أخبار التكنولوجيا

كيفية تطبيق وحدة الطاقة المعزولة في عزل الإشارة


لكل ماوريتسيو: مؤلف المقال وفينس وين، مهندس تسويق المنتجات في MPS

إرسال الإشارات في كل مكان. في التطبيقات الصناعية، مثل محطات شحن السيارات الكهربائية (EV) وأنظمة التشغيل الآلي المزودة بوحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLCs)، هناك جهد كهربائي عالي (يصل إلى عدة كيلو فولت) يمكن أن يشكل خطورة على جسم الإنسان. يمكن أن يمر هذا النوع من الجهد الخطير أيضًا عبر خط الإشارة، مما قد يتسبب في تداخل الإشارة وقد يؤدي في النهاية إلى تدمير الأجهزة الإلكترونية الطرفية.

يعد نقل الإشارات والطاقة عبر حاجز العزل طريقة يمكن أن تساعد في التغلب على هذه التحديات. ستوفر هذه المقالة نظرة عامة حول عزل الإشارة للواجهة الطرفية التسلسلية (SPI)، بالإضافة إلى واجهات RS-232 وRS-485 وCAN. وسيشرح أيضًا كيف يمكن استخدام وحدات الطاقة المعزولة لعزل الإشارة باستخدام حل وحدة الطاقة MIE1W0505BGLVH، وهو حل سهل الاستخدام وصغير جدًا لوحدة الطاقة، كمثال.

مقدمة إلى العزلة

يمثل نقل الطاقة والإشارات في وقت واحد مع ضمان عزل الإرسال تحديًا للمهندسين، خاصة وأن العزل أمر بالغ الأهمية لسلامة الإنسان وحماية النظام وسلامة الإشارة.


26.09.2023

التطورات في برامج تشغيل LED للإضاءة الخارجية للسيارات من الجيل التالي

18.09.2023

تخفيض تكلفة إنتاج الدوائر المتكاملة في عصر التكامل

14.09.2023

  1. السلامة: بالنسبة لتطبيقات مثل الروبوتات الصناعية أو محطات شحن المركبات الكهربائية أو المعدات الطبية، يوجد مستوى جهد أعلى من كيلو فولت، لكن البشر قادرون على البقاء على قيد الحياة فقط حوالي 36 فولت. العزل يمكن أن يحمي المستخدمين من المستويات العالية بشكل خطير.
  2. حماية النظام: يمكن لتقنية العزل حماية المرافق والأجهزة الإلكترونية المهمة من الأضرار الناجمة عن زيادة الفولتية.
  3. سلامة الإشارة: قد يتأثر نقل الإشارة باضطرابات التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي (EMI)؛ يساعد العزل في الحفاظ على سلامة الإشارة.

تقنيات عزل أشباه الموصلات

يمكن أن تحتوي الدائرة المتكاملة لأشباه الموصلات على حاجز عزل متكامل يوفر العزل في الأنظمة الكهربائية. يعد استخدام دائرة متكاملة معزولة طريقة بسيطة لتشكيل نظام عالي الجهد وعالي الطاقة بدون دوائر عزل زائدة عن الحاجة. تشمل تقنيات عزل أشباه الموصلات الشائعة ما يلي:

  1. العزل البصري: إن optocoupler هو مكون سلبي يحول الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية، ثم يحول الإشارة الضوئية مرة أخرى إلى إشارة كهربائية. تسمح هذه العملية بنقل الإشارة الكهربائية عبر ناقلات بصرية، مثل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). يتم استخدام Optocouplers على نطاق واسع في تصميمات الطاقة flyback والسيناريوهات الأخرى المتعلقة بنقل الإشارات.
  2. العزل السعوي: يمكن للمكثف أن يوقف تدفق تيارات التيار المستمر مع السماح لتيارات التيار المتردد بالمرور. مع أخذ هذا في الاعتبار، من الممكن تعديل الإشارة عندما تتدفق عبر المكثف، مما يحقق العزل أثناء إرسال الإشارة. يختلف العزل السعوي عن العزل البصري حيث لا يلزم سوى كمية صغيرة من تيار التحيز، وهو أمر مفيد مقارنة بمصابيح LED التي تتطلب تيارًا متحيزًا أكبر. بالإضافة إلى ذلك، تتميز العزلة السعوية بسرعة نقل أعلى، وتأخير نشر أقل، ومناعة قوية لـ EMI.
  3. العزل المغناطيسي: يتم نقل الطاقة والإشارات عبر اقتران المجال المغناطيسي من خلال ملف مغناطيسي. عادة، يتم استخدام المحول لتحقيق العزل المغناطيسي، والذي يستخدم في الغالب في تبديل مصادر الطاقة وتصميم وحدة الطاقة.

كيف يتم استخدام وحدات الطاقة المعزولة في نقل الإشارات

هناك أنواع مختلفة لنقل الإشارات، بما في ذلك SPI، وRS-485، وRS-232، وCAN. في التطبيقات الصناعية عالية الطاقة، يتأثر نظام الأجهزة حتمًا بالجهد العالي الخطير عندما يتم نقل الإشارات من نظام جهاز إلى آخر. يمكن لهذه الفولتية العالية أيضًا كسر سلسلة الإشارة. لتجنب هذه المشكلة، من الضروري استخدام عازل إشارة ووحدة طاقة معزولة. تشرح هذه المقالة كيف يمكن استخدام وحدة طاقة معزولة مع عمليات إرسال الإشارات (SPI وRS-485 وRS-232 وCAN) (انظر الشكل 1).

الشكل 1: وحدة الطاقة المعزولة MPS.
الشكل 1: وحدة الطاقة المعزولة MPS

الواجهة الطرفية التسلسلية (SPI)

SPI هو وضع اتصال عالي السرعة ومزدوج الاتجاه يتيح إرسال الإشارة عبر أربع قنوات إشارة (3 للأمام و1 للخلف) (انظر الشكل 2). يمكن إرسال الإشارة إما من السيد إلى العبد، أو بشكل عكسي من العبد إلى السيد. لتحقيق العزل الكهربائي أثناء نقل الإشارة، يمكن للمصممين إضافة حاجز عزل كهربائي بين وحدة التحكم الدقيقة للجهاز الرئيسي (MCU) والجهاز التابع (جهاز الإرسال والاستقبال).

الشكل 2: واجهة اتصالات SPI مع حاجز العزل الكهربائي.
الشكل 2: واجهة اتصالات SPI مع حاجز العزل الكهربائي

يمكن تنفيذ حاجز العزل الكهربائي باستخدام عازل رقمي، مثل MP27631، ووحدة طاقة معزولة، مثل MIE1W0505BGLVH (انظر الشكل 3). يمكن أن يوفر عازل الإشارة عزلًا بينما يسمح للإشارة بالمرور من خلالها؛ ومع ذلك، فإن هذا المكون هو مكون نشط يتطلب جهدًا متحيزًا على جانبه الأساسي وجانبه الثانوي. يعد MIE1W0505BGLVH جزءًا من جيل جديد من وحدات الطاقة المعزولة وفعالة من حيث التكلفة مع مناعة EMI ممتازة، بالإضافة إلى تنظيم الخط والحمل. تدعم وحدة الطاقة هذه ما يصل إلى 2.5 كيلو فولت من جهد العزل في حزمة LGA صغيرة جدًا (4 مم × 5 مم).

الشكل 3: حاجز عزل اتصالات SPI مع وحدة الطاقة المعزولة ومعزل الإشارة.
الشكل 3: حاجز عزل اتصالات SPI مع وحدة الطاقة المعزولة ومعزل الإشارة

رس-485

في بروتوكول RS-485، يتم إرسال الإشارة بشكل تفاضلي في زوج ملتوي (حيث السلك 1 = السلك A، والسلك 2 = السلك B). يتم تحديد مستويين منطقيين بين السلك A والسلك B، ومستوى المنطق الإيجابي هو +2V إلى +6V، بينما المستوى المنطقي السلبي هو -2V إلى -6V. يعمل هذان المعادلان على المستوى المنطقي على تمكين حالة النظام أو تعطيلها. مع ناقل الحركة التفاضلي، يمكن لـ RS-485 تحسين مناعة النظام EMI بشكل كبير. تتطلب طريقة النقل هذه 3 قنوات إشارة وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية مثل تلك التي تحتوي على التحكم في الحركة ومعالجة نظام التحكم (انظر الشكل 4).

الشكل 4: حاجز عزل الاتصالات RS-485 مع وحدة الطاقة المعزولة وعازل الإشارة.
الشكل 4: حاجز عزل الاتصالات RS-485 مع وحدة الطاقة المعزولة وعازل الإشارة

آر إس-232

بروتوكول RS-232 هو بروتوكول اتصال بسيط من نقطة إلى نقطة (انظر الشكل 5). بالمقارنة مع RS-485، يتميز RS-232 بسرعة إرسال أبطأ ومسافة أقصر. وقد تم استخدامه على نطاق أوسع في الأجيال الأقدم من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

الشكل 5: حاجز عزل الاتصالات RS-232 مع وحدة الطاقة المعزولة وعازل الإشارة.
الشكل 5: حاجز عزل الاتصالات RS-232 مع وحدة الطاقة المعزولة وعازل الإشارة

يستطيع

يتمتع بروتوكول CAN، الذي طورته شركة Bosch، بموثوقية وأداء عاليين. بالمقارنة مع RS-485، فإن سرعة الاتصال في الوقت الفعلي لحافلة CAN أسرع وأكثر استقرارًا. وفي الوقت نفسه، تتمتع CAN بطوبولوجيا أبسط تتطلب قناتين للإشارة فقط (انظر الشكل 6). يُستخدم بروتوكول الاتصال CAN على نطاق واسع في التطبيقات عالية الموثوقية مثل أجهزة السيارات والأجهزة الطبية والصناعية.

الشكل 6: حاجز عزل الاتصالات مع وحدة الطاقة المعزولة وعازل الإشارة.
الشكل 6: حاجز عزل الاتصالات مع وحدة الطاقة المعزولة وعازل الإشارة

وحدات الطاقة المعزولة في التطبيقات الحقيقية

فيما يلي العديد من التطبيقات الحقيقية التي توضح كيفية استخدام وحدات الطاقة المعزولة.

أنظمة PLC

PLCs هي وحدة تحكم رقمية مصممة خصيصًا لأنظمة الأتمتة الصناعية. يشتمل PLC على وحدة المعالجة المركزية (CPU)، والذاكرة، وعمليات الإدخال/الإخراج، ومحركات المحركات، ومصدر الطاقة. إن PLC هو عقل أنظمة الأتمتة الصناعية ويمكنه التحكم في حركات الآلات، واكتشاف ضغط الغاز، واكتشاف درجة الحرارة عبر أجهزة الاستشعار، والتفاعل مع الإنسان من خلال واجهة الإنسان والآلة (HMI)، وتحقيق اتصال البيانات مع الأجهزة الكهربائية الأخرى. يمكن لوحدات الطاقة المعزولة مثل MIE1W0505BGLVH توفير مصدر طاقة قوي لسلسلة اتصالات البيانات من خلال واجهة RS-485 أو واجهة الإدخال/الإخراج. ويبين الشكل 7 كتلة وظيفية PLC.

الشكل 7: مخطط الكتلة الوظيفية PLC.
الشكل 7: مخطط الكتلة الوظيفية PLC

محطات شحن المركبات الكهربائية

تعيد الطاقة الجديدة تشكيل العالم، وستستمر السيارات الكهربائية في أن تصبح أكثر شيوعًا بينما نسعى إلى مصادر الطاقة المستدامة. تستمد محطات الشحن الطاقة من شبكة الكهرباء وتستخدمها كمصدر للطاقة لشحن بطاريات السيارات الكهربائية. جهد الخرج لشبكة الكهرباء (Vخارج) أو جهد دخل محطة الشحن (Vفي) يمكن أن تصل إلى 480 فولتتكييفوهو أمر خطير. توفر وحدات الطاقة المعزولة مثل MIE1W0505BGLVH تقنية عزل عالية الموثوقية يمكنها حماية السائقين وحتى إلكترونيات السيارة من الفولتية العالية. يوضح الشكل 8 مخططًا وظيفيًا لمحطة شحن المركبات الكهربائية.

الشكل 8: مخطط الكتلة الوظيفية لمحطة شحن EV.
الشكل 8: مخطط الكتلة الوظيفية لمحطة شحن EV

الدراجات الإلكترونية

تعاني المدن ذات الكثافة السكانية العالية والتي تتمتع بنمو اقتصادي سريع من الازدحام المروري الذي يمكن أن يزيد من أوقات التنقل، ومن انبعاثات الكربون، ويؤدي إلى وقوع إصابات عند وقوع حوادث. تعتبر الدراجات الإلكترونية وسيلة مواصلات ناشئة وأسهل، خاصة للمسافات القصيرة. يمكن لوحدات مثل MIE1W0505BGLVH حماية راكبي الدراجات من التعرض للأذى بسبب حزمة بطارية الدراجة 48 فولت، كل ذلك مع الحفاظ على سلامة الإشارة لواجهة اتصال الإشارة. يوضح الشكل 9 مخططًا وظيفيًا للدراجة الإلكترونية.

الشكل 9: مخطط الكتلة الوظيفية للدراجة الإلكترونية.
الشكل 9: مخطط الكتلة الوظيفية للدراجة الإلكترونية

خاتمة

توضح هذه المقالة المفهوم الأساسي للعزل وكيف يمكن تنفيذ وحدة طاقة معزولة، مثل MIE1W0505BGLVH، في عزل الإشارة. يعد MIE1W0505BGLVH حلاً سهل الاستخدام لوحدة الطاقة الصغيرة جدًا مع أداء ممتاز.

مع تطور تطبيقات إنترنت الأشياء (IoT) واستخدام المزيد من الطاقة، ستصبح البيئات الصناعية أكثر تعقيدًا. وعلى وجه الخصوص، سيواجه المصممون تغييرات حيث يلزم وجود تكامل إضافي للإشارة بين المعدات الصناعية والمعدات التي يستخدمها البشر. ولهذا السبب من الضروري أن يكون لديك وحدات طاقة معزولة بالإضافة إلى منتجات أخرى مثل العوازل الرقمية، ومحركات البوابة المعزولة، ومحركات المحولات لتلبية أي احتياجات للتطبيق.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *