 W, ma solo 2 W per il convertitore singolo da 1200 W (vedi esempio in figura 1). Il consumo energetico interno è continuo per i sistemi sempre attivi, rappresentando una differenza annua di quasi 200 kWh.

Figura 1: un alimentatore dxa 1200 W è più efficiente di dodici alimentatori da 100 W

Maggiore è il numero di carichi e più elevato risulta il risparmio energetico che si ottiene utilizzando un solo alimentatore grande piuttosto che molti più piccoli.

Una possibile applicazione è quella rappresentata dai grandi display informativi posti sulle autostrade o dalle insegne pubblicitarie.

Essi utilizzano LED ad alta luminosità alimentati da un alimentatore AC/DC a tensione costante. Con queste soluzioni è molto semplice espandere le dimensioni del display, aggiungendo moduli supplementari. Per risultare leggibili alla luce del sole, i display a LED devono essere ad altissima intensità, per cui il loro consumo totale di energia potrebbe facilmente superare il kW.

Un altro esempio di applicazione industriale in cui è necessaria una potenza di circa 1 kW sono i motori in robotica. Essi sono sempre più utilizzati per il posizionamento delle parti, per la saldatura, per il sollevamento di carichi pesanti e per l’assemblaggio di precisione.

I robot utilizzano motori passo-passo che offrono sia una coppia elevata che un controllo di posizionamento molto preciso. I relativi controller richiedono, in genere, un’alimentazione a 36 V o 48 V CC per una potenza di 600 W-1200 W. In queste applicazioni, il raffreddamento a ventola costituisce spesso un problema, per questo gli alimentatori devono essere raffreddati tramite una piastra di base.

I Robot trovano sempre più impiego anche nelle applicazioni mediche, assistendo i chirurghi in operazioni delicate o aiutando i pazienti nella riabilitazione. Pertanto, le articolazioni e i bracci meccanici devono essere molto robusti e richiedono motori passo-passo ad alta potenza per potersi muovere in modo fluido e preciso.

Occorre, dunque, un sistema di alimentazione di potenza elevata, senza ventola (per motivi igienici), compatto e con raffreddamento a piastra e che soddisfi lo standard di sicurezza dei dispositivi medici IEC/EN o ANSI/AAMI 60601-1 (terza edizione).

Un altro esempio potrebbe essere costituito dall’alimentatore intelligente (con microcontrollore): un sistema controllabile a distanza, compreso lo spegnimento remoto per ridurre il consumo di energia in stand-by, e capace di proteggersi da condizioni di guasto sia interne che esterne e segnalare i guasti all’operatore. Il microcontrollore può accedere al circuito di feedback per controllare e regolare la tensione di uscita, la potenza e la corrente in un determinato intervallo. Il monitoraggio digitale consente inoltre la personalizzazione dei parametri di controllo.

Alimentatori medicali: il primo requisito è la massima sicurezza

L’elettronica sanitaria è spesso considerata un sottoinsieme dell’elettronica per il quale gli standard di progettazione sono elevatissimi, così come molto rigidi sono i parametri di riferimento in termini di affidabilità e sicurezza.

I progettisti e i produttori di apparecchiature mediche certificate ne sono ben consapevoli, proprio per questo, nel settore medicale non è possibile cercare scorciatoie o compromessi per risparmiare risorse e tempi di produzione. È evidente come un alimentatore collegato a un respiratore medicale non possa assolutamente spegnersi o interrompere l’erogazione di energia.

RACM1200-V (figura 2) è stato progettato tenendo in considerazione proprio questi presupposti ed è fornito di tutte le certificazioni necessarie.

Un alimentatore certificato per uso medico può essere usato in applicazioni industriali, ma non viceversa!

Figura 2: il nuovo alimentatore da 1200 W, il modello RACM1200-V

Le apparecchiature mediche possono essere alimentate dalla rete AC o, come accade sempre più frequentemente, da una batteria interna. In entrambi i casi la protezione contro le scosse elettriche è fondamentale.

Gli alimentatori di grado medico hanno caratteristiche particolari che si adattano all’ambiente sanitario e devono risultare sicuri in qualsiasi situazione. Le funzionalità del prodotto e i parametri di monitoraggio possono essere impostati dalla fabbrica, nel firmware.

Recom RACM1200-V: non solo un alimentatore medicale

Il RACM1200-V è dotato di due uscite aggiuntive, in modo da non utilizzare alimentatori aggiuntivi per altre determinate applicazioni. Esso è dotato di un’uscita per ventola di sistema regolabile da 12 V e di un’uscita in stand-by da 5 V e 1 A.

Grazie all’elevato isolamento di ben 4 kVAC tra la tensione di rete e le tensioni di uscita, il RACM1200-V può essere utilizzato praticamente in tutte le aree in cui è richiesta un’alimentazione, ad esempio:

  • caricabatterie
  • sistemi di illuminazione a LED
  • apparecchiature laser
  • strumenti analitici
  • dispositivi di alta frequenza
  • robot

L’utilizzo di un alimentatore Recom certificato è uno dei presupposti per ottenere la conformità e la strada per accelerare il processo di certificazione del prodotto finale e ridurre i costi di sviluppo.

Recom RACM1200-V: Alimentatore ad alto isolamento

Il RACM1200-V fornisce l’isolamento certificato 2MOPP (MOPP = Means of Patient Protection) e prevede una corrente di dispersione minima (corrente di dispersione massima del paziente: 100 uA NC, condizione normale e 500 uA SFC, condizione di guasto singolo), confermando la conformità agli standard di sicurezza del paziente, relativamente alle apparecchiature tecniche mediche.

Le uscite di segnale e l’uscita a 5 V garantiscono un isolamento pari a 1,5 kVAC dalla tensione di rete per applicazioni PoE. L’alimentatore è dotato di un filtro EMC integrato che soddisfa i requisiti della norma EN 55032:2015 Classe B per le interferenze irradiate e legate alla linea. Il RACM1200-V, inoltre, è conforme a tutti gli standard di sicurezza internazionali sulle applicazioni industriali, sui prodotti IT e sulle apparecchiature tecniche mediche.

Caratteristiche meccaniche ed elettriche dell’alimentatore Recom RACM1200-V

L’alimentatore Recom RACM1200-V soddisfa i requisiti di Ecodesign grazie a un consumo energetico, in stand-by, minore di 1 W e rispetta, inoltre, i limiti delle emissioni EMI irradiate e condotte. È alloggiato in un case di metallo alto 40 mm, lungo 229mm e largo 102mm, ha un peso di circa 1 kg e dissipazione del calore per contatto. La tensione di ingresso è compresa tra 85 VAC e 264 VAC e garantisce un’uscita continua fino a 1000 W.

Quando, ad esempio, un robot assiste il chirurgo in sala operatoria, esso deve spostarsi nelle posizioni desiderate con molta precisione e senza vibrazioni.

I bracci robotici rigidi con motori passo-passo devono, pertanto, essere caratterizzati da una coppia molto alta, dal momento che anche il consumo energetico è considerevolmente elevato. Per un massimo di 10 secondi, la potenza in uscita potrebbe anche essere di 1200 W.

Per una potenza continua di 1200W, l’alimentatore deve comunque essere dotato di una ventola che assicuri un flusso d’aria di 2.5 m/s attraverso l’unità.

Questo è il motivo per cui esso è dotato di un’uscita ausiliaria controllabile per la gestione della temperatura. Un dato molto importante è rappresentato dalla sua efficienza che, in questo caso, raggiunge il 95%. La figura 3 mostra i grafici relativi all’efficienza e al fattore di potenza. Questo alimentatore da 1200 W risulta più efficiente di dodici moduli da 100 W.

Figura 3: i grafici relativi all’efficienza e al fattore di potenza del modello RACM1200-V

Per quanto riguarda le tensioni di uscita, quella a 24 V può essere regolata, tramite un DIP switch, a passi di 100 mV fino a un massimo di 28V, mentre quella da 48 V può essere regolata, sempre tramite un DIP switch, a passi di 200 mV fino a un massimo di 56 V. La corrente di uscita massima è di 50 A a 24 V e di 25 A a 48V.

L’intervallo di temperatura di esercizio è compreso tra -40° C e +80° C. Il massimo tasso di ondulazione della tensione di uscita (ripple) è del 1% della tensione di uscita.

La tolleranza della tensione di uscita è tipicamente del 1% a 25° C e del 2% a temperature più alte. È conforme agli standard IEC/EN 62368, UL/IEC/EN 60601, IEC/EN 61558-2-16, IEC61010-1 e OVC III IEC62477-1 fino a 2000 m. La massima altitudine operativa è di 5000 m (IEC/EN62368-1) e 4000 m (IEC/EN60601).

Prevede, inoltre, una tensione di uscita ausiliaria isolata di 5 V e 1 A e alcuni indicatori LED dello stato operativo, per garantire facilità d’uso e per una maggiore sicurezza operativa. È possibile accenderlo e spegnerlo da remoto, con ingresso TTL. La tensione di uscita è controllata con precisione; allo scopo di eliminare eventuali cali di tensione nelle linee elettriche (vedi schema di cui alla figura 4), l’alimentatore è dotato di rilevamento della tensione di uscita principale a distanza, in base al quale due linee aggiuntive di rilevamento misurano e controllano la tensione di uscita in un determinato punto.

Il RACM1200 può fornire la sua piena potenza di 1200 W per un massimo di dieci secondi, anche a temperature ambiente elevate o senza raffreddamento a ventola, mentre 800 W è il limite di potenza continua. Tuttavia, se il sovraccarico è continuo, la temperatura ambiente è troppo alta o l’uscita è in cortocircuito, l’alimentatore si proteggerà da solo spegnendosi o entrando in protezione da cortocircuito a singhiozzo, ripristinandosi automaticamente quando il cortocircuito viene rimosso.

La temperatura del lato di uscita è monitorata dal microcontrollore: se dovesse superare il limite di progettazione, il microcontrollore tenterà di ridurre la potenza di uscita per mantenere in funzione l’alimentatore. In questi casi il microcontrollore attiva un pin di uscita per avvisare che l’alimentatore è in sovraccarico e che è imminente uno spegnimento per sovratemperatura.

Figura 4: il rilevamento remoto per la tensione di uscita principale

Sistemi di protezione dell’alimentatore Recom RACM1200-V

Un alimentatore dalle alte prestazioni, come il modello RACM1200-V di RECOM non può che avere sofisticati sistemi di protezione per l’uscita principale e le tensioni ausiliarie, in questo caso implementati per mezzo di un microprocessore integrato, nello specifico:

  • protezione da sovraccarico con ripristino automatico
  • protezione da sovracorrente
  • protezione da cortocircuito con ripristino automatico
  • protezione da sovra-temperatura con riavvio automatico

PMBus (Power Management Bus)

Il RACM1200-V di RECOM mette a disposizione dell’utente un’interfaccia per il controllo e il monitoraggio dei dati operativi. È il Power Management Bus (vedi PMBus in figura 5): uno standard aperto per un protocollo di gestione dell’energia digitale e risulta semplice, robusto ed estensibile. Oggi sono circa quaranta le aziende associate a PMBus che adottano, promuovono e migliorano questo standard.

Spesso gli utenti sono tentati a utilizzare un alimentatore in grado di fornire, in modo permanente, il picco di potenza più elevato previsto (corrente di carico peggiore).

Tuttavia, dimensionare il sistema in questo modo comporterebbe l’impiego di un alimentatore costoso, non efficiente e potenzialmente pericoloso poiché, in caso di guasto, la corrente eccessiva potrebbe innescare un incendio.

La scelta migliore, invece, è scegliere un alimentatore più piccolo, in grado di fornire un picco di potenza elevato per un breve periodo di tempo, ma che limiti anche la corrente in caso di guasto. In altre parole l’utilizzatore dovrebbe essere libero di programmare liberamente il comportamento del proprio alimentatore. È consigliabile, pertanto, un’interfaccia digitale rispetto ai controlli analogici.

Con l’intelligenza appropriata implementata nell’alimentatore e un bus dati adeguato disponibile, è possibile ottenere un monitoraggio molto semplice e affidabile di tutti i carichi collegati all’alimentatore.

Il PMBus (power management bus) permette di impostare i parametri di funzionamento dell’alimentatore. Ad esempio, un alimentatore può essere spento completamente quando non necessario, tensione e corrente di uscita possono essere regolate dinamicamente, oppure ancora, la velocità della ventola può essere regolata automaticamente in base all’uscita, riducendo anche il rumore acustico.

Il PMBus fornisce dati di stato in tempo reale: correnti, tensioni, potenza, temperatura e diagnostica, da queste informazioni, l’applicazione può prevedere condizioni di sovraccarico o sovratemperatura imminenti, anche prima che si verifichino.

Figura 5: PMBus (Power Management Bus)

Conclusioni

Il RACM1200-V di RECOM è un vero prodotto europeo: è progettato in Austria e realizzato in Europa, con un approccio davvero sostenibile, che consente di ridurre drasticamente le vie di trasporto e le catene di approvvigionamento. RECOM è molto fiera di questi nuovi alimentatori, la cui ampia gamma di funzioni programmabili, l’alta densità di potenza e il funzionamento senza ventola, rendono particolarmente adatti a un ampio ventaglio di applicazioni ad alte criticità, comprese quelle mediche.

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Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.