Wzrost bezpieczeństwa i niezawodności aplikacji wysokiego napięcia dzięki izolatorom galwanicznym

Do jeszcze wyższych napięć przeznaczony jest model ISO7821LLSDWWR firmy Texas Instruments - dwukanałowy różnicowy izolator o wytrzymałości 5700VRMS o odporności na udarowe napięcia izolacyjne nawet 12800V (ilustracja 2). W tym urządzeniu dwa kanały działają w przeciwnych kierunkach. Każdy kanał jest nadajnikiem pary różnicowej stosowanym do transmisji danych niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) z prędkością do 150 megabitów na sekundę (Mbps).

Ilustracja 2: Izolator cyfrowy ISO7821LLS firmy Texas Instruments ma dwa kanały różnicowe działające w przeciwnych kierunkach. Każdy bufor wyjściowy ma funkcję włączania wyjścia, która może przełączyć wyjście w (Źródło ilustracji: ©Texas Instruments)

Izolator galwaniczny ISO7821LLS może przesyłać dane LVDS przez kable klasy przemysłowej, jak na przykład wytrzymały, podwójny kabel skręcany Belden 88723-002500. Jest to wysokiej jakości kabel przemysłowy, zawierający dwie skręcone pary przewodów 22AWG w czerwonym płaszczu. Jest on przeznaczony do użytku wewnątrz lub na zewnątrz budynków i może być też zakopany pod ziemią. Kabel ten wytrzymuje ekstremalne temperatury robocze od -70°C do 200°C, dzięki czemu jest odpowiedni do wymagających zastosowań przemysłowych zasilania o wysokim napięciu, takich jak falowniki fotowoltaiczne pracujące w bardzo gorącym lub bardzo zimnym środowisku. Za pomocą kabla Belden jednostka sterująca może przesyłać dane sterujące LVDS w obu kierunkach do układu ISO7821LLS znajdującego się wewnątrz skrzynki falownika. Jakikolwiek skok wysokiego napięcia spowodowany wadliwym działaniem w skrzynce konwertera zostałby zatrzymany na izolatorze, chroniąc jednostkę sterującą niskiego napięcia i ludzi znajdujących się w pobliżu jednostki.

Dwa wyjścia w modelu ISO7821LLS firmy Texas Instruments mają niezależne wtyki aktywujące, które mogą dezaktywować odpowiednie wyjścia, przestawiając je w stan wysokiej impedancji. Jest to praktyczne rozwiązanie, jeśli urządzenie znajduje się na szynie LVDS z więcej niż jednym sterownikiem i musi zwolnić magistralę innemu sterownikowi magistrali. Ma to zastosowanie w środowiskach przemysłowych, w których urządzenia wysokiego napięcia muszą być obsługiwane przez więcej niż jedną jednostkę sterującą w różnych lokalizacjach.

Aby pomóc projektantom w ewaluacji układu ISO7821LLS, firma Texas Instruments przygotowała płytkę ewaluacyjną ISO7821LLSEVM (ilustracja 3). Rozwiązanie to wymaga niewielu zewnętrznych komponentów i może być wykorzystane do oceny zachowania i wydajności ISO7821LLS oraz umożliwia monitorowanie komunikacji magistrali LVDS do celów testowych i porównawczych.

Dwutlenek krzemu (SiO2) zastosowany do izolacji galwanicznej w modelu ISO7821LLS jest taki sam jak w modelu ISO7762F, z tym wyjątkiem, że zamiast dwóch kondensatorów połączonych szeregowo dla każdego kanału, model ISO7821LLS wykorzystuje jeden kondensator dla każdego kanału. Wykorzystuje również tę samą modulację OOK do przesyłania danych cyfrowych przez kondensatory SiO2.

Ilustracja 3: płytka ewaluacyjna ISO7821LLSEVM firmy Texas Instruments może być wykorzystana do testowania i oceny wydajności transmisji danych LVDS w dwukanałowym izolatorze różnicowym ISO7821LLS. (Źródło ilustracji: ©Texas Instruments)

Ponieważ każde zastosowanie w warunkach wysokiego napięcia jest inne, układ ISO7821LLSEVM nie jest przeznaczony do testowania jakości izolacji ISO7821LLS pod wysokim napięciem.

Układ izolatora galwanicznego

Układ izolatora galwanicznego wysokiego napięcia musi być wykonany bardzo ostrożnie, aby zapewnić skuteczną izolację. W przypadku projektowania płytki drukowanej o niskich zakłóceniach elektromagnetycznych (EMI) obowiązują standardowe zasady układu, które obejmują stosowanie płytki drukowanej złożonej z co najmniej czterech warstw z szybkimi liniami na górze, z litą płaszczyzną uziemienia poniżej i płaszczyzną zasilania jeszcze niżej. Wolniejsze sygnały sterujące powinny znajdować się na płaszczyźnie dolnej.

Bardzo ważne jest, aby elementy niskiego i wysokiego napięcia były fizycznie oddzielone na płytce drukowanej. W tym celu omówione tutaj izolatory mają osobne strefy zasilania dla lewej i prawej strony urządzenia. Ponadto linie jednej strefy nie mogą przebiegać w pobliżu linii drugiej strefy, aby zapobiec zakłóceniom sygnału.

Jeśli izolator znajduje się w sekcji wysokiego napięcia, bezpieczniejsze może być umieszczenie izolatora stroną niskonapięciową skierowaną w stronę krawędzi płytki drukowanej. Pomaga to zapobiegać przeskakiwaniu jakichkolwiek wysokich napięć na stronę niskiego napięcia, co mogłoby poważnie uszkodzić elektronikę niskiego napięcia po drugiej stronie izolatora.

Podsumowanie

Urządzenia przemysłowe wykorzystujące napięcie wielu tysięcy woltów wymagają komponentów, które mogą bezpiecznie odizolować te wysokie napięcia od cyfrowej logiki sterowania o napięciu 5 woltów lub niższym, celem ochrony sprzętu i jego użytkowników. Charakter sprzętu przemysłowego wymaga, aby taka izolacja zachowała stabilność i niezawodność w ekstremalnych temperaturach przez długi okres czasu.

Jak wykazano powyżej, izolatory cyfrowe oparte na izolacji galwanicznej cechują się właściwościami izolacji i specyfikacją temperatury pracy odpowiednimi dla takich zastosowań. Przy odpowiedniej dbałości o układ i konfigurację mogą zapobiec uszkodzeniom lub wystąpieniu obrażeń.

Autor: Bill Giovino

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © DigiKey