Ізольовані джерела живлення

 

У багатьох випадках джерело живлення перетворює мережеву напругу змінного струму на нижчу вихідну напругу постійного струму, що відповідає цільовому застосуванню. Якщо необхідно, додаткові перетворювачі DC/DC можуть бути використані для забезпечення нижчих або вищих напруг від цього джерела постійного струму відповідно до вимог технічного завдання. Під час регулярної експлуатації користувач не повинен піддаватися дії небезпечної напруги. Але якщо на лінійному вході виникає стрибок або перехідний процес, існує значний ризик того, що висока напруга може потрапити до частин обладнання, до яких користувач може торкнутися. Щоб забезпечити захист за таких умов, заходи ізоляції джерела живлення забезпечують безпеку кінцевого користувача. Однак існують інші випадки, коли вимоги до ізоляції визначені більш суворо.

Медичні прилади та системи є одним із кількох ринків, де ізоляція для джерел живлення визначена більш детально. Пацієнти можуть бути постійно підключені до пристроїв моніторингу з електричними датчиками, прикріпленими до їхніх тіл. Крім того, вони можуть бути без свідомості та не в змозі особисто впоратися з інцидентом. Такі датчики називаються прикладними частинами і є одним із кількох ключових термінів, визначених у IEC 60601 – стандарті, який визначає вимоги до медичних електричних та електронних систем.

 

Потрібні засоби захисту, які можуть включати захисну ізоляцію, шляхи витоку, повітряні зазори, захисне заземлення та інші методи. Вони необхідні для захисту як пацієнта, так і оператора.

 

 

Однак ізоляція — це не лише безпека. Іноді ізольовані джерела живлення використовуються для вирішення проблем, що виникають через контури заземлення в промислових або аудіо/відео системах, або для покращення електромагнітної сумісності (ЕМС). Вони також зустрічаються у фотоелектричних (PV) системах, рішеннях для зберігання енергії (ESS), побутовій техніці, а також в аудіо/відео (AV) та ІТ-додатках. Деякі інженери також використовують їх для генерації зміщених опорних напруг за допомогою перетворювача DC/DC.

Використовуючи компонент гальванічної розв’язки, ізольовані джерела живлення можуть гарантувати відсутність проходження струму від входу до виходу. Зазвичай це досягається за допомогою трансформатора відповідної специфікації разом з іншими компонентами, такими як оптопари. Це відносно просто для джерел живлення змінного/постійного струму, оскільки трансформатори є стандартним компонентом. Однак перетворювачі потужності DC/DC зазвичай вимагають переходу на іншу топологію, що забезпечує гальванічний розрив між вхідною та вихідною сторонами.

 

 

Необхідний рівень ізоляції визначають різні регулюючі  органи, такі як Undrwriters Laboratory (UL) у США та IEC і VDE у Європі. Наприклад, у стандарті IEC 62368 наведено п’ять категорій електричної ізоляції:

Рівень ізоляції визначається як напруга в технічному паспорті джерела живлення та визначається для різних тимчасових умов, а не для тривалої роботи. Наприклад, пристрій може витримувати 4000 В змінного струму протягом 60 секунд між входом і виходом. Однак той самий пристрій може витримувати 1500 В змінного струму протягом 60 секунд між входом або виходом і корпусом або PE (захисним заземленням).

Основною проблемою при розробці ізольованого перетворювача DC/DC є його додаткова складність порівняно з неізольованою конструкцією. Це впливає на все: від часу розробки та вибору компонентів до ваги та ефективності, що призводить до підвищення ціни.

 

У перетворювачах змінного/постійного струму вторинна та первинна сторони повинні бути спільно використані. Сюди входить експлуатаційна інформація, така як навантаження, а також повідомлення про будь-які збої в ланцюзі або короткому замиканні. Такі дані зазвичай передаються за допомогою оптопари.

 

 

Для перетворювачів DC/DC ізоляцію забезпечує трансформатор. На відміну від стандартних котушок індуктивності, які використовуються в неізольованому перетворювачі, цей компонент, спеціально розробляється для конкретного застосування. Це збільшує вартість і може вимагати ручного паяння під час виробництва. Трансформатори також громіздкі, що призводить до більшого та важчого кінцевого пристрою для еквівалентного рівня доставки електроенергії. Оптопара також може використовуватися між вторинною та первинною сторонами для покращення регулювання та ефективності. Однак доступні й інші підходи, наприклад використання третьої обмотки на трансформаторі. Загалом витрати на виробництво ізольованих перетворювачів постійного струму в постійний струм зазвичай вищі, ніж для неізольованих конструкцій.

Незважаючи на те, що конструкція трансформаторів та топології проектування продовжують удосконалюватися, ізольовані джерела живлення постійного струму все ще відстають від своїх аналогів, коли йдеться про ефективність, регулювання та інші критерії продуктивності. Наприклад, неізольовані DC/DC перетворювачі можуть досягати ефективності від 90% до 99%, тоді як ізольовані DC/DC перетворювачі зазвичай знаходяться в діапазоні від 85% до 95%. Таким чином, має сенс ретельно розглянути, чи потрібне ізольоване джерело живлення з його більшим розміром, вагою та вартістю. Ізольовані джерела живлення можуть допомогти вирішити проблеми з електромагнітними перешкодами, контурами заземлення та генеруванням опорної напруги. Однак у деяких пристосуваннях, наприклад у медицині, де захист від небезпечної напруги захищає користувачів і операторів від шкоди, їх використання є обов’язковим.