Projektowanie

Wzrost bezpieczeństwa i niezawodności aplikacji wysokiego napięcia dzięki izolatorom galwanicznym

Wiele systemów automatyki przemysłowej musi być połączonych z urządzeniami wykorzystującymi wysokie napięcia w zakresach od setek do tysięcy woltów: izolatory półprzewodnikowe są rozwiązaniem służącym do odseparowania niskich i wysokich napięć.

Wiele systemów automatyki przemysłowej, szczególnie w zakładach produkcyjnych, musi być połączonych z urządzeniami wykorzystującymi wysokie napięcia w zakresach od setek do tysięcy woltów. Izolatory na bazie półprzewodników są powszechnie stosowane do odseparowania takich wysokich napięć od znacznie niższych napięć 5V logiki cyfrowej, wykorzystywanych w większości układów sterowania. Często stosowane są do tego celu na przykład jednoblokowe optoizolatory dwustrukturowe ze względu na ich wysoką odporność na przejściowe wysokie napięcia i pola magnetyczne otoczenia. Jednak projektanci potrzebują technologii, która zachowuje stabilność z upływem czasu i przy ekstremalnych temperaturach, oraz która jest mniej skomplikowana z punktu widzenia produkcji.

W tym artykule wyjaśniono, dlaczego i jak warto stosować jednoblokowe izolatory galwaniczne w celu bezpiecznej izolacji wysokiego napięcia stosowanego w nowoczesnych systemach przemysłowych, medycznych i pojazdach elektrycznych (EV) oraz jak to robić. Następnie omówimy dwa krzemowe izolatory galwaniczne firmy Texas Instruments, które stosuje się w systemach wysokiego napięcia o wysokiej niezawodności i powiemy, jak prawidłowo je rozmieścić na płytce drukowanej, aby bezpiecznie odizolować wysokie napięcia od logiki cyfrowej stosowanej w programowalnych sterownikach logicznych (PLC) i interfejsach maszyna-człowiek.

Po co izolować wysokie i niskie napięcia?

Wiele systemów przemysłowych kontroluje się za pomocą sterowników PLC, komputerów lub interfejsów człowiek-maszyna (HMI). Takie systemy sterowania działają przy użyciu standardowych napięć układów sterujących o wartości 5 woltów lub mniejszych. Podczas łączenia tych systemów w celu zarządzania wysokimi napięciami wynoszącymi 120 woltów lub więcej, ważne jest fizyczne oddzielenie i elektryczne odizolowanie niskiego napięcia cyfrowego od urządzeń wysokiego napięcia. Przetwornice mocy, przetwornice prądu stałego oraz pojazdy elektryczne (EV) również wymagają starannej izolacji napięcia sterującego od potencjalnie wielu tysięcy woltów używanych w układzie.

Można by do tego wykorzystać tranzystory mocy, ale nie zagwarantują one wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Tranzystory w takich zastosowaniach zawierają sterowanie cyfrowe i sterowanie wysokim napięciem na tej samej warstwie półprzewodnikowej. Wadliwe działanie lub fizyczne uszkodzenie tranzystora mocy może szybko spowodować, że do cyfrowej logiki dostanie się prąd o napięciu tysięcy woltów. Oprócz zniszczenia urządzeń sterujących stanowi to również zagrożenie dla użytkownika.

Od dawna izolacja optyczna była preferowaną metodą fizycznego oddzielania i izolacji elektrycznej systemów niskiego i wysokiego napięcia. Typowy jednoblokowy optoizolator dwustrukturowy zawiera na jednej strukturze diodę LED emitującą światło - zwykle w podczerwieni - przez przezroczystą barierę izolacyjną do fotodiody na drugiej strukturze. Fotodioda konwertuje je na sygnał niskiego napięcia służący do sterowania obwodem wysokiego napięcia.

Aby optoizolator mógł bezpiecznie sterować napięciem tysięcy woltów, zarówno struktura z diodą LED, jak i struktura z fotodiodą są zamknięte w przezroczystej barierze izolacyjnej wykonanej z materiału zdolnego wytrzymać napięcie znamionowe optoizolatora.

Optoizolatory są odporne na przejściowe zakłócenia elektroniczne i są całkowicie odporne na pola magnetyczne otoczenia, co sprawia, że są najlepszym wyborem do zastosowań w sterowaniu silnikami wysokonapięciowymi. Optoizolatory do zastosowań przemysłowych mogą wytrzymać bardzo wysokie napięcia udarowe wynoszące 10 tysięcy woltów lub więcej.

Jednak optoizolatory nie działają dobrze w bardzo wysokich temperaturach. Ponadto właściwości diod LED w optoizolatorach pogarszają się z upływem czasu. Optoizolatory są także urządzeniami dwustrukturowymi, co jest bardziej złożonym procesem produkcyjnym w porównaniu do półprzewodników jednostrukturowych.

Strona: 1/3
Następna