Τα σύγχρονα συστήματα διανομής απαιτούν συνήθως πολύπλοκους συνδυασμούς απομονωμένων και μη απομονωμένων μετατροπέων ισχύος AC/DC και DC/DC. Οι μετατροπείς απομόνωσης χρησιμοποιούνται κυρίως για την προστασία συστημάτων και χρηστών σε περίπτωση μεμονωμένων ή πολλαπλών σφαλμάτων. Είναι επίσης απαραίτητη η παροχή ρεύματος σε απομονωμένες υπολειτουργίες για να διατηρηθεί η ακεραιότητα του σήματος.
Κατ' αρχήν, η χρήση προηγμένων IC μπορεί εύκολα να σχεδιάσει μετατροπείς χαμηλής έως μέσης ισχύος με ισχύ περίπου 1000 watt, ενώ μπορούν να επιτευχθούν διαφορετικοί αντισταθμίσεις απόδοσης μέσω διαφορετικών αρχιτεκτονικών. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, η ανάπτυξη και η επικύρωση μετατροπέων δεν είναι καθόλου απλή. Πρέπει να πληροίτε τουλάχιστον ένα βασικό σύνολο λειτουργικών απαιτήσεων απόδοσης, συμπεριλαμβανομένων της ονομαστικής τάσης και ρεύματος εξόδου, απόδοσης, μεταβατικής απόκρισης, φυσικών διαστάσεων και προστασίας σφαλμάτων για κυκλώματα, φορτία και τροφοδοτικά.
Οι προκλήσεις του σχεδιασμού δεν περιορίζονται στις βασικές γνώσεις. Προς το παρόν, είναι απαραίτητο να συμμορφώνεστε με μια σειρά υποχρεωτικών κανονιστικών απαιτήσεων, που καλύπτουν την απόδοση ασφάλειας, την απόδοση σε διαφορετικά επίπεδα φορτίου, την απόδοση τερματισμού λειτουργίας, τη θερμική απόδοση, την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) και την ατρωσία. Αυτά τα χαρακτηριστικά πρέπει να επικυρωθούν από πιστοποιημένο εργαστήριο δοκιμών, το οποίο θα αυξήσει σημαντικά τον χρόνο σχεδιασμού. Ένα απλό ανεξάρτητο σχέδιο έρευνας και ανάπτυξης μπορεί γρήγορα να οδηγήσει σε εξαιρετικά υψηλούς κινδύνους και σύντομα θα διαπιστώσετε ότι όταν πρόκειται να επιλέξετε μεταξύ ανεξάρτητης έρευνας και ανάπτυξης ή εξωτερικής ανάθεσης, θα κλίνετε γρήγορα προς το δεύτερο.
Εάν εξακολουθείτε να έχετε αμφιβολίες, μπορείτε να θεωρήσετε ότι ο μετατροπέας πρέπει επίσης να διαθέτει λειτουργία ηλεκτρικής απομόνωσης. Αν και αυτή είναι μια κοινή απαίτηση για όλους σχεδόν τους μετατροπείς AC/DC, ορισμένοι μετατροπείς DC/DC απαιτούν επίσης ηλεκτρική μόνωση. Αυτή η απαίτηση εισάγει νέους κανονισμούς, υποχρεωτικά πρότυπα ασφάλειας και πιστοποίησης, καθιστώντας τις αποφάσεις της αυτο-αναπτύξεως και της εξωτερικής ανάθεσης να τείνουν περαιτέρω προς την αγορά, ανεξάρτητα από τις προδιαγραφές τροφοδοσίας ρεύματος.
Τα καλά νέα είναι ότι οι απομονωμένοι και μη απομονωμένοι μετατροπείς ισχύος που είναι τοποθετημένοι σε πλακέτα κυκλώματος έχουν πολλαπλές ονομαστικές τάσεις και ρεύματα για να διαλέξετε. Αυτά τα προϊόντα απλοποιούν σημαντικά τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη προϊόντων σε τομείς εφαρμογών όπως η άμυνα, η επικοινωνία, οι δοκιμές και οι μετρήσεις (απομονωμένα) και τα κινητά ρομπότ (μη απομονωμένα) και μπορούν να συνδυαστούν για την επίτευξη λειτουργιών διανομής ισχύος.
Αυτός ο τύπος μετατροπέα πραγματοποιεί plug and play, μπορεί να συνδεθεί στην κύρια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (πλακέτα PC) και η συγκεκριμένη θέση βελτιστοποιείται για τη ράγα διανομής. Επιπλέον, αυτός ο τύπος μετατροπέα δεν απαιτεί ανεξάρτητη υποστήριξη ή βραχίονα. Με απλά λόγια, αυτός ο τύπος προϊόντος μπορεί να χρησιμεύσει ως μια κλειστή, ολοκληρωμένη λύση plug and play που επιτυγχάνει άμεσα λειτουργικότητα ισχύος.
Βασικές γνώσεις ηλεκτρικής μόνωσης
Η ηλεκτρική απομόνωση είναι ένα ηλεκτρικό φράγμα που χρησιμοποιείται για να αποτρέψει το σχηματισμό μιας αγώγιμης ("Ωμικής") διαδρομής μεταξύ των δύο άκρων μιας διαδρομής σήματος ή ισχύος. Ωστόσο, αυτό το εμπόδιο πρέπει ακόμα να επιτρέπει τη μετάδοση ενέργειας και ηλεκτρικής ενέργειας μέσω άλλων μέσων μεταφοράς. Το σήμα, το τροφοδοτικό ή και τα δύο πρέπει να απομονωθούν, αλλά εξαρτάται από τον σχεδιασμό. Η τεχνολογία απομόνωσης που χρησιμοποιείται εξαρτάται από τις συγκεκριμένες προδιαγραφές του απομονωμένου ρεύματος.
Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τους οποίους είναι απαραίτητη η ηλεκτρική μόνωση. Για τα σήματα, η ηλεκτρική απομόνωση μπορεί να βελτιώσει την ακεραιότητα των αισθητήρων, να εξαλείψει τους βρόχους γείωσης ή να προστατεύσει τους χρήστες και τα κυκλώματα σε περίπτωση σφάλματος, αποτρέποντας τη ροή ρεύματος στη διαδρομή του σήματος.
Όσον αφορά την τροφοδοσία ρεύματος, ο κύριος σκοπός είναι να διασφαλιστεί η ασφάλεια του χρήστη και να αποφευχθεί η ηλεκτροπληξία που προκαλείται από τυχαία επαφή με καλώδια εναλλασσόμενου ρεύματος ή πηγές ισχύος DC υψηλής τάσης. Η ηλεκτρική μόνωση ανταποκρίνεται επίσης στην απαίτηση για "πλωτά" κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για σήματα χωρίς ρεύμα, δηλαδή δεν είναι συνδεδεμένα στη γείωση του κυκλώματος.
Σε γενικές γραμμές, η ηλεκτρική απομόνωση είναι μια μέθοδος προσδιορισμού της κατεύθυνσης της ροής του ρεύματος με βάση τον τρέχοντα νόμο του Kirchhoff (KCL). Οποιαδήποτε ροή ρεύματος πρέπει να έχει μια διαδρομή πίσω στην πηγή και η λειτουργία της ηλεκτρικής απομόνωσης είναι να κόψει αυτή τη διαδρομή. Σε περίπτωση πιθανής ηλεκτροπληξίας, ο μετασχηματιστής απομόνωσης στο τροφοδοτικό (Εικόνα 1, δεξιά) θα κόψει την πλήρη διαδρομή του ρεύματος σφάλματος μέσω του χρήστη και θα επιστρέψει στη γείωση (Εικόνα 1, αριστερά).
Εικόνα 1: Για την αποφυγή ηλεκτροπληξίας, ο μετασχηματιστής απομόνωσης (δεξιά) στο τροφοδοτικό διακόπτει τη διαδρομή ρεύματος σφάλματος που διέρχεται από τον χρήστη και επιστρέφει στη γείωση (αριστερά). (Πηγή εικόνας: Lumen Learning)
Σε ένα κοινό σενάριο ηλεκτροπληξίας, όταν το στρώμα μόνωσης φθείρεται, το ενεργό/θερμασμένο καλώδιο ρεύματος θα έρθει απευθείας σε επαφή με το μεταλλικό περίβλημα του εξοπλισμού. Ακόμα κι αν η συσκευή μπορεί να λειτουργήσει κανονικά, εάν η σύνδεση γείωσης/γείωσης αποσυνδεθεί (που είναι μια συνηθισμένη κατάσταση), το ρεύμα σφάλματος θα ρέει μέσω του χρήστη στο έδαφος αντί να περάσει με ασφάλεια από το καλώδιο γείωσης και ο χρήστης μπορεί να υποστεί ηλεκτροπληξία αυτή τη στιγμή.
Για τον έλεγχο αυτού του κινδύνου, η λειτουργία απομόνωσης στο τροφοδοτικό θα διακόψει τη διαδρομή ρεύματος μεταξύ της αρχικής πηγής τάσης και του εξοπλισμού. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να αποτρέψει το σχηματισμό κυκλώματος μεταξύ τους και ακόμη και αν υπάρχει σφάλμα γραμμής, μπορεί να εξαλείψει τον κίνδυνο ηλεκτροπληξίας.
Λάβετε υπόψη ότι η τάση κινδύνου περιλαμβάνει τάση γραμμής AC και ισοδύναμη τάση συνεχούς ρεύματος, όπως η τάση μιας μπαταρίας πολλαπλών πυρήνων. Τα περισσότερα ρυθμιστικά πρότυπα ορίζουν την επικίνδυνη τάση ως τάση πάνω από 60 βολτ, ανάλογα με την πραγματική κατάσταση και τον τύπο τάσης.
Η απομόνωση ισχύος επιτυγχάνεται σχεδόν πάντα μέσω μαγνητικής σύζευξης μετασχηματιστών. Η μαγνητική σύζευξη έχει εξαιρετική ηλεκτρική απόδοση, ισχυρή τεχνική πρακτικότητα, ευέλικτη εφαρμογή, υψηλή αξιοπιστία, εύκολη προσαρμογή και μπορεί ταυτόχρονα να καλύψει τις ρυθμιστικές απαιτήσεις και τις απαιτήσεις κυκλώματος.
Λόγοι για την επιλογή πολλών λύσεων υψηλής ποιότητας
Λόγω της χρήσης πολλαπλών σιδηροτροχιών ισχύος στα σύγχρονα συστήματα, υπάρχουν πολλές αρχιτεκτονικές επιλογές στο σχεδιασμό διανομής. Ωστόσο, όταν ορισμένα μέρη του κυκλώματος πρέπει να απομονωθούν ενώ άλλα μέρη δεν απαιτούν ή απαγορεύουν την απομόνωση, η επιλογή του κατάλληλου μετατροπέα ισχύος γίνεται εξαιρετικά δύσκολη.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ράγες ισχύος AC/DC ή DC/DC υψηλής τάσης δεν απαιτούν απομόνωση, αλλά η απομόνωση πρέπει να επιτευχθεί περαιτέρω κατάντη στη ζεύξη διανομής. Οι αποφάσεις που πρέπει να λάβουν οι σχεδιαστές περιλαμβάνουν: εάν θα χρησιμοποιηθεί ένα μεμονωμένο τροφοδοτικό μεγάλης χωρητικότητας ή πολλαπλά απομονωμένα τροφοδοτικά μικρής χωρητικότητας. Και εάν πρέπει να χρησιμοποιείτε μόνο απομονωμένες πηγές ενέργειας στις απαιτούμενες θέσεις και μη απομονωμένες πηγές ενέργειας σε άλλες θέσεις (Εικόνα 2).
