العزلة الكلفانية المبسطة في التطبيقات الصناعية

[ad_1]

داخل البيئات الصناعية، هناك العديد من الحالات التي تتطلب عزلًا كلفانيًا لأجزاء الدائرة. يمكن إرسال الإشارات المفيدة سعويًا أو حثيًا أو بصريًا عبر حاجز العزل. يوضح المثال التالي للدائرة كيف يمكن استخدام العوازل الرقمية السعوية لعزل الأجهزة الصناعية عن بعد كهربائيًا.

يعد نقل البيانات الخالية من التداخل والسلامة الشخصية تحديين رئيسيين للإلكترونيات في البيئات الصناعية النموذجية. إن المجالات الكهرومغناطيسية القوية، والجهد الزائد، والفولتية العابرة، والتداخل الكهرومغناطيسي العالي (EMC) هي أمر اليوم. على سبيل المثال، إذا تم وضع كابل الاتصال بالقرب من كابل التحكم الخاص بعاكس التردد بشكل غير مناسب، فإن النبضات تقترن بالسعة وتتأرجح الإشارات الموجودة في كابل الاتصال مع نمط النبض الخاص بعاكس التردد. يمكن أن يصل هذا التداخل بسرعة إلى مستوى يمكن أن تحدث فيه أعطال كبيرة بل وتعريض سلامة الأشخاص للخطر.

على سبيل المثال، عندما يتم قياس درجة حرارة المحرك باستخدام المزدوج الحراري، يتم توليد الفولتية في نطاق الميليفولت. إذا تم الآن نقل هذه الفولتية عبر كابل طوله عدة أمتار إلى وحدة تحكم مركزية تشير إلى إمكانات أرضية مختلفة، فإن إشارة القياس ستتشوه بسبب اختلافات الجهد.

إذا لخصنا الظواهر الموصوفة أعلاه، تبرز التحديات الأربعة التالية:

• حاجز الأمان بين الفولتية الخطرة والمستخدمين
• فصل الحلقات الأرضية بين الدوائر المكانية
• التقليل من التدخل في الوضع المشترك
• نقل البيانات خالية من التدخل

ويبين الشكل 1 حالة نظام نقل البيانات بيانياً. لتلبية متطلبات حماية الفولتية الخطرة من المستخدم مع ضمان نقل البيانات بدون تداخل، يجب تنفيذ عزل كلفاني يفصل المناطق كهربائيًا – أي من حيث الإمكانات – حتى تتمكن من العمل بشكل منفصل وبالتالي دون تداخل. يتم تشغيل تدفق البيانات عبر المعزل الرقمي. ومع ذلك، يتم منع التداخل والتيارات المعادلة المحتملة عن طريق العزلة الجلفانية.

قياس معزول لجهد البطارية

يعد التسجيل اللامركزي للمعلمات الفيزيائية هو أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا. ومع ذلك، فإن تسجيل البيانات على الكائن غالبًا ما يمثل تحديًا، وغالبًا ما يكون النقل اللاسلكي للبيانات غير ممكن. يجب تسجيل البيانات على الكائن بطريقة لا يؤثر فيها المسبار على المتغير المراد قياسه؛ وإلا، سوف تحدث أخطاء القياس. وهذا يتطلب فصلًا كهربائيًا، والذي يجب تنفيذه في الدوائر. علاوة على ذلك، يجب أن يكون النقل السلكي للبيانات خاليًا من الإمكانات ومتماثلًا بحيث لا يتم إزعاج الإرسال بواسطة الاقتران الكهرومغناطيسي والحلقات الأرضية. في هذا التطبيق، تم تجنب استخدام وحدات التحكم الدقيقة عمدًا لإثبات أنه يمكن تنفيذ تصميم قوي وخالي من التداخل بجهد قليل باستخدام تقنية الدوائر التناظرية.

وينقسم التصميم إلى دائرتين: جهاز الإرسال والاستقبال. يمكن لمحول الطاقة اكتشاف جهد تيار مستمر يبلغ ± 30 فولت_الأعلى مع فترة تقلب ثانية واحدة. تم تقليل استهلاك التيار إلى أدنى حد ممكن، مع مصدر طاقة 15 فولت، يكون أقل من 85 مللي أمبير لجهاز الإرسال و<25 مللي أمبير لجهاز الاستقبال. يتم عزل كل من المرسل والمستقبل كهربائيًا - المرسل بين الحصول على بيانات القياس ومسار إرسال الإشارة، والمستقبل بين مسار إرسال الإشارة وإخراج البيانات. تم استخدام وحدات طاقة DC/DC خاصة وعوازل رقمية ذات عزل كلفاني وسعة اقتران طفيلية منخفضة بشكل خاص لتحقيق هذا العزل في الدوائر. يتم إرسال الإشارة بين المرسل والمستقبل عبر كابل من سلكين. اعتمادا على التأثيرات البيئية الكهرومغناطيسية، يمكن أن تصل المسافة إلى عدة مئات من الأمتار.

تصميم دائرة الارسال

ويبين الشكل 2 الرسم التخطيطي لجهاز الإرسال. تنقسم الدائرة إلى ست كتل:

• المسبار: محول قياس مزود بمقسم جهد ومضخم لقياس القطبية الموجبة والسالبة (1)
• شيفتر المستوى: شيفتر المستوى لمحول الجهد إلى التردد (2)
• محول الجهد إلى التردد: إشارة خرج رقمية، يعتمد التردد على جهد الدخل (3)
• المعزل الرقمي: عزل كلفاني بين قياس الجهد والواجهة (4)
• المخزن المؤقت للواجهة: مشغل خط منخفض المقاومة مع خرج متوازن (5)
• مصدر الطاقة: محول DC/DC، محولات معزولة جلفانيًا لقسم رأس المسبار (6)

لضمان الموثوقية الوظيفية، يتم توفير تدابير الحماية المؤقتة والمرشحات على جانب المسبار وفي مخرج السائق؛ يتم أيضًا توفير مرشحات التردد المنخفض قبل وبعد وحدات الطاقة DC/DC لتخفيف اقتران التردد اللاسلكي بشكل فعال.

تصميم دائرة الاستقبال

ويبين الشكل 3 الرسم التخطيطي لجهاز الاستقبال. تنقسم الدائرة إلى خمس كتل:

• المخزن المؤقت للإدخال: التقاط الإشارة، وتكييف الإشارة مع إدخال متوازن. يشير كاشف الارتباط إلى ما إذا كان هناك اتصال يمكن اكتشافه بجهاز الإرسال (1).
• المعزل الرقمي: عزل كلفاني بين إشارة الإدخال وواجهة معالجة/إخراج الإشارات الثانوية. جهد كهربائي معزول غلفانيًا إضافيًا للمخزن المؤقت لجانب الإدخال (2).
• محول التردد إلى الجهد: يولد جهد الخرج من إشارة رقمية. يعتمد مستوى الجهد على تردد إشارة الدخل (3).
• واجهة عازلة مع عرض قطبية: محول المستوى لإشارة الإخراج. إشارة الخرج لها قطبية موجبة، ويظهر مؤشر القطبية قطبية إشارة الدخل (4).
• مصدر الطاقة: محول DC/DC للإمداد الثانوي (5).

يتم أيضًا توفير العديد من مقاييس التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) في قسم جهاز الاستقبال. تم تجهيز مدخل الإشارة القادمة من كابل الزوج الملتوي بحماية عابرة ومرشح الوضع المشترك لتخفيف التداخل القادم من الكابل بشكل فعال. تم تجهيز مصادر الطاقة حول محولات DC/DC بمرشحات تمرير منخفض على جانبي الإدخال والإخراج لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي بشكل كبير من خارج وداخل الدائرة الناتج عن عمليات التبديل لمحولات DC/DC. وهذا يضمن نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية ومستوى عالٍ من الموثوقية الوظيفية.

العوازل الرقمية بالسعة

المعزل الرقمي من Würth Elektronik^1,2 يتكون من مذبذب ومغير على الجانب الأساسي. يوجد مزيل التشكيل ومخزن مؤقت للإشارة على الجانب الثانوي. يتم عزل المكونات الموجودة على الجانب الأساسي كهربائيًا عن المكونات الموجودة على الجانب الثانوي بواسطة هيكل سعوي مع حاجز عزل مصنوع من SiO₂. يتم إرسال الإشارة عبر حاجز العزل باستخدام عملية تعديل تُعرف باسم مفتاح التشغيل والإيقاف (OOK). يتم استخدام المذبذب المدمج في الشريحة لتعديل إشارة الإدخال، والتي تعمل عبر مشغل شميت. يقوم المغير بإنشاء إشارة تفاضلية يتم إرسالها عبر خطوط العزل السعوية.

لقد تم إنشاء هيكلين للاتصالات في عالم العوازل الرقمية: القائم على الحافة و OOK. ومن حيث المبدأ، يمكن اعتبارهما أساليب متكافئة. ومع ذلك، اعتمادًا على متطلبات التطبيق، يمكن أن تؤثر الاختلافات بين المعماريين على القرار.

مع البنية القائمة على الحافة، لم يعد يتم أخذ عينات من حالات الإدخال والإخراج بمجرد تنشيط إشارة البيانات. في حالة انقطاع التيار الكهربائي أو فشل إشارة البيانات، يمكن أن يؤدي هذا السلوك إلى حدوث خطأ. ولذلك، تتطلب الطريقة القائمة على الحافة دائرة تحديث متكاملة لتقليل مخاطر الأخطاء في ظل هذه الظروف ولتضخيم حالة الإدخال عند الإخراج.

باستخدام OOK، يتم أخذ عينات من متغير الإدخال بشكل مستمر وإرساله عبر حاجز العزل. نظرًا لأخذ عينات الإدخال بشكل مستمر، لن تظهر أي أخطاء في الإخراج في حالة حدوث تغيير غير مقصود في العرض أو إشارة الإدخال. مع OOK، لا توجد حاجة إلى دوائر تحديث إضافية كما هو الحال مع الحافة.

وبالتالي فإن الفرق الأول بين الطريقتين هو استهلاك الطاقة. تستهلك البنية القائمة على الحافة طاقة أقل، حيث يتم أخذ عينات منها مرة واحدة فقط، بينما تتطلب البنية OOK طاقة دائمة.

نقطة التمايز الثانية هي أن نظام تعديل OOK يوفر مزايا متأصلة من حيث الضوضاء والسلوك العابر مع CMTI أعلى بكثير والفائدة الإضافية المتمثلة في معدلات بيانات أعلى بسبب أخذ العينات المستمر.

تلخيص:

• البنية القائمة على الحافة: خسائر أقل ومعدل بيانات أقل
• مفتاح التشغيل والإيقاف: سلوك آمن من الفشل، وCMTI محسّن وسلوك ضوضاء أكثر قوة

يوضح الشكل 4 كتل الدائرة. يقوم مزيل التشكيل، الموجود على الجانب الثانوي من المعزل، بوظائف التضخيم والترشيح وإعادة بناء إشارة الدخل. يتم تقليل تأخير الإشارة وتشويه الإشارة. أخيرًا، يقوم المخزن المؤقت بتوجيه الإشارة من مخرج مزيل التشكيل إلى الإخراج الإجمالي، حيث يقوم المخزن المؤقت بتضخيم الإشارة إلى المستوى المطلوب.

السلامة اولا! في حالات الطوارئ، يجب أن تحمي العوازل الرقمية الأشخاص من الفولتية الخطيرة.

ولذلك يجب عليهم تلبية أعلى متطلبات السلامة والمتانة. تم اعتماد العوازل الرقمية لسلسلة CDIP وCDIS من Würth Elektronik من قبل VDE في ألمانيا وفقًا لأحدث المعايير وأكثرها تطلبًا، DIN EN IEC 60747-17 (VDE 0884-17):2021-10 “المقرنات المغناطيسية والسعوية للعزل الأساسي والعزل المقوى” (انظر الجدول 1).

ولكن ماذا يعني المصطلحان “الأساسي” و”المعزز” بالنسبة لسلامة الشخص؟ المعيار نفسه يعطي فقط تعريفًا مجردًا إلى حد ما هنا – راجع IEC 60747-17:202X:

متى نختار العزلة الأساسية أو المعززة؟ ببساطة، تعتبر نقطتي “حالة الخطأ الفردي” و”ظروف التشغيل العادية” مهمة هنا. يضمن العزل المقوى الحماية ضد الصدمات الكهربائية حتى في ظل ظروف الخطأ الفردي في التشغيل العادي. يكون العزل الأساسي فعالاً فقط في التشغيل العادي، أي دون النظر إلى خطأ واحد.

خاصية النقل الخطي

يوضح الشكل 5 العلاقة بين الجهد المقاس والجهد الذي يتم عرضه بعد ذلك عند الخرج. تكون خاصية النقل خطية تقريبًا عبر نطاق جهد الإدخال بأكمله من -30 فولت إلى 30 فولت. وبالتالي فإن التصميم الموضح الذي يتكون من جهاز إرسال وجهاز استقبال ثنائي الفينيل متعدد الكلور متصل عبر كبل مزدوج مجدول يعد حلاً مناسبًا للحصول على البيانات المعزولة غلفانيًا ونقلها.

مراجع

¹أولوداغ، ت. (6 ديسمبر 2023). “عزل كلفاني موثوق ومبسط.” أخبار إلكترونيات الطاقة.

²وورث الكترونيك. “معيار المعزل الرقمي السعوي WPME-CDIS.”

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

التدوينة العزلة الكلفانية المبسطة في التطبيقات الصناعية ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.

[ad_2]