Ventajas del diseño del chasis NI PXI

Actuando como la estructura central de un sistema PXI, el chasis es comparable a la carcasa y tarjeta madre de una PC. Suministra energía y enfriamiento y proporciona un bus de comunicación y todos los instrumentos dentro de él. Además, también proporciona las capacidades de temporización, activación y sincronización que hacen que PXI sea tan potente para aplicaciones de pruebas automatizadas. Los chasis de NI cuentan con planos traseros de alto rendimiento y un paquete mecánico robusto y confiable. Disponible en tamaños que van desde dos hasta 18 ranuras, puede encontrar el chasis de NI adecuado para su aplicación, ya sea que necesite un sistema portátil, de laboratorio, de montaje en rack o embebido. Los chasis NI PXI Express son compatibles con los módulos PXI Express, PXI, CompactPCI Express y CompactPCI. En este artículo, conozca las siguientes características de diseño de NI que mejoran el rendimiento y la fiabilidad sobre otros chasis disponibles en el mercado:

• Rendimiento de enfriamiento—los chasis de NI superan los requisitos de refrigeración PXI Express, y muchos chasis pueden proporcionar 58 W u 82 W de refrigeración para módulos de alto rendimiento.
• Acústica—diseñada para minimizar las emisiones acústicas de su escritorio o laboratorio y reducir la cantidad de ruido eléctrico (EMI) transmitido a los módulos PXI para medidas sensibles.
• Fuentes de alimentación—las fuentes de alimentación del chasis PXI están personalizadas y NI mantiene la propiedad del diseño para fiabilidad y facilidad de servicio en todo el rango de temperatura de funcionamiento y el rango de entrada de AC sin reducción de energía.
• Temporización y sincronización—las funciones de reloj, bus y disparador de alto rendimiento simplifican la temporización en diferentes niveles de precisión y sincronización a múltiples bases de tiempo que abarcan desde un solo chasis hasta complejas arquitecturas multichasis.

Cada chasis PXI tiene una variedad de ranuras diferentes: la ranura del sistema, utilizada para el controlador integrado, ranuras periféricas, utilizadas para los módulos PXI Express, y ranuras híbridas que se utilizan para los módulos PXI o PXI Express. La especificación PXI Express (definida por la Alianza de Sistemas PXI) requiere un mínimo de 30 W de energía disponible para cada ranura periférica, pero no establece requisitos específicos sobre enfriamiento de los módulos. El chasis PXI de otros proveedores puede cumplir con las especificaciones de potencia mínima; en realidad, pueden tener una potencia y un rendimiento de enfriamiento dramáticamente diferentes debido a opciones de diseño específicas, como la posición del ventilador. Aunque estos proveedores afirman tener la capacidad de alimentar y enfriar más de 82 W, eso no es cierto para todas las ranuras, y a menudo requiere que el chasis se adhiera a advertencias limitantes o difíciles de lograr.

Los chasis NI PXI Express de última generación están diseñados y validados para cumplir o exceder los requisitos de enfriamiento de los módulos PXI más exigentes al suministrar al menos 58 W de enfriamiento a cada ranura dentro de un chasis PXI. Su capacidad de enfriamiento permite la máxima flexibilidad en la forma en que sus instrumentos se pueden colocar dentro de su chasis.

Además, algunos chasis NI PXI empujan aún más la capacidad de enfriamiento de la ranura y pueden proporcionar 82 W de enfriamiento a una sola ranura, lo que permite capacidades avanzadas de módulos de alto rendimiento, como digitalizadores, E/S digitales de alta velocidad y módulos de RF, en aplicaciones que pueden requerir adquisición continua o pruebas de alta velocidad. Los chasis PXI pueden variar en potencia total disponible, por lo que siempre es una buena práctica realizar un presupuesto de energía a nivel del sistema al configurar un nuevo sistema. El chasis PXI Express de nivel superior de NI soportará potencia y enfriamiento completos sin presupuesto de energía.

El chasis de NI puede soportar un chasis lleno completamente de instrumentos de mayor potencia que incluyen los siguientes tipos de módulos: 

• Instrumentos de patrón digital PXI
• Fuentes de alimentación NI PXI 300 W
• Cargas electrónicas NI PXI 300 W
• Transceptores vectoriales de señales PXI
• Instrumentos PXI seriales de alta velocidad

^{Figura 1: El chasis NI PXIe-1095 cuenta con el diseño patentado del ventilador de enfriamiento trasero.}

Muchos chasis NI PXI cuentan con un diseño patentado de ventilador de enfriamiento trasero, como se representa en la Figura 1, donde el aire de la parte trasera del chasis (2) se fuerza a través de una paleta giratoria y se distribuye uniformemente a través de todas las ranuras del módulo (1). El diseño proporciona un mayor enfriamiento y menos puntos estancados en el flujo de aire en comparación con los diseños de chasis donde los ventiladores se encuentran directamente debajo de los módulos. Los ventiladores en la parte trasera del chasis también ayudan a reducir la cantidad de ruido eléctrico de los motores de los ventiladores a los que están sometidos los módulos.

NI también ofrece bloqueadores de ranuras, tarjetas PXI de relleno modular de plástico que se pueden rellenar en ranuras no utilizadas del chasis. Los bloqueadores de ranuras mejoran el flujo de aire en ranuras pobladas al reducir la derivación del flujo de aire en las ranuras vacías, lo que resulta en una reducción del aumento de temperatura de los componentes electrónicos en los módulos instalados hasta en un 20%.

Estas ventajas de diseño ayudan al chasis NI PXI a lograr un mejor rendimiento de enfriamiento en comparación con otros proveedores importantes, que se evalúa midiendo la diferencia de temperatura promedio de los componentes en un módulo PXI insertado en el chasis, (min-max). En una evaluación comparativa, el chasis NI PXIe-1095 proporcionó un rendimiento de enfriamiento superior en 4.6 °C en el ajuste de ventilador alto de 58 W (5,200 RPM a 55°C de temperatura ambiente).

Incluso con sus capacidades avanzadas de rendimiento de enfriamiento, los chasis NI PXI están diseñados para minimizar las emisiones acústicas generales del sistema. Estas son consideraciones importantes, ya que los sistemas PXI se utilizan tanto en entornos de pruebas automatizadas montados en rack como de validación de laboratorio, donde los requisitos de emisión acústica difieren. La combinación del control de la velocidad del ventilador, el tipo de ventilador utilizado y el método de montaje del ventilador hacen posible la optimización de la enfriamiento y minimizan el ruido acústico emitido.

Muchos chasis NI PXI le permiten seleccionar entre dos velocidades del ventilador, alta o automática, utilizando un interruptor de selección de velocidad del ventilador. Cuando se establece en automático, la velocidad del ventilador del chasis se controla proporcionalmente a la temperatura del aire ambiente leída en la entrada del ventilador del chasis. Por debajo de una lectura de 30 °C, el sistema de enfriamiento del chasis funciona en una zona de rendimiento acústico, donde se minimizan las emisiones acústicas. A medida que la temperatura ambiente medida aumenta por encima de 30 °C, la velocidad del ventilador de refrigeración del chasis aumenta en consecuencia. Cuando la velocidad del ventilador se ajusta a alta, el chasis proporciona un flujo de aire máximo independiente de la temperatura ambiente; este modo es el más apropiado para aplicaciones donde el ruido acústico no es preocupante.

^{* El nivel de presión acústica se define en la posición del operador de acuerdo con ISO 7779}

^{** Modo de perfil de enfriamiento de 38 W solamente; perfiles de refrigeración más altos tienen un nivel de presión acústica más alto}

^{Tabla 1: Compara el nivel de presión acústica del chasis PXI Express.}

NI implementa ventiladores modulados por ancho de pulso (PWM) en muchos de sus chasis PXI para reducir aún más las emisiones acústicas que los ventiladores tradicionales controlados por voltaje. El control de señal PWM del ventilador permite al diseñador del chasis de NI utilizar una variedad más amplia de ajustes de RPM del ventilador, lo que permite ajustar con precisión las emisiones acústicas y el rendimiento de enfriamiento del chasis.

Para cumplir (y superar) los requisitos de enfriamiento de la especificación PXI, los ventiladores seleccionados para su implementación dentro de un chasis NI PXI deben ser potentes. Muchos chasis de NI utilizan soportes de ventilador que se fabrican con materiales que amortiguan las vibraciones para aislar el bastidor del chasis de la vibración mecánica en los ventiladores, reduciendo aún más el ruido acústico. En muchos chasis NI PXI, estos soportes, y por lo tanto los ventiladores, se colocan en la parte trasera, lo que ayuda a reducir la cantidad de ruido eléctrico (EMI) transmitido a los módulos PXI.

Los chasis NI PXI están diseñados para minimizar las emisiones acústicas generales del sistema y pueden hacerlo mientras ofrecen un rendimiento de enfriamiento avanzado. Señalado en la Tabla 2, algunos ventiladores del chasis se han optimizado aún más para el enfriamiento de laboratorio, como el PXIe-1084 en su modo de enfriamiento de 38 W. Tenga en cuenta que 10 dB aquí se traduce en una diferencia de ruido percibida que es el doble.

Las especificaciones de la plataforma PXI, definidas por la alianza de sistemas PXI, requieren que un chasis PXI Express de 18 ranuras entregue 650 W de potencia en los rieles del plano trasero de 3.3 V, 5 V y +12 V para alimentar el controlador del sistema y las ranuras del módulo. Cuando se compara el chasis PXI de diferentes proveedores, es importante hacerlo utilizando la especificación “potencia suministrada al plano trasero” (o similar), y no solo la potencia total o potencia por ranura. NI se asegura de definir de manera realista y consistente las especificaciones de potencia, ya sea potencia total, potencia suministrada al plano trasero o potencia por ranura. Otros proveedores a menudo comercializan especificaciones de energía engañosas que no se pueden lograr en entornos de instalación/operación típicos.

En la documentación del producto, NI especifica la potencia total disponible para los módulos desde la fuente de alimentación del chasis. Por el contrario, muchos otros proveedores enumeran la salida de la fuente de alimentación. Al restar la potencia consumida por los componentes del chasis, como los ventiladores y el plano trasero de la potencia total de la fuente de alimentación, la documentación de NI especifica la potencia utilizable y disponible para el controlador y los módulos. Los manuales del chasis NI PXI indican claramente la corriente en cada carril de voltaje y la disipación de potencia máxima por ranura.

A diferencia de otros proveedores de PXI en el mercado, NI mantiene la propiedad de diseño de las fuentes de alimentación de grado instrumental en muchos de sus chasis PXI y PXI Express de ocho a 18 ranuras. Como resultado, NI puede garantizar la disponibilidad a largo plazo de estas fuentes de alimentación y menos cambios de diseño en su chasis debido a los cambios en el fabricante de la fuente de alimentación. Por el contrario, otros proveedores de PXI que dependen únicamente de una fuente de alimentación estándar para PC tienen poco o ningún control sobre la calidad de sus fuentes de alimentación.

Las fuentes de alimentación de grado instrumental implementadas en el chasis NI PXI están optimizadas para cumplir con los requisitos de alimentación únicos de PXI en lugar de las fuentes de alimentación diseñadas para uso general en PCs personales. Las fuentes de alimentación de NI están diseñadas a la medida para que el chasis de NI cumpla y supere los requisitos mínimos de potencia de la especificación PXI. Con estas fuentes de alimentación, por ejemplo, el chasis PXI Express de alto rendimiento de NI puede entregar al menos 82 W a todas las ranuras del chasis.

^{Tabla 2: Los chasis NI PXI Express están diseñados para superar la especificación PXI para una corriente mínima por ranura.}

Para sistemas en los que la alta disponibilidad es una preocupación, NI ha diseñado fuentes de alimentación y ventiladores fáciles de reemplazar para algunos de sus chasis de nueve ranuras y superiores. En caso de falla de la fuente de alimentación, el usuario puede reemplazar la fuente de alimentación desde la parte trasera deslizando hacia fuera/dentro de la fuente de alimentación fallida/de reemplazo después de quitar los tornillos que la aseguran en su lugar. Del mismo modo, el usuario puede reemplazar los ventiladores principales de la parte trasera del chasis retirando los tornillos del panel, desconectando el panel de ventilador existente, conectando el panel de ventilador de reemplazo y reemplazando los tornillos del panel. El diseño facilita un tiempo medio de reparación (MTTR) de la fuente de alimentación a menos de cinco minutos. Si el chasis se instala en una instalación de montaje en rack, siempre que la parte posterior del chasis sea accesible, puede reemplazar la fuente de alimentación y los ventiladores traseros sin quitar módulos ni volver a conectar ninguna E/S. Compruebe las especificaciones del producto para determinar qué chasis soportan esta función.

Como los chasis NI PXI implementan fuentes de alimentación de grado instrumental, son capaces de proporcionar el requisito de potencia mínima en todo el rango de temperatura de funcionamiento especificado (0 °C a 50-55 °C) sin reducción de potencia. La clasificación de potencia se refiere a la pérdida de potencia suministrada a las ranuras del chasis cuando se opera a temperaturas más altas u otras especificaciones ambientales extremas. El chasis PXI de muchos otros proveedores cumple con las especificaciones PXI requeridas para la potencia disponible a temperaturas de funcionamiento ambientales más bajas (20 °C a 35 °C), pero puede volverse inestable o inoperable a temperaturas más altas (>40 °C). Para reiterarlo, con un chasis NI PXI puede operar un chasis lleno de módulos a la temperatura más alta especificada en la ficha técnica (consulte los manuales de producto para los rangos de temperatura de operación para modelos de chasis NI PXI específicos). Las fuentes de alimentación de NI también proporcionan plena potencia en todo el rango universal de entrada de AC de 100 VAC a 240 VAC, mientras que el chasis de la competencia puede degradarse mucho para la parte de línea baja de este rango.

El ruido eléctrico generado por las características mecánicas en movimiento dentro del chasis, específicamente los ventiladores de enfriamiento, puede degradar la precisión de medida de los módulos periféricos PXI y PXI Express. Para evitar esto, muchos chasis de NI no solo colocan ventiladores de refrigeración en la parte trasera del chasis, sino que también implementan una fuente de alimentación dedicada de 12 V para alimentar los ventiladores de enfriamiento del chasis, la ranura del controlador del sistema y, en algunos casos, los ventiladores de la fuente de alimentación, para evitar acoplar el ruido de estos componentes en los rieles que alimentan los módulos de medidas.

La mayoría de los chasis de NI también cuentan con detección remota de la tensión de salida en los rieles de alimentación del plano trasero, para compensar las caídas de voltaje. La detección remota es una característica de diseño importante para los chasis PXI y PXI Express, particularmente para aplicaciones con módulos de alta potencia, ya que proporciona una mejor regulación en el plano trasero cuando hay grandes oscilaciones de carga. 

Una ventaja clave de un sistema PXI es la temporización y la sincronización integradas. Un chasis PXI incorpora un reloj de referencia del sistema dedicado de 100/10 MHz (PXI_CLK10 y PXIe_CLK100) que se distribuye a cada ranura con desviación baja, un bus de disparo PXI de ocho líneas que se conecta a cada ranura y una ranura de temporización del sistema que proporciona disparos de estrella y estrella diferencial a las ranuras periféricas.

^{Figura 2: Las funciones de temporización y sincronización de PXI Express son ventajas clave.}

Con la actualización opcional de temporización y sincronización, las características de temporización y sincronización de algunos chasis NI PXI se pueden mejorar aún más. El PXIe-1095 y el PXIe-1092 se pueden actualizar con un OCXO para aumentar la estabilidad de frecuencia de PXI_CLK10 y PXIe_CLK100, la capacidad de importar y bloquear automáticamente a un reloj de referencia externo de 10 MHz, exportar un reloj de referencia de 10 MHz e importar y exportar el bus de activación PXI. Para conocer más sobre cómo las funciones de sincronización y temporización de NI PXI facilitan la creación de soluciones de alto rendimiento, complejas y escalables, consulte las ventajas del diseño de sincronización y temporización de NI PXI.

Los chasis NI PXI ofrecen las siguientes características:

• Hasta 24 GB/s de ancho de banda del sistema y 8 GB/s por ranura de ancho de banda dedicado
• Hasta 82 W por ranura de alimentación y enfriamiento para módulos de E/S más avanzados
• Opciones de tamaño que van desde dos hasta 18 ranuras 
• Ranuras híbridas para flexibilidad de instrumentación; compatibilidad con los módulos PXI, PXI Express, CompactPCI y CompactPCI Express

^{Tabla 3: Opciones y configuraciones del chasis PXI.}

En conclusión, los chasis NI PXI ofrecen un rendimiento y fiabilidad excepcionales, lo que los convierte en un componente crítico para las pruebas automatizadas de alto rendimiento y alta potencia. Con capacidades de enfriamiento superiores que exceden las especificaciones de PXI Express, estos chasis pueden soportar módulos de alta potencia y garantizar una gestión térmica óptima. Las fuentes de alimentación diseñadas a la medida garantizan un suministro de energía estable y consistente, lo que es crucial para mantener la exactitud y precisión de sus pruebas. Los chasis NI PXI están diseñados para proporcionar un rendimiento y fiabilidad superiores para ayudar a satisfacer las necesidades de su entorno de pruebas.

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