Os sistemas de distribuição modernos normalmente exigem combinações complexas de conversores de energia CA/CC e CC/CC isolados e não isolados. Os conversores de isolamento são usados principalmente para proteger sistemas e usuários no caso de falhas únicas ou múltiplas; Também é necessário fornecer energia às subfunções isoladas para manter a integridade do sinal.
Em princípio, o uso de ICs avançados pode facilmente projetar conversores de baixa a média potência com uma potência de cerca de 1000 watts, e diferentes compensações de desempenho podem ser alcançadas através de diferentes arquiteturas. Porém, na realidade, o desenvolvimento e validação de conversores estão longe de ser simples. Você deve atender pelo menos um conjunto básico de requisitos de desempenho funcional, incluindo tensão e corrente de saída nominais, eficiência, resposta transitória, dimensões físicas e proteção contra falhas para circuitos, cargas e fontes de alimentação.
Os desafios de design não se limitam ao conhecimento básico. Atualmente, é necessário cumprir uma série de requisitos regulamentares obrigatórios, abrangendo desempenho de segurança, eficiência em diferentes níveis de carga, desempenho de desligamento, desempenho térmico, emissão de interferência eletromagnética (EMI) e imunidade. Estes atributos devem ser validados por um laboratório de testes certificado, o que aumentará significativamente o tempo de projeto. Um simples plano independente de pesquisa e desenvolvimento pode rapidamente levar a riscos extremamente elevados, e você logo descobrirá que, quando se trata de escolher entre pesquisa e desenvolvimento independente ou terceirização, você rapidamente se inclinará para a última opção.
Se ainda tiver dúvidas, pode considerar que o conversor também deve ter função de isolamento elétrico. Embora este seja um requisito comum para quase todos os conversores CA/CC, alguns conversores CC/CC também exigem isolamento elétrico. Essa exigência introduz novas regulamentações, padrões obrigatórios de segurança e certificação, tornando as decisões dos autodesenvolvidos e terceirizados ainda mais inclinadas à compra, independentemente das especificações da fonte de alimentação.
A boa notícia é que os conversores de energia isolados e não isolados montados em placas de circuito têm múltiplas tensões e correntes nominais para escolher. Esses produtos simplificam muito o projeto e a implantação de produtos em áreas de aplicação como defesa, comunicação, testes e medição (isolados) e robôs móveis (não isolados), e podem ser combinados para alcançar funções de distribuição de energia.
Este tipo de conversor é plug and play, pode ser conectado à placa de circuito impresso principal (placa de PC) e o local específico é otimizado para o trilho de distribuição. Além disso, este tipo de conversor não necessita de suporte ou suporte independente. Simplificando, este tipo de produto pode servir como uma solução plug and play completa e fechada que atinge diretamente a funcionalidade de energia.
Conhecimento básico de isolamento elétrico
O isolamento elétrico é uma barreira elétrica usada para evitar a formação de um caminho condutor ("Ohmico") entre as duas extremidades de um sinal ou caminho de energia. No entanto, esta barreira ainda precisa de permitir que a energia e a electricidade sejam transmitidas através de outros meios de transmissão. O sinal, a fonte de alimentação ou ambos precisam ser isolados, mas isso depende do projeto. A tecnologia de isolamento utilizada depende das especificações específicas da corrente isolada.
Existem muitas razões pelas quais o isolamento elétrico é necessário. Para sinais, o isolamento elétrico pode melhorar a integridade dos sensores, eliminar loops de aterramento ou proteger usuários e circuitos em caso de falha, evitando que a corrente flua para o caminho do sinal.
Em termos de fornecimento de energia, o objetivo principal é garantir a segurança do usuário e evitar choques elétricos causados por contato acidental com fios CA ou fontes de energia CC de alta tensão. A isolação elétrica também atende aos requisitos de circuitos “flutuantes” utilizados para sinais sem potência, ou seja, não conectados ao terra do circuito.
De modo geral, o isolamento elétrico é um método para determinar a direção do fluxo de corrente com base na lei das correntes de Kirchhoff (KCL). Qualquer fluxo de corrente deve ter um caminho de volta à fonte, e a função do isolamento elétrico é cortar esse caminho. No caso de um possível choque elétrico, o transformador de isolamento na fonte de alimentação (Figura 1, à direita) cortará completamente o caminho da corrente de falha através do usuário e retornará ao terra (Figura 1, à esquerda).
Figura 1: Para evitar choque elétrico, o transformador de isolamento (direita) na fonte de alimentação corta o caminho da corrente de falha que passa pelo usuário e retorna ao terra (esquerda). (Fonte da imagem: Lumen Learning)
Em um cenário comum de choque elétrico, quando a camada de isolamento se desgasta, o cabo de alimentação energizado/aquecido entrará em contato direto com o invólucro metálico do equipamento. Mesmo que o dispositivo ainda possa operar normalmente, se a conexão de aterramento for desconectada (o que é uma situação comum), a corrente de falha fluirá através do usuário até o aterramento em vez de passar com segurança pelo fio de aterramento, e o usuário poderá sofrer choque elétrico neste momento.
Para controlar este risco, a função de isolamento na fonte de alimentação cortará o caminho da corrente entre a fonte de tensão original e o equipamento. Desta forma, pode evitar a formação de um circuito entre eles e, mesmo que haja falha na linha, pode eliminar o risco de choque elétrico.
Observe que a tensão de risco inclui tensão de linha CA e tensão CC equivalente, como a tensão de uma bateria multinúcleo. A maioria dos padrões regulatórios define tensão perigosa como tensão acima de 60 volts, dependendo da situação real e do tipo de tensão.
O isolamento de potência é quase sempre conseguido através do acoplamento magnético de transformadores. O acoplamento magnético possui excelente eficiência elétrica, forte praticidade técnica, aplicação flexível, alta confiabilidade, fácil personalização e pode atender simultaneamente aos requisitos regulatórios e de circuito.
Razões para escolher inúmeras soluções de alta qualidade
Devido ao uso de múltiplos barramentos de energia em sistemas modernos, existem muitas opções arquitetônicas no planejamento da distribuição. No entanto, quando certas partes do circuito devem ser isoladas enquanto outras partes não exigem ou proíbem o isolamento, a escolha do conversor de energia apropriado torna-se extremamente desafiadora.
Em alguns casos, os trilhos de alimentação CA/CC ou CC/CC de alta tensão não exigem isolamento, mas o isolamento precisa ser alcançado mais a jusante no link de distribuição. As decisões que os projetistas devem tomar incluem: usar uma única fonte de alimentação isolada de grande capacidade ou múltiplas fontes de alimentação isoladas de pequena capacidade; E se deve usar apenas fontes de alimentação isoladas nos locais necessários e fontes de alimentação não isoladas em outros locais (Figura 2).
Figura 2: Uma arquitetura completa de distribuição em nível de sistema normalmente requer uma combinação de conversores de energia CA/CC e CC/CC isolados e não isolados. (Fonte da imagem: TDK Lambda)
Para atender a essas necessidades, a TDK Lambda oferece uma variedade de conversores de energia AC/DC e DC/DC integrados buck/boost (buck/boost) isolados e não isolados, fornecendo múltiplas opções de tensão nominal de entrada/saída e corrente nominal. Especificamente, inclui:
O AC/DC isolado: PFE500F-28/T é um conversor de saída única, 28 volts/18 amperes (A) usado para entrada de corrente alternada (VAC) de 85 a 265 volts. Este conversor adota um módulo de tijolo totalmente fechado de 122 × 70 × 12,7 mm com capacidade de isolamento de entrada e saída de 3.000 volts VAC, adequado para ambientes onde convecção ou resfriamento de ar forçado não são possíveis.
O módulo fechado CA/CC não isolado: PF1500B-360 também tem tamanho de bloco completo e pode converter entrada CA em saída regulada de 360 VCC. É adequado para sistemas de energia distribuída equipados com conversores CC/CC isolados de alta tensão ou cargas que requerem fonte de alimentação de alta tensão. Com uma tensão de entrada de 170 a 265 VCA, sua potência nominal é de 1512 watts; Com uma tensão de entrada de 85 a 265 VCA, a potência nominal é de 1008 watts. O fator de potência deste módulo é de 0,98, com eficiência de até 96,5%.
DC/DC isolado: GQA2W024A050V-007-R O conversor DC/DC isolado é compacto em tamanho, embalado em um quarto de tijolo e tem excelente desempenho. Ele pode produzir 120 watts de potência e possui uma tensão de isolamento de entrada e saída de até 3.000 VCC. A faixa de tensão de entrada de trabalho deste conversor é de 9 V a 36 V, e ele pode produzir corrente de 5 V a 24 A. Seu empacotamento mecânico fornece diversas configurações estruturais, como placa inferior, selada e encapsulada (ver Figura 3), que pode ser resfriado por convecção e condução através de placas frias externas ou dissipadores de calor.
Figura 3: O conversor GQA2W024A050V-007-R oferece diversas opções de configuração de embalagem, proporcionando aos projetistas alta flexibilidade no design geral da embalagem e no resfriamento do conversor. (Fonte da imagem: TDK Lambda)
CC/CC não isolado: I6A24014A033V-003-R O conversor CC/CC de ponto de carga (PoL) não isolado é ideal para criar trilhos de tensão de saída de alta corrente a partir de fontes de alimentação de 12 VCC ou 24 VCC. A faixa de tensão de entrada deste conversor é de 9 V a 40 V, com uma corrente de saída de até 14 A e uma faixa de regulação de saída de 3,3 V a 24 V. Ele é embalado em um design compacto de 1/16 tijolo.