Σχήμα 2: Μια ολοκληρωμένη αρχιτεκτονική διανομής σε επίπεδο συστήματος απαιτεί συνήθως έναν συνδυασμό απομονωμένων και μη απομονωμένων μετατροπέων ισχύος AC/DC και DC/DC. (Πηγή εικόνας: TDK Lambda)
Για να καλύψει αυτές τις ανάγκες, η TDK Lambda προσφέρει μια ποικιλία από ενσωματωμένους μετατροπείς ισχύος buck/boost (buck/boost) και μη απομονωμένους μετατροπείς ισχύος AC/DC και DC/DC, παρέχοντας πολλαπλές επιλογές ονομαστικής τάσης εισόδου/εξόδου και ονομαστικού ρεύματος. Συγκεκριμένα περιλαμβάνει:
Το απομονωμένο AC/DC: PFE500F-28/T είναι ένας μετατροπέας μονής εξόδου 28 volt/18 αμπέρ (Α) που χρησιμοποιείται για είσοδο εναλλασσόμενου ρεύματος (VAC) 85 έως 265 volt. Αυτός ο μετατροπέας υιοθετεί μια πλήρως κλειστή μονάδα από τούβλα 122 × 70 × 12,7 mm με δυνατότητα απομόνωσης εισόδου και εξόδου VAC 3000 volt, κατάλληλη για περιβάλλοντα όπου δεν είναι δυνατή η συναγωγή ή η εξαναγκασμένη ψύξη αέρα.
Η μη απομονωμένη μονάδα AC/DC: PF1500B-360 έχει επίσης μέγεθος πλήρους τούβλου και μπορεί να μετατρέψει την είσοδο AC σε ρυθμιζόμενη έξοδο 360 VDC. Είναι κατάλληλο για συστήματα διανομής ισχύος εξοπλισμένα με απομονωμένους μετατροπείς DC/DC υψηλής τάσης ή φορτία που απαιτούν παροχή ρεύματος υψηλής τάσης. Σε τάση εισόδου από 170 έως 265 VAC, η ονομαστική του ισχύς είναι 1512 Watt. Σε τάση εισόδου 85 έως 265 VAC, η ονομαστική ισχύς είναι 1008 Watt. Ο συντελεστής ισχύος αυτής της μονάδας είναι 0,98, με απόδοση έως και 96,5%.
Isolated DC/DC: GQA2W024A050V-007-R Ο απομονωμένος μετατροπέας DC/DC είναι συμπαγής σε μέγεθος, συσκευασμένος σε ένα τέταρτο τούβλο και έχει εξαιρετική απόδοση. Μπορεί να αποδώσει ισχύ 120 watt και έχει τάση απομόνωσης εισόδου και εξόδου έως και 3000 VDC. Το εύρος τάσης εισόδου λειτουργίας αυτού του μετατροπέα είναι 9 V έως 36 V και μπορεί να εξάγει ρεύμα 5 V στα 24 A. Η μηχανική του συσκευασία παρέχει διάφορες δομικές διαμορφώσεις όπως κάτω πλάκα, σφραγισμένη και ενθυλακωμένη (βλ. Εικόνα 3), η οποία μπορεί να ψύχεται με μεταφορά και αγωγή μέσω εξωτερικών ψυχρών πλακών.
Εικόνα 3: Ο μετατροπέας GQA2W024A050V-007-R προσφέρει πολλαπλές επιλογές διαμόρφωσης συσκευασίας, παρέχοντας στους σχεδιαστές υψηλή ευελιξία στο συνολικό σχεδιασμό της συσκευασίας και στην ψύξη του μετατροπέα. (Πηγή εικόνας: TDK Lambda)
Μη απομονωμένο DC/DC: I6A24014A033V-003-R Ο μετατροπέας DC/DC μη απομονωμένου σημείου φορτίου (PoL) είναι ιδανικός για τη δημιουργία ράγες τάσης εξόδου υψηλού ρεύματος από πηγές ισχύος 12 VDC ή 24 VDC. Το εύρος τάσης εισόδου αυτού του μετατροπέα είναι 9 V έως 40 V, με ρεύμα εξόδου έως 14 A και εύρος ρύθμισης εξόδου από 3,3 V έως 24 V. Είναι συσκευασμένο σε ένα συμπαγές σχέδιο τούβλου 1/16.