Paranna korkean jännitteen teollisuussovelluksien turvallisuutta ja luotettavuutta galvaanisilla erottimilla

Monissa teollisuusautomaatiojärjestelmissä, etenkin tuotantolaitoksissa, on muodostettava liitäntöjä laitteisiin, joissa käytetään korkeita jännitteitä (sadoista volteista tuhansiin voltteihin). Korkeiden jännitteiden erottamiseen paljon alemmista useimmissa ohjausjärjestelmissä käytettävistä 5 voltin digitaalisen logiikan jännitteistä käytetään tavallisesti puolijohdepohjaisia erottimia. Esimerkiksi yhden kotelon kaksisiruisia optoerottimia on käytetty laajalti tähän tarkoitukseen, koska ne sietävät hyvin lyhytaikaisia jännitepiikkejä ja ympäristön magneettikenttiä. Suunnittelijat tarvitsevat kuitenkin tekniikkaa, joka pysyy ajan mittaan ja äärilämpötiloissa vakaampana sekä joka on yksinkertaisempi valmistaa.

Tässä artikkelissa selitetään, miksi ja miten yhden kotelon galvaanisia erottimia käytetään nykyaikaisten teollisuus-, lääkintä- ja sähköajoneuvojärjestelmien (EV) suurjännitteiden turvalliseen erottamiseen. Sen jälkeen artikkelissa tarkastellaan kahta Texasin Instrumentsin piipohjaista galvaanista erotinta, jotka on tarkoitettu erittäin luotettaviin suurjännitejärjestelmiin. Siinä myös käydään läpi, miten ne kiinnitetään piirilevylle oikein suurjännitteiden erottamiseksi turvallisesti ohjelmoitavissa logiikkaohjaimissa (PLC) ja käyttöliittymissä käytettävästä digitaalisesta logiikasta.

Miksi pien- ja suurjännitteet tulisi eristää?

Monia teollisuusjärjestelmiä ohjataan PLC-ohjaimilla, tietokoneilla tai käyttöliittymillä (HMI). Nämä ohjausjärjestelmät toimivat tavallisella digitaalisella korkeintaan 5 voltin ohjausjännitteellä. Kun näitä järjestelmiä käytetään yli 120 voltin suurjännitteiden hallintaan, on tärkeää erottaa digitaaliset pienjännitteet suurjännitelaitteista fyysisesti ja sähköisesti. Lisäksi tehonmuuntajissa, tasajännitemuuntajissa ja sähköajoneuvoissa (EV) on erotettava huolellisesti digitaaliset ohjausjännitteet järjestelmässä mahdollisesti käytettävästä tuhansien volttien jännitteestä.

Vaikka tehotransistorit selviäisivät tehtävästä helposti, ne eivät pysty siihen turvallisesti. Näissä sovelluksissa transistoreissa on saman puolijohteen perusmateriaalissa sekä digitaalisen jännitteen että suurjännitteen säätö. Tehotransistorin toimintahäiriö tai fyysinen vahingoittuminen voi nopeasti aiheuttaa tilanteen, jossa digitaaliseen logiikkaan ohjautuu tuhansien volttien jännite. Ohjauslaitteiston tuhoutumisen lisäksi tilanne on käyttäjälle vaarallinen.

Optinen erottaminen on perinteisesti ollut ensisijainen menetelmä pien- ja suurjännitejärjestelmien erottamiseen fyysisesti ja sähköisesti. Tyypillisen yhden kotelon kaksisiruisen optoerottimen toisessa sirussa on ledi, jonka synnyttämä valo – yleensä infrapunavalo – kulkee läpinäkyvän väliseinän läpi toisessa sirussa olevaan fotodiodireseptoriin. Fotodiodi muuntaa valon pienjännitesignaaliksi, jolla suurjännitepiiriä ohjataan.

Jotta optoerotin voisi ohjata tuhansia voltteja turvallisesti, LED-siru ja fotodiodisiru on molemmat koteloitu läpinäkyvään eristeeseen. Eriste on valmistettu materiaalista, joka kestää optoerottimen nimellisjännitteen.

Optoerottimet kestävät transienttia elektronista kohinaa ja ovat täysin immuuneja ympäristön magneettikentille, minkä ansiosta ne ovat paras valinta korkeajännitteisiin moottorinohjaussovelluksiin. Raskaaseen käyttöön tarkoitettujen sovellusten optoerottimet voivat kestää erittäin korkeita yli 10 000 voltin virtapiikkejä.

Optoerottimet eivät kuitenkaan toimi hyvin korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi optoerottimien ledit heikkenevät ikääntyessään. Koska optoerottimet muodostuvat kahdesta sirusta, niiden valmistusprosessi on yksisiruisia puolijohteita monimutkaisempi.

Galvaaninen erottaminen

Käyttökohteissa, joissa äärilämpötilat ovat todennäköisiä ja joissa pitkä käyttöikä on tärkeää, voidaan käyttää yhden kotelon galvaanisia erottimia. Siinä missä optisessa erottamisessa kaksi piiriä erotetaan ledeillä ja fotodiodeilla, galvaanisessa erottamisessa kaksi piiriä erotetaan sähköisesti varauskytketyillä komponenteilla. Tässä käytetään piidioksidiin (SiO₂) perustuvia kondensaattoreita tai induktoreita. Erottamisen tehokkuus riippuu SiO₂-eristeestä.

Galvaaniset erottimet ovat nopeita ja pitkäikäisiä laitteita, jotka on helppo liittää useimpiin mikro-ohjaimiin. Jotkin uusimmista markkinoille tuoduista galvaanisista erottimista ovat testeissä kestäneet jopa 6 000 voltin jännitteen. Lisäksi ne toimivat jopa 150 °C:n lämpötilassa ja kestävät yli 35 vuotta. Tämä parantaa koko järjestelmän turvallisuutta ja luotettavuutta ja vähentää huoltokustannuksia.

Esimerkiksi Texas Instrumentsin kuuden kanavan yleiskäyttöinen digitaalinen erotin ISO7762FDWR kestää jopa 5 000 volttia (tehollisarvo V_RMS), ja sen eristysjännitepiikki on 12 800 volttia (kuva 1). ISO7762-piiristä on saatavana kaksi versiota: ISO7762F-piirissä lähtöpinnien OUT[A:F] looginen oletustila on alhaalla ja ilman F-liitettä mallin tunnuksessa oletustila on ylhäällä.

Kuva 1: Texas Instruments ISO7762F on kuusikanavainen galvaaninen erotin, jossa on neljä kanavaa eteenpäin ja kaksi kanavaa taaksepäin. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

ISO7762F-piirissä on kaksi tehoaluetta, joista toinen on vasemmalla ja toinen oikealla. Alueet on erotettu sähköisesti ja fyysisesti erottavalla SiO-₂-kerroksella. Kullakin tehoalueella on omat erilliset virta- ja maadoituspinninsä.

Laitteessa on neljä kanavaa eteenpäin ja kaksi taaksepäin. Kaksi kanavaa taaksepäin (tulot E ja F) mahdollistavat tiedon lähettämisen suurjännitejärjestelmästä digitaaliseen ohjausjärjestelmään samalla kun tehoalueet erotetaan turvallisesti. Kumpaan tahansa suuntaan siirretyt tiedot voivat olla yksinkertaista digitaalista päälle/pois-tietoa tai sarjamuotoista tietoa, jossa käytetään UART-tekniikkaa tai kaksijohtimista I²C-tekniikkaa.

ISO7762F käyttää kutakin kanavaa varten kahta sarjaan kytkettyä SiO₂-kondensaattoria kahden jännitealueen erottamiseen. Digitaaliset tiedot lähetetään käyttämällä katkoavainnusmodulaatiota (OOK), jossa minkä tahansa tulon IN[A:F] loogista tilaa 1 vastaa kondensaattorin ylitse vaikuttava toiselle tehoalueelle välittyvä AC-signaali, ja loogista tilaa 0 vastaa 0 volttia. Vastaavan lähdön OUT[A:F] data heijastaa tulopinnin loogista tilaa. Kondensaattoreiden SiO₂-eriste erottaa turvallisesti suurjänniteohjauselektroniikan ja digitaalisen ohjausjärjestelmän tehoalueet.

ISO7762F-piirin suunnittelijat painottivat suurta eristysresistanssia turvallisuuden takaamiseksi. Nimellinen eristysresistanssi lämpötilassa 25 °C on enemmän kuin 1 teraohmi (TΩ). ISO7762F-piirin eristysvastus lämpötilassa 150 °C on enemmän kuin 1 gigaohmi (GΩ). Ominaisuutta havainnollistaa se seikka, että resistanssi on suurempi kuin ISO7762F-piiriä ympäröivän ilman resistanssi.

Texas Instruments ilmoittaa ISO7762F-piirin kestävyydeksi vähintään 37 vuotta, mutta galvaanisessa erottamisessa käytetyn eristekerroksen nimelliskestävyys on yli 135 vuotta. Vaikka laitteiden toimivuutta ei yleensä tarvitse taata niin pitkään, luvut antavat suuntaa niiden luotettavuudesta ja kestävyydestä.

Vielä suuremmille kestojännitteille tarkoitettu Texas Instruments ISO7821LLSDWWR on kaksikanavainen differentiaalierotuspuskuri, jonka nimellisjännite on 5 700 V_RMS ja jonka erotusjännitepiikki on 12 800 volttia (kuva 2). Molemmat kanavat toimivat vastakkaisiin suuntiin. Kukin kanava on differentiaaliparilähetin, jota käytetään pienjännitteiseen LVDS (differentiaalisignalointi) -tiedonsiirtoon jopa 150 megabitin sekuntinopeudella (Mbps).

Kuva 2: Digitaalisessa Texas Instruments ISO7821LLS -erottimessa on kaksi differentiaalikanavaa vastakkaisiin suuntiin. Kullakin lähtöpuskurilla on ohjaussignaali, joka voi asettaa lähdön korkeaimpedanssitilaan pois käytöstä. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

ISO7821LLS-piirissä galvaaniseen erottamiseen käytettävä SiO₂ on sama kuin ISO7762F-piirissä, mutta kahden kullakin kanavalla sarjaan kytketyn kondensaattorin sijaan ISO7821LLS-piirissä kullakin kanavalla on yksi kondensaattori. Se myös käyttää samaa katkoavainnusmodulaatiota digitaalisen datan siirtoon SiO₂ -kondensaattoreiden kautta.

Galvaaninen erotusohjain ISO7821LLS voi lähettää LVDS-tietoja teollisuustason kaapeleilla, kuten Beldenin 88723-002500, joka on kestävä kaksoiskierretty parikaapeli. Tässä korkealaatuisessa teollisuuskaapelissa on kaksi kierrettyä 22 AWG -johdinparia punaisessa kuoressa. Se on suunniteltu sisä- ja ulkokäyttöön, ja se voidaan myös haudata maan alle. Kaapeli kestää käyttölämpötiloja -70 °C – +200 °C, minkä ansiosta se soveltuu vaativiin ja jännitteeltään korkeisiin teollisuussovelluksiin, esimerkkinä aurinkoenergiaa käyttävät invertterit erittäin kuumissa tai erittäin kylmissä ympäristöissä. Ohjausyksikkö voi siirtää LVDS-ohjaustietoja molempiin suuntiin tämän Belden-kaapelin kautta aurinkoinvertterin sisällä sijaitsevalle ISO7821LLS-piirille. Muunninkotelossa tapahtuvista toimintahäiriöistä aiheutuva korkeajännitepiikki pysähtyy erottimeen, mikä suojaa pienjännitteistä ohjausyksikköä ja laitteen lähellä mahdollisesti olevia ihmisiä.

Texas Instruments ISO7821LLS-piirin kahdella lähdöllä on riippumattomat ohjaussignaalinsa, joilla vastaavat lähdöt voidaan asettaa korkeaimpedanssitilaan pois käytöstä. Tästä on hyötyä, jos laite asennetaan LVDS-väylään, jossa on useampi kuin yksi ajuri, ja sen on luovutettava väylä toiselle väylän ohjauslaitteelle. Tilanne voi tulla vastaan teollisuusympäristöissä, joissa suurjännitelaitteita on ohjattava eri ohjausyksiköillä eri paikoissa.

Jotta suunnittelijat voivat arvioida ISO7821LLS-piiriä, Texas Instrumentsilla tarjoaa tähän ISO7821LLSEVM-arviointipiirilevyä (kuva 3). Se vaatii mahdollisimman vähän ulkoisia komponentteja, ja sen avulla voidaan arvioida ISO7821LLS-piirin toimintaa ja suorituskykyä sekä seurata LVDS-väylän tietoliikennettä testi- ja vertailutarkoituksissa.

Kuva 3: Texas Instruments ISO7821LLSEVM -arviointimoduulin avulla voidaan testata ja arvioida kaksikanavaisen ISO7821LLS-differentiaalierottamispuskurin LVDS-tietoliikenteen toimintaa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Koska jokainen suurjännitesovellus on erilainen, ISO7821LLSEVM-moduulia ei ole tarkoitettu ISO7821LLS-piirin suurjännite-erottamisen testaamiseen.

Galvaanisen erottimen sijoitus

Galvaanisen suurjännite-erottimen sijoittelu on tehtävä erittäin huolellisesti tehokkaan erottamisen varmistamiseksi. Jotta piirilevy olisi EMI-ominaisuuksiltaan hyvä, on käytettävä normaaleja sijoitteluperiaatteita, joihin kuuluu vähintään nelikerroksinen piirilevy, jonka ylimmässä kerroksessa on nopeat johtimet, sen alla kiinteä maataso ja sen alla tehotaso. Hitaampien ohjaussignaalien tulisi sijaita alimmalla tasolla.

On erittäin tärkeää, että pienjännite- ja suurjännitekomponentit erotetaan piirilevyllä fyysisesti. Siksi artikkelissa esitellyissä erottimissa on erilliset tehoalueet kotelon vasemmalla ja oikealla puolella. Lisäksi yhden tehoalueen johtimet eivät saa kulkea toisen tehoalueen läheltä. Tällä ehkäistään signaali-interferenssiä.

Jos erotin sijaitsee suurjännitealueella, voi olla turvallisempaa kytkeä erotin niin, että pienjännitepuoli on piirilevyn reunaan päin. Tämä auttaa ehkäisemään suurjännitteiden kipinöinnin pienjännitepuolelle ja estämään siten erottimen toisessa päässä sijaitsevan pienjännite-elektroniikan vakavan vahingoittumisen.

Yhteenveto

Tuhansien volttien jännitettä käyttäviin teollisuuslaitteisiin tarvitaan komponentteja, jotka voivat turvallisesti erottaa nämä suurjännitteet korkeintaan 5 voltin digitaalisesta ohjauslogiikasta sekä laitteen että sen käyttäjien suojaamiseksi. Teollisuuslaitteiden luonne edellyttää, että erottaminen on toteutettu vakaasti ja luotettavasti, jotta se toimii pitkään myös äärimmäisissä lämpötilanvaihteluissa.

Kuten artikkelissa on kuvailtu, galvaaniseen erottamiseen perustuvat digitaaliset erottimet soveltuvat erottamis- ja käyttölämpötilaominaisuuksiltaan sellaisiin käyttökohteisiin. Jos komponenttien sijoittelu ja konfiguraatio toteutetaan huolellisesti, ne voivat ehkäistä omaisuus- ja henkilövahinkoja.