صفحات خورشیدی
کربن ضبط شده می تواند انرژی را از طریق صفحات خورشیدی و توربین های بادی ذخیره کند
دی ۳۰, ۱۳۹۸
عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

بهبود عملکرد ایزولاسیون گالوانیک در سازه های نوری

در این مقاله چگونگی استفاده از سه روش طراحی مورد استفاده در سازه های نوری که عملکرد ایزولاسیون گالوانیک را بهبود می بخشد صحبت می شود. همچنین یک آزمایش افزایش ولتاژ بالا همراه با اثبات ارائه می شود. جداسازی این ولتاژ شامل یکپارچه سازی زیر سیستم ها با اختلاف ولتاژ زیاد و پتانسیل سیستم های زمینی است. این قابلیت جداسازی طیف گسترده ای از برنامه ها را فراهم می کند:

  • منابع تغذیه
  • مدارهای کنترل موتور سیستمهای اتوماسیون فرمان یار و رباتهای صنعتی
  • سیستم های مدیریت باتری
  • اینورترهای فتوولتائیک (PV)
  • اینورترهای وسیله نقلیه الکتریکی (eV)
  • ایستگاه های شارژ فوق العاده سریع و بی سیم به ارتباط داده ها
  • مدارهای رابط منطق دیجیتال

اصولاً مهمترین مؤلفه هایی که جداسازی الکتریکی را فراهم می کند، با شکستن مسیرهای هدایت مستقیم ، امکان ادغام زیر سیستم های مختلف را فراهم می کنند ، جداسازی یا جفت کننده نامیده می شوند. IC ها را می توان برای عملکردهای مختلف الکتریکی از جمله دستگاههای الکترونیکی قدرت درایو ، اندازه گیری جریان، ولتاژ با دقت بالا ، ارتباطات دیجیتال، رابط های منطقی و مبدل های منطقی و تبدیل منبع تغذیه ای جدا شده در عایق ها ترکیب کرد.

انواع فناوری جداسازی

سه نوع اصلی از فن آوری های ایزولاسیون وجود دارد: نوری ، کوپلر مغناطیسی و کوپلر خازنی. جدول ۱ در زیر تفاوت های کلیدی بین تکنیک های جداسازی مختلف ، گواهینامه های ایمنی مؤلفه ها و مکانیسم های شکست را نشان می دهد.

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

جدول ۱. تفاوتهای اساسی بین روشهای مختلف جداسازی ، مجوزهای ایمنی در مؤلفه ها و طول عمر مکانیسمهای عدم موفقیت

اپتوکوپلر با تبدیل سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری با استفاده از یک LED ، سیگنال الکتریکی را از طریق سد ایزولاسیون ، منتقل می کند. در طرف دیگر سد ایزولاسیون با ضخامت ۰.۰۸ میلی متر به ۲ میلی متر ، LED از طریق فتودودها سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی برمی گرداند. از نظر قابلیت اطمینان در طول عمر ، می توان با اندازه گیری میزان تخلیه جزئی ، عایق ماده نوری را پیش بینی کرد.

مقادیر مقاومت الکتریکی نظری مواد عایق، همیشه درصورتی کاربرد دارد که تولید کنندگان اپتوکوپلر بتوانند موانع عایق کاملاً خالص را تولید کنند. با این حال ، اغلب ، دی الکتریک ولتاژ بالا شامل نقص هایی مانند حفره ها و اجزاء هوا یا ناخالصی های دیگر است. این حفره ها نسبت به دی الکتریک اطراف خود دارای مقاومت در برابر شکست کمتری هستند و در صورت رسیدن مقاومت به شکست،  قوس الکتریکی تخلیه می شوند.

تخلیه محدود به مدت زمان خالی بودن است و پس از تخلیه ، به آرامی با جریان محدود از طریق دی الکتریک شارژ می شود. خلاء در نهایت به ولتاژ شکست شارژ می شود و دوباره تخلیه می شود. این روند تا زمانی که میدان الکتریکی کاربردی به اندازه کافی بالا باقی بماند ادامه می یابد. این تخلیه ها “جزئی” به حساب می آیند زیرا در بخش های خالی در قسمت محدودی از طول سد، دی الکتریک رخ می دهد. دشارژهای جزئی ، که با اندازه گیری جریان نشت قابل تشخیص نیستند ، می توانند با گذشت زمان در عایق گسترش یافته و در نهایت منجر به شکست کامل عایق شوند. در این صورت مشکل وجود ترشحات جزئی در طول آزمایشات، به منظور جلوگیری از تخریب دستگاه های مزبور در این زمینه است.

روشهای اصلی طراحی دستگاههای نوری Broadcom

مقاومت عایق ولتاژ پهنای باریک Broadcom، با سه روش طراحی کلیدی افزایش یافته است. اولین مورد با قرار دادن یک پلی آمید شفاف به نام نوار کاپتون در بین LED و فتودودیود است. روش دوم استفاده از سپر اختصاصی Faraday است ،که از طرف خروجی ، ورودی نوری را کنترل می کند. شکل ۱ ساخت جداسازی نوری لامپهای Broadcom را نشان می دهد.

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

شکل ۱. ساخت جداسازی نوری Broadcom که شامل نوار کپتون و یک سپر فارادی برای مقاومت عایق اضافی است.

 

روش سوم با طراحی بسته بندی منحصر به فرد ، بهینه سازی شده، برای به حداقل رساندن ظرفیت ورودی به خروجی ، Ci-o است.

یک کوپل مغناطیسی از دو سیم پیچ که در بالای یکدیگر انباشته شده اند با یک ماده جداکننده پلی آمید در حدود ۰.۰۲ میلی متر استفاده می شود. استفاده از سیگنال AC یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند ، که به نوبه خود باعث ایجاد یک میدان الکتریکی در سیم پیچ ثانویه می شود. از آنجا که انتقال از طریق اتصال میدان مغناطیسی است ، کوپل مغناطیسی نیز مستعد تداخل مغناطیسی مجاور است.

شکل ۲ نمونه ای از ساخت جداسازی کوپل مغناطیسی را با یک جفت کویل بالا و کویل پایین با مواد عایق پلی آمید در بین کویل ها نشان می دهد. برای دو برابر شدن مقاومت عایق ، از دو مجموعه سیم پیچ مغناطیسی برای یک مسیر جداسازی استفاده می شود که دارای ضخامت عایق در حدود ۰.۰۴ میلی متر است. حالت شکست مواد عایق کوپل مغناطیسی، تخریب بار فضا است.

 

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

شکل ۲. ساخت جداسازی کوپل مغناطیسی با یک جفت کویل بالا و پایین با مواد عایق پلی آمید در بین آن ها

 

ساخت کوپلر خازنی کاملاً شبیه به یک خازن سرامیکی است ، به وسیله آن دی الکتریک دی اکسید سیلیکون (SiO2 )با ضخامت حدود ۰.۰۱۵ میلی متر در بین دو صفحه فلزی ، معمولاً آلومینیوم (Al) ، در مجاورت نزدیک قرار گرفته است. بلور SiO2 در بالای صفحه Al رشد می کند. انتقال سیگنال از طریق سد ایزولاسیون خازنی معمولاً به صورت یک سیگنال الکتریکی AC است.

یکی از عواملی که ممکن است در مقاومت عایق کوپلر خازنی تأثیر بگذارد ، چگونگی رشد بلور SiO2 است. نقص در بلور باعث ضعیف شدن مواد عایق خواهد شد. حالت شکست قابلیت اطمینان عمر برای کوپلر خازنی ، شکست دی الکتریک وابسته به زمان (TDDB ) نامیده می شود. مشابه یک کوپل مغناطیسی ، برای دو برابر شدن مقاومت عایق ، از دو مجموعه خازن برای یک مسیر جداسازی استفاده می شود و ضخامت عایق تا حدود ۰.۰۳ میلی متر دو برابر می شود. شکل ۳ ساخت عایق خازن مضاعف معمولی را نشان می دهد.

 

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

شکل ۳. ساخت جداسازی کوپلر خازنی با دو کلاه متوالی که در آن دی الکتریک SiO2 در بین دو لایه فلزی Alu قرار دارد.

سازه نوری برای جداسازی ، با عنوان IEC 60747-5-5 به گواهینامه ایمنی جزء، معتبر هستند. این گواهینامه بین المللی تخلیه جزئی را مکانیسم عدم موفقیت در تجزیه مواد عایق می داند. به این ترتیب ، صدور گواهینامه فقط برای سازه های نوری اعمال می شود. فن آوری های ایزولاسیون جایگزین، مانند مغناطیسی و خازنی دارای استاندارد آلمانی VDE 0884-10 / 11 می باشند. اگرچه استحکام ماده عایق با آزمایش تخلیه جزئی مشخص می شود ، اما این روش ممکن است برای پیش بینی قابلیت اطمینان عمر مغناطیسی (تخریب بار فضا) و جفت کننده های خازنی (TDDB ) مناسب نباشد.

تست ولتاژ بالا

یک آزمایش تست شده سریع را می توان به راحتی انجام داد تا مقاومت عایق های مختلف را مقایسه کند. شکل ۴ تنظیمات آزمایش را نشان می دهد که در آن فشار ولتاژ بالا با استفاده از تفنگ ESD اعمال می شود.

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

شکل ۴. تنظیم تست ولتاژ بالا در سمت چپ و در سمت راست ، مشخصات افزایش ولتاژ بالا نشان داده شده است.

 

مشخصات ولتاژ تفنگ ESD دارای زمان بسیار سریع در حدود ۱ns و زمان سقوط آهسته ۳۰ms است. این مشخصات افزایش با مشخصات استاندارد پیشرفته IEC 60060-1 1.2μs / 50 µs متفاوت است ، اما برای مقایسه قدرت مقاومت ولتاژ بالا، با استفاده از فن آوری های جداسازی مختلف کافی است.

سه نمونه تصادفی هر یک از دو تولیدکننده اپتیکوپلر ، Broadcom و Isolator A ، یک کوپل مغناطیسی (Isolator ) و یک کوپلر خازنی (Isolator C) برای این تست فشار ولتاژ بالا انتخاب شدند. این جداکننده ها، تعدیل کننده های سنجشگر جریان سیگما-دلتا با دقت بالا هستند و دارای یک ژنراتور ساعت داخلی هستند که در یک طرح بسته کشیده ۸ پین (SSO8) ساخته شده است. ایزولاسیون مقاومت در برابر ولتاژ ، Viso از این نوع بسته SSO8 دارای ۵kVrms در دقیقه و با خزش و فاصله از فاصله حداقل ۸ میلی متر است.

شکل ۵ نمودار شماتیک PCB را برای نگه داشتن دستگاه تحت آزمایش (DUT) نشان می دهد.

 

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

شکل ۵. نمودار شماتیک تخته PCB مورد استفاده در آزمایش افزایش ولتاژ بالا.

 

استفاده از سپر فارادی

افزایش ولتاژ بالا جریان جابجایی با چگالی بالا را از Gnd1 به مدار ورودی مقره القا می کند و سپس از طریق سازه های خازنی یا خازن پارازیتی که در سراسر سد جداسازی شکل گرفته است ، به مدار خروجی و Gnd2 انتقال می دهیم. شکل ۶ در زیر مسیرهای مختلف خازن پارازیتی ایجاد شده بین پیوندهای سیم مدار / ورودی اصلی ورودی به سپر فارادی اپتوکوپلر Broadcom نشان داده شده است.

 

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

 

شکل ۶. مسیرهای مختلف خازن پارازیتی که بین پیوندهای سیم مدار ورودی / ورودی به سپر فارادی یک نور Broadcom شکل گرفته است. سپر فارادی به Gnd2 زمین زده شده است و به حذف جریان جابجایی کمک می کند.

 

سپر فارادی به Gnd2 زمین خورده است و یک محافظ الکتریکی و مغناطیسی را برای از بین بردن جریان جابجایی فراهم می کند. در اتصال خازنی یا مغناطیسی ، سپر فارادی یک راه حل مناسب نیست. یک سپر فارادی میدان های الکتریکی یا مغناطیسی را که برای انتقال داده ها استفاده می شود علاوه بر گذرا ، مسدود می کند.

ظرفیت ورودی-خروجی ، Ci-o

علاوه بر سپر فارادی ، قاب اصلی و طراحی بسته بند نوری Broadcom ، برای ورودی ترکیبی کوچکتر به خازن خروجی ، Ci-o بهینه شده است. در جدول ۲ مقایسات Ci-o از جداکننده های مختلف نشان داده شده است.

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

جدول ۲. مقایسات ورودی به توان خروجی بین مقره های مختلف

 

جریان جابجایی به دنبال رابطه i = c * dv / dt است. با وجود Ci-o کوچکتر ، جریان جابجایی کوچکتر در هنگام افزایش فشار ولتاژ بالا القا می شود.

نتایج تست ولتاژ بالا

در جدول ۳ نتایج حاصل از آزمایش فشار ولتاژ بالا روی عایق ها با فناوری های مختلف نشان داده شده است.

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

جدول ۳. نتایج تست ولتاژ بالا در مقره های مختلف

 

همانطور که از تست مشخص است ، نور های باریک Broadcom در برابر فشار ولتاژ بالا مقاوم هستند و در نتیجه برای تمام واحدهای تحت آزمایش تا حد آزمایش ۲۱kV هیچ شکستی مشاهده نمی شود. خروجی های ایزولاتور A (optocoupler) که بطور دائم با شروع از ۱۶kV به بعد چفت می شوند. خروجی های ایزولاتور B (کوپلر مغناطیسی) نیز از ۱۶kV به بعد چسبانده می شوند اما هنگامی که قدرت تنظیم مجدد (p.o.r.) بر روی هر دو Vdd1 ، Vdd2 یا هر دو انجام شد ، بازیابی می شوند. برای Isolator C  (کوپلر خازنی) ، خروجی های سه واحد Isolator C به طور دائم در سطح ۱۵kV ، ۱۷kV و ۲۱kV چفت می شوند. اگرچه مقره های A ، B و C تقریباً در همان سطح شکست خورده اند ، اما Isolator C وسیع ترین سطح افزایش ولتاژ بالا را که واحدهای آزمایشی در آن شکست خورده اند ، ثبت کردند.

به عنوان یک طرفدار فن آوری جداسازی گالوانیک گالوانیزه بسیار قابل اطمینان ، مجموعه ای از Broadcom شامل تعدیل کننده های ساعت داخلی سیگما-دلتا برای راه حل های سنجش جریان و ولتاژ مبتنی بر شنت است. در جدول ۴ ارائه محصولات Broadcom از تعدیل کننده های ساعت داخلی سیگما-دلتا که در قالب بسته SSO8 قرار دارند ، نشان می دهد.

 

عملکرد ایزولاسیون گالوانیک

جدول ۴. تعدیل کننده های داخلی سیگما-دلتا بسته شده Broadcom که در قالب بسته SSO8 مستقر هستند

منبع : https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/how-an-internal-faraday-shield-and-small-ci-o-improve-optocoupler-galvanic-isolation/

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *