I moderni sistemi di distribuzione richiedono tipicamente combinazioni complesse di convertitori di potenza CA/CC e CC/CC isolati e non isolati. I convertitori di isolamento vengono utilizzati principalmente per proteggere impianti e utenze in caso di guasto singolo o multiplo; È inoltre necessario fornire alimentazione alle sottofunzioni isolate per mantenere l'integrità del segnale.
In linea di principio, utilizzando circuiti integrati avanzati è possibile progettare facilmente convertitori di potenza medio-bassa con una potenza di circa 1.000 watt e si possono ottenere diversi compromessi prestazionali attraverso diverse architetture. Tuttavia, in realtà, lo sviluppo e la validazione dei convertitori sono tutt’altro che semplici. È necessario soddisfare almeno un insieme di base di requisiti di prestazione funzionale, tra cui tensione e corrente di uscita nominali, efficienza, risposta ai transitori, dimensioni fisiche e protezione dai guasti per circuiti, carichi e alimentatori.
Le sfide progettuali non si limitano alla conoscenza di base. Al momento, è necessario conformarsi a una serie di requisiti normativi obbligatori, che riguardano prestazioni di sicurezza, efficienza a diversi livelli di carico, prestazioni di spegnimento, prestazioni termiche, emissione di interferenze elettromagnetiche (EMI) e immunità. Questi attributi devono essere convalidati da un laboratorio di prova certificato, il che aumenterà significativamente i tempi di progettazione. Un semplice piano di ricerca e sviluppo indipendente può portare rapidamente a rischi estremamente elevati e presto scoprirai che quando si tratta di scegliere tra ricerca e sviluppo indipendente o outsourcing, tenderai rapidamente a quest'ultimo.
Se hai ancora dei dubbi, potresti considerare che il convertitore deve avere anche una funzione di isolamento elettrico. Sebbene questo sia un requisito comune per quasi tutti i convertitori CA/CC, alcuni convertitori CC/CC richiedono anche l'isolamento elettrico. Questo requisito introduce nuove normative, standard obbligatori di sicurezza e certificazione, rendendo le decisioni dei produttori auto-sviluppati e esternalizzati ulteriormente inclini all'acquisto, indipendentemente dalle specifiche di alimentazione.
La buona notizia è che i convertitori di potenza isolati e non isolati montati su circuito stampato hanno più tensioni e correnti nominali tra cui scegliere. Questi prodotti semplificano notevolmente la progettazione e l'implementazione in aree applicative quali difesa, comunicazione, test e misurazione (isolati) e robot mobili (non isolati) e possono essere combinati per ottenere funzioni di distribuzione dell'energia.
Questo tipo di convertitore è plug and play, può essere collegato al circuito stampato principale (scheda PC) e la posizione specifica è ottimizzata per la guida di distribuzione. Inoltre questo tipo di convertitore non necessita di supporto o staffa indipendente. In poche parole, questo tipo di prodotto può fungere da soluzione plug and play chiusa e completa che raggiunge direttamente la funzionalità di alimentazione.
Conoscenze di base dell'isolamento elettrico
L'isolamento elettrico è una barriera elettrica utilizzata per impedire la formazione di un percorso conduttivo ("ohmico") tra le due estremità di un segnale o di un percorso di alimentazione. Tuttavia, questa barriera deve ancora consentire la trasmissione di energia ed elettricità attraverso altri mezzi di trasmissione. Il segnale, l'alimentazione o entrambi devono essere isolati, ma dipende dal progetto. La tecnologia di isolamento utilizzata dipende dalle specifiche specifiche della corrente isolata.
Ci sono molte ragioni per cui è necessario l’isolamento elettrico. Per i segnali, l'isolamento elettrico può migliorare l'integrità dei sensori, eliminare i circuiti di terra o proteggere utenti e circuiti in caso di guasto, impedendo il flusso di corrente nel percorso del segnale.
In termini di alimentazione, lo scopo principale è garantire la sicurezza dell'utente e prevenire scosse elettriche causate dal contatto accidentale con cavi CA o fonti di alimentazione CC ad alta tensione. L'isolamento elettrico soddisfa anche i requisiti per i circuiti "flottanti" utilizzati per segnali non di potenza, cioè non collegati alla terra del circuito.
In generale, l'isolamento elettrico è un metodo per determinare la direzione del flusso di corrente basato sulla legge della corrente di Kirchhoff (KCL). Qualsiasi flusso di corrente deve avere un percorso di ritorno alla sorgente e la funzione dell'isolamento elettrico è quella di interrompere questo percorso. In caso di possibile scossa elettrica, il trasformatore di isolamento nell'alimentatore (Figura 1, a destra) interromperà l'intero percorso della corrente di guasto attraverso l'utente e ritornerà a terra (Figura 1, a sinistra).
Figura 1: Per evitare scosse elettriche, il trasformatore di isolamento (a destra) nell'alimentatore interrompe il percorso della corrente di guasto che attraversa l'utente e ritorna a terra (a sinistra). (Fonte immagine: Lumen Learning)
In uno scenario comune di scossa elettrica, quando lo strato isolante si usura, il cavo di alimentazione sotto tensione/riscaldato entrerà direttamente in contatto con l'involucro metallico dell'apparecchiatura. Anche se il dispositivo può ancora funzionare normalmente, se il collegamento di messa a terra/messa a terra è disconnesso (che è una situazione comune), la corrente di guasto fluirà attraverso l'utente verso terra invece di passare in sicurezza attraverso il cavo di messa a terra e in questo momento l'utente potrebbe subire una scossa elettrica.
Per controllare questo rischio, la funzione di isolamento nell'alimentatore interromperà il percorso di corrente tra la sorgente di tensione originale e l'apparecchiatura. In questo modo si può impedire la formazione di un circuito tra loro e, anche in caso di guasto della linea, si può eliminare il rischio di scossa elettrica.
Si prega di notare che la tensione di rischio include la tensione di linea CA e la tensione CC equivalente, come la tensione di un pacco batteria multi-core. La maggior parte degli standard normativi definisce la tensione pericolosa come tensione superiore a 60 volt, a seconda della situazione effettiva e del tipo di tensione.
L'isolamento dell'alimentazione è quasi sempre ottenuto tramite l'accoppiamento magnetico dei trasformatori. L'accoppiamento magnetico ha un'eccellente efficienza elettrica, una forte praticità tecnica, un'applicazione flessibile, un'elevata affidabilità, una facile personalizzazione e può soddisfare contemporaneamente i requisiti normativi e di circuito.
Motivi per scegliere numerose soluzioni di alta qualità
A causa dell'utilizzo di più binari di alimentazione nei sistemi moderni, esistono molte scelte architettoniche nella pianificazione della distribuzione. Tuttavia, quando alcune parti del circuito devono essere isolate mentre altre parti non richiedono o vietano l'isolamento, la scelta del convertitore di potenza appropriato diventa estremamente difficile.
In alcuni casi, i binari di alimentazione CA/CC o CC/CC ad alta tensione non richiedono l'isolamento, ma l'isolamento deve essere ottenuto più a valle nel collegamento di distribuzione. Le decisioni che i progettisti devono prendere includono: se utilizzare un singolo alimentatore isolato di grande capacità o più alimentatori isolati di piccola capacità; E se utilizzare solo fonti di alimentazione isolate nelle posizioni richieste e fonti di alimentazione non isolate in altre posizioni (Figura 2).
Figura 2: Un'architettura di distribuzione a livello di sistema completa richiede in genere una combinazione di convertitori di potenza CA/CC e CC/CC isolati e non isolati. (Fonte immagine: TDK Lambda)
Per soddisfare queste esigenze, TDK Lambda offre una varietà di convertitori di potenza CA/CC e CC/CC buck/boost (buck/boost) isolati e non isolati, fornendo molteplici opzioni di tensione nominale di ingresso/uscita e corrente nominale. Nello specifico comprende:
L'AC/DC isolato: PFE500F-28/T è un convertitore a uscita singola da 28 volt/18 ampere (A) utilizzato per l'ingresso di corrente alternata (VAC) da 85 a 265 volt. Questo convertitore adotta un modulo brick completamente chiuso da 122 × 70 × 12,7 mm con capacità di isolamento in ingresso e uscita da 3000 V CA, adatto per ambienti in cui non è possibile la convezione o il raffreddamento ad aria forzata.
Anche il modulo CA/CC non isolato: PF1500B-360 è di dimensioni complete e può convertire l'ingresso CA in un'uscita regolata da 360 V CC. È adatto per sistemi di alimentazione distribuiti dotati di convertitori CC/CC isolati ad alta tensione o carichi che richiedono alimentazione ad alta tensione. Con una tensione di ingresso compresa tra 170 e 265 V CA, la potenza nominale è di 1512 watt; Con una tensione di ingresso compresa tra 85 e 265 V CA, la potenza nominale è di 1008 watt. Il fattore di potenza di questo modulo è 0,98, con un'efficienza fino al 96,5%.
CC/CC isolato: GQA2W024A050V-007-R Il convertitore CC/CC isolato è di dimensioni compatte, confezionato in un quarto di mattone e offre prestazioni eccellenti. Può produrre 120 watt di potenza e ha una tensione di isolamento in ingresso e in uscita fino a 3000 V CC. L'intervallo di tensione di ingresso di funzionamento di questo convertitore è compreso tra 9 V e 36 V e può emettere corrente di 5 V a 24 A. La sua confezione meccanica fornisce varie configurazioni strutturali come piastra inferiore, sigillata e incapsulata (vedere Figura 3), che può essere raffreddata per convezione e conduzione tramite piastre fredde esterne o dissipatori di calore.
Figura 3: Il convertitore GQA2W024A050V-007-R offre molteplici opzioni di configurazione del packaging, offrendo ai progettisti un'elevata flessibilità nella progettazione complessiva del packaging e nel raffreddamento del convertitore. (Fonte immagine: TDK Lambda)
CC/CC non isolato: Il convertitore CC/CC con punto di carico (PoL) I6A24014A033V-003-R non isolato è ideale per creare binari di tensione di uscita ad alta corrente da fonti di alimentazione da 12 V CC o 24 V CC. L'intervallo di tensione in ingresso di questo convertitore va da 9 V a 40 V, con una corrente di uscita fino a 14 A e un intervallo di regolazione in uscita da 3,3 V a 24 V. È confezionato in un design compatto da 1/16 di mattone.