Galvanicky oddělené napájecí zdroje

Kdy potřebuji galvanicky oddělený napájecí zdroj?

V mnohých aplikacích napájecí zdroj převádí střídavé síťové napětí na nižší stejnosměrnou úroveň vhodnou pro cílovou aplikaci. Je-li třeba, lze použít další DC/DC měniče pro vytvoření vyšších nebo nižších napětí z tohoto stejnosměrného napětí dle požadavků vyvíjeného systému. V průběhu běžného provozu nesmí být uživatel vystaven nebezpečným napětím. Pokud se však na napájecím vstupu objeví napěťová špička nebo přechodový děj, vzniká značné riziko, že vysoká napětí mohou proniknout k částem zařízení, kterých se uživatel smí dotýkat. Aby byla v takové situaci poskytnuta ochrana, jsou to opatření galvanického oddělení zdroje, která zajišťují bezpečnost koncového uživatele. Existují však další případy, v nichž jsou požadavky na galvanické oddělení definovány přísněji.

Které aplikace určují přísnější požadavky pro galvanické oddělení?

Lékařské aplikace jsou jedním z několika tržních sektorů, v nichž je galvanické oddělení definováno detailněji. Pacienti mohou být trvale připojeni k monitorovacím zařízením, s elektrickými snímači připevněnými na těle. K tomu navíc mohou být v bezvědomí a neschopni osobně řešit případnou nehodu. Takové snímače se nazývají „Applied Parts“ a jsou jedním z několika klíčových pojmů definovaných v IEC 60601 – normě určující požadavky na lékařské elektrické a elektronické systémy.

Je vyžadováno MOP (Means of Protection), což může zahrnovat bezpečnostní izolaci, povrchové cesty, vzdušné vzdálenosti, vzduchové mezery, ochrannou zem a jiné techniky. Tato opatření jsou potřebná jak pro ochranu pacienta (Means of Patient Protection, MOPP), tak pro ochranu obsluhy (Means of Operator Protection, MOOP).

Obr. 1  Použití vhodného DC/DC měniče k dosažení třídy ochrany 2 x MOPP v lékařských zařízeních; případně AC/DC zdroje Traco Power se stupněm galvanického oddělení 2 x MOPP ke splnění daných požadavků

Otázka galvanického oddělení nicméně nebývá výhradně o bezpečnosti. Někdy se zdroje s galvanickým oddělením používají k vyřešení problémů vzniklých v důsledku působení zemních smyček v průmyslových nebo audio/video systémech nebo k dosažení elektromagnetické kompatibility (EMC). Také se vyskytují ve fotovoltaických systémech, v zařízeních s ukládáním elektrické energie, v domácích spotřebičích, v audio/video aplikacích a zařízeních IT. Někteří konstruktéři je používají také pro vytváření posunutého referenčního napětí za pomoci DC/DC měniče.  

Jakým způsobem je ve zdrojