Galvanikus leválasztóeszközök
Alig van nagyobb különbség egy elektronikus berendezésen belül, mint egy több ezer voltos nagyfeszültségű rendszer, és annak néhány voltos üzemi feszültségű digitális vezérlése. Az utóbbi integritásának fenntartásán kívül munkavédelmi célokra is tekintettel kell lenni. A cikk a megszokott optoelektronikus leválasztók megbízható, hosszú élettartamú és magas hőmérsékleten is működőképes alternatíváját mutatja be.
Bevezetés
A több száz vagy több ezer voltos nagyfeszültséget használó berendezések számos ipari automatizálási rendszer – különösen a gyártóüzemek – teljesen hétköznapi részei. Ezeknek a magas üzemi feszültségeknek a legtöbb vezérlőáramkörben megtalálható logikai áramkörökben használt sokkal kisebb, tipikusan 5 V-os feszültségszintjétől való elválasztására jellemzően félvezetőalapú leválasztóeszközöket használnak. Elterjedten alkalmazzák például erre a célra az egy tokban elhelyezett, kétlapkás optocsatolókat a nagy tranziens feszültségekkel szembeni kiváló ellenállóképességük miatt, valamint azért, mert nem érzékenyek a külső mágneses terekre. A tervezőknek azonban olyan technikára van szükségük, amely időben és szélsőséges hőmérsékleti körülmények esetén is stabilabban működik, gyártási szempontból pedig kevésbé bonyolult.
Ez a cikk azt ismerteti, hogy miért és miként lehet egy tokban elhelyezett galvanikus leválasztóeszközöket használni a korszerű ipari és egészségügyi rendszerekben, valamint az elektromos járművekben jelen lévő nagyfeszültségek biztonságos leválasztására. Bemutatunk egy Texas Instruments által gyártott szilíciumalapú galvanikus leválasztóeszközt, amely nagyfeszültségű, nagy megbízhatóságú rendszerekhez készült, és ismertetjük, hogyan lehet azt egy nyomtatott áramköri lapon úgy elhelyezni, hogy biztonságosan elválassza a nagyfeszültségeket a programozható logikai vezérlőegységekben (PLC) és a beviteli, valamint megjelenítő eszközökben található digitális logikai áramköröktől.
Miért kell elválasztani egymástól a kis- és nagyfeszültségeket?
Számos ipari rendszert programozható logikai vezérlőegységek (PLC-k), számítógépek, beviteli és megjelenítő eszközök felhasználásával vezérelnek vagy szabályoznak. A szabályozó- vagy vezérlőrendszer szabványos 5 V-os vagy kisebb digitális táp- és logikai feszültséget használ a működéséhez. Ha ezeket a rendszereket 120 V-os vagy annál nagyobb feszültségeket kezelő rendszerhez kell illeszteni, fontos fizikailag elkülöníteni és villamosan elválasztani az alacsony digitális feszültségeket a nagyfeszültségű berendezéstől. A feszültségátalakítók, az egyenáramú (DC–DC) átalakítók és az elektromos járművek esetében szintén szükséges, hogy gondosan elválasszuk a digitális vezérlőfeszültségeket a rendszerben használt, esetenként sok ezer voltos üzemi feszültségtől.
Bár a teljesítménytranzisztorokkal elvileg könnyű lehetne kezelni ezeket a működési feltételeket, a megoldás nem lenne biztonságos. Az ilyen berendezésekben használt tranzisztorok esetében ugyanarra a félvezető hordozóanyagra kerül a digitális vezérlőfeszültség és a nagyfeszültség. A teljesítménytranzisztor működési hibája vagy fizikai sérülése miatt könnyen előfordulhatna, hogy több ezer volt kerülne a digitális logikai áramkörökre. Azonkívül, hogy ez tönkreteszi a vezérlőberendezést, a felhasználó élete és testi épsége is veszélybe kerül.
A kis- és nagyfeszültségű rendszerek fizikai elkülönítésére és a villamos elválasztására régóta használt, közkedvelt módszer az optikai leválasztás. A jellegzetesen egy tokban elhelyezett kétlapkás optocsatoló egyik lapkáján egy led található, amelynek a – rendszerint infravörös – fénye egy átlátszó szigetelőrétegen át egy fotodiódás érzékelőre jut, amely a másik lapkán helyezkedik el. A fotodióda átalakítja ezt egy kisfeszültségű jellé, amely vagy a nagyfeszültségű áramkör vezérlésére szolgál, vagy arról juttat vissza a kisfeszültségszinten működő vezérlés által felhasználható jelet.
Ahhoz, hogy az optocsatoló biztonságosan tudja elválasztani a több ezer voltos üzemi feszültséget a kisfeszültségű vezérlőrendszertől, a ledet és a fotodiódát tartalmazó lapkát egyazon, átlátszó szigetelőréteget tartalmazó tokban kell elhelyezni, amelynek anyaga képes ellenállni az optocsatoló névleges feszültségének.
Az optocsatolók elviselik a tranziensekből származó elektronikus zajt, és tökéletesen érzéketlenek a külső mágneses terekre, ezért a nagyfeszültségű villanymotorok vezérlőberendezéseiben ezek jelentik a legjobb választást. A nagyfeszültségű berendezésekben használt optocsatolók nagyon nagy, akár 10 000 V-ot is meghaladó feszültséglökéseket is képesek elviselni.
Nagyon magas hőmérsékleten viszont az optocsatolók teljesítménye jelentősen leromlik. Ezenkívül az optocsatolókban használt ledek fényteljesítménye idővel csökken. Mivel az optocsatolók két lapkát tartalmaznak, az egylapkás félvezetőknél bonyolultabb – ezért költségesebb – gyártástechnológiát is igényelnek.
Galvanikus leválasztás
Olyan berendezésekben, ahol nagy valószínűséggel fordul elő magas üzemi hőmérséklet, és ahol kiemelt szempont a tartósság, egy tokban elhelyezett galvanikus leválasztóeszközöket használhatunk. Míg az optikai leválasztás a led és a fotodióda áramköreit választja el egymástól, a galvanikus leválasztás villamosan szigeteli el egymástól a két áramkört, szilícium-dioxid (SiO2) alapú kondenzátorokat és tekercseket használó töltéscsatolt alkatrészek segítségével. A leválasztás hatékonysága a SiO2 szigetelőanyag (dielektrikum) átütési szilárdságától függ.
A galvanikus leválasztóeszközök nagy sebességű, hosszú élettartamú eszközök, amelyek a legtöbb mikrovezérlőhöz egyszerűen illeszthetők. A mostanában bemutatott példányok a teszteken elviseltek 6000 V-ot akár 150 °C üzemi hőmérsékleten is, és élettartamuk akár a 35 évet is meghaladhatja. Ez növeli a teljes rendszer élet- és vagyonbiztonságát és megbízhatóságát, miközben csökkenti a karbantartási költségeket.
A Texas Instruments ISO7762FDWR jelű hatcsatornás, általános célú digitális leválasztóeszköze például elvisel akár 5000 Vrms feszültséget és 12 800 V-os feszültséglökést is (1. ábra). Az ISO7762 két változatban kapható: az ISO7762F változat az OUT[A:F] kimeneti csatlakozópontjain alapértelmezetten alacsony szintű logikai jelet ad ki, míg az F utótag nélkül jelölt eszközöknél a kimeneti jel alapértelmezett állapota a logikai magas szint.
1. ábra A Texas Instruments ISO7762F jelű hatcsatornás galvanikus leválasztóeszközének négy előrevezető és két fordított irányú csatornája van (A kép forrása: Texas Instruments)
Az ISO7762F leválasztóeszköznek két feszültségtartománya van, az egyik a jobb, a másik a bal oldalán, amelyet villamosan és fizikailag egy SiO2 szigetelőréteg választ el egymástól. Mindkét feszültségtartományhoz saját, egymástól független tápfeszültség- és testcsatlakozó-kivezetés tartozik.
Az eszköznek négy előrevezető haladó és két fordított irányú csatornája van. A két fordított irányú csatorna (E és F bemenet) azt teszi lehetővé, hogy a nagyfeszültségű rendszerből adatokat lehessen küldeni a digitális vezérlő- vagy szabályozórendszerbe, miközben a két feszültségtartomány közötti leválasztás továbbra is fennmarad. Az átvitt adatok mindkét irányban lehetnek egyszerű kétállapotú jelek, valamint UART- vagy kétvezetékes I2C-protokollal működő soros kommunikációs adatok is.
Az ISO7762F minden csatorna esetében két sorosan kapcsolt SiO2-dielektrikumú kondenzátort használ a két feszültségtartomány elválasztására. Az adatok átvitele OOK (On-Off Keying – ki/be kapcsolásos) moduláció útján történik, ahol a logikai 1 értéket bármelyik IN[A:F] bemeneten egy, a kondenzátoron a másik feszültségtartományba áthaladó váltakozó áramú jel jelképezi, míg a logikai 0 jelet a 0 V-os feszültség. A megfelelő OUT[A:F] kimeneteken megjelenő adatok a bemeneti kivezetés állapotát tükrözik. A kondenzátorokban lévő SiO2 szigetelőréteg elválasztja egymástól a két feszültségtartományt, biztonságosan elkülönítve a nagyfeszültségű vezérlőelektronikát a digitális szabályozó- és vezérlőrendszertől.
Az ISO7762F tervezői a lehető legnagyobb biztonság érdekében nagy hangsúlyt fektettek a nagy szigetelési ellenállásra. A névleges szigetelési ellenállás 25 °C-on nagyobb, mint 1 TΩ. Az ISO7762F szigetelési ellenállása 150 °C-on nagyobb 1 GΩ-nál. Viszonyításképpen: ez az ellenállás nagyobb, mint az ISO7762F-ot körülvevő levegőé.
Az ISO7762F a Texas Instruments minősítése szerint legalább 37 évig használható, de a galvanikus szigetelőréteg élettartama névlegesen több 135 évnél. Bár a berendezések tervezett élettartama általában ennél jóval kisebb, a működőképességre nem szükséges ekkora élettartam-garanciát vállalni, de ezek a számok jól jellemzik az eszköz megbízhatóságát és tartósságát.
2. ábra A Texas Instruments cég ISO7821LLS jelű digitális leválasztóeszköze két ellentétes irányú csatornát tartalmaz. Mindkét kimeneti puffernek van egy kimenetengedélyező kivezetése, amelynek nagy impedanciájú állapotba helyezésével letiltható a kimenőjel (A kép forrása: Texas Instruments)
Ha még ennél is nagyobb feszültségek elviselésére van szükség, a Texas Instruments cég ISO7821LLSDWWR jelű terméke egy 5700 Vrms feszültségre hitelesített kétcsatornás különbségi leválasztópuffer, amely 12 800 V-os feszültséglökéseket is elvisel (2. ábra). A két csatorna ellentétes működési irányú. Mindkét csatorna egy kisfeszültségű különbségijel-képzésen (LVDS) alapuló adatkommunikációra használt különbségi adópár, amely akár 150 Mb/s sebességű átvitelre is képes.
Az ISO7821LLS eszközben galvanikus leválasztásra használt SiO2-dielektrikumú kondenzátor azonos az ISO7762F eszközben használttal, azzal az eltéréssel, hogy a csatornánként két sorba kötött kondenzátor helyett az ISO7821LLS csatornánként csak egy kondenzátort használ. Ettől eltekintve a digitális adatok átvitele a SiO2-kondenzátorokon keresztül ugyanúgy, az OOK modulációt használva történik.
Az ISO7821LLS galvanikus leválasztású vezérlőegység LVDS (kisfeszültségű különbségi jelképzéses) adatokat tud átvinni olyan ipari minőségű kábeleken, mint például a Belden cég 88723-002500 jelű, nagy teherbírású, kettős csavart érpáras kábele. Ez egy jó minőségű ipari kábel, amely két 22 AWG (0,645 mm) átmérőjű csavart érpárt tartalmaz piros műanyag szigetelőköpenyben. Kültéri és beltéri használatra egyaránt alkalmas, és akár földbe is ásható. Ez a kábel –70 és +200 °C között használható, így alkalmas nagyfeszültségű ipari felhasználásra olyan zord körülmények között is, amelyek például a nagyon forró vagy nagyon hideg környezetben felállított napenergia-átalakítóknál fordulhatnak elő. Ezen a kábelen keresztül a vezérlőegység mindkét irányba képes LVDS-vezérlőadatokat küldeni a napenergia-átalakító dobozban elhelyezett ISO7821LLS eszközhöz. A leválasztóegység az átalakítódoboznál bármilyen működési hiba miatt keletkező erős feszültséglökést megállít, így védve a kisfeszültségű vezérlőegységet és az annak közelében elhelyezkedő kezelőket.
A Texas Instruments cég ISO7821LLS eszközének két kimenete független engedélyező kivezetéssel van ellátva, amellyel – nagy impedanciájú állapotba állítva – letiltható a hozzá tartozó kimenet. Ez akkor hasznos, ha az eszköz egynél több vezérlőegységgel azonos LVDS-sínre van kapcsolva, és át kell engedni a sínt egy másik sínvezérlőnek. Ez olyan ipari környezetekben alkalmazható, ahol a nagyfeszültségű berendezéseket több, különböző helyeken található vezérlőegységgel kell működtetni.
Ahhoz, hogy a tervezők értékelhessék az ISO7821LLS eszköz működését, a Texas Instruments az ISO7821LLSEVM kiértékelőkártyát (3. ábra) ajánlja a fejlesztőknek. Minimális számú külső alkatrésszel kiegészítve használható az ISO7821LLS viselkedésének és teljesítményének kiértékelésére, valamint lehetővé teszi az LVDS-sín kommunikációjának figyelését ellenőrzési és teljesítményösszehasonlítási célból. Mivel minden nagyfeszültségű berendezés különböző, az ISO7821LLSEVM az ISO7821LLS nagyfeszültségű szigetelési viselkedésének ellenőrzésére nem alkalmas.
3. ábra A Texas Instruments cég ISO7821LLSEVM jelű kiértékelőkártyája az ISO7821LLS kétcsatornás különbségi leválasztópuffer LVDS-adatkommunikációs teljesítményének ellenőrzésére és kiértékelésére alkalmas (A kép forrása: Texas Instruments)
A galvanikus leválasztóeszköz beépítési szabályai
A nagyfeszültségű galvanikus leválasztóeszköz beépítését nagyon körültekintően kell végrehajtani, hogy az esetleges hibák ne rontsák le az eszközzel elérhető hatékony leválasztást. Kis elektromágneses zavarású kártya készítésekor a normál alkatrész-elrendezési szabályok érvényesek, amelyeknek része, hogy a nyomtatott áramköri lap legalább négyrétegű legyen. A nagy sebességű vezetősávokat a lap felső felületén kell megvalósítani, közvetlenül alatta nagyméretű testfelülettel, és ez alatt a tápfeszültség-felülettel. Az alsó felületre a lassabb vezérlőjelek kerülhetnek.
Nagyon fontos, hogy a nyomtatott áramköri lapon fizikailag el legyenek választva egymástól a kis- és nagyfeszültségű alkatrészek. E célból az itt ismertetett leválasztóeszközöknek különálló tápfeszültség-ellátásuk van a tok jobb és bal oldalán. Ezenkívül az egyik tartomány vezetőcsíkjai nem futhatnak a másik tartomány sávjai közelében, hogy elejét vegyük a jelek zavarásának.
Ha a leválasztóeszköz a nagyfeszültségű részen található, biztonságosabb lehet úgy elhelyezni, hogy a kisfeszültségű oldala a nyomtatott áramköri lap széle felé nézzen. Ez segít megakadályozni, hogy a nagyfeszültség ívet húzzon a kisfeszültségű részre, ami súlyosan károsíthatná a leválasztóeszköz másik oldalán lévő kisfeszültségű elektronikát.
Összefoglalás
A több ezer volttal működő ipari berendezésekhez a berendezés és a felhasználók védelme érdekében olyan alkatrészeket kell használni, amelyek képesek biztonságosan leválasztani ezeket a nagyfeszültségeket az 5 V-tal vagy kisebb feszültséggel működő digitális vezérlő vagy szabályozó logikai áramköröktől. Az ipari berendezések természete megköveteli, hogy az ilyen leválasztás stabil és megbízható legyen szélsőséges hőmérsékletek esetén is, ráadásul hosszú időn át.
Amint láttuk, a galvanikus szigetelésen alapuló digitális leválasztóeszközöket a szigetelési jelleggörbéjük és az üzemi hőmérsékleti jellemzőik alkalmassá teszik az ilyen berendezésekben való használatra. Ha a tervező kellőképpen odafigyel az alkatrészek elrendezésére és összeállítására, ezek az eszközök képesek megakadályozni a berendezések károsodását és a személyi sérüléseket.
Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics
Digi-Key Electronics
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
még több Digi-Key Electronics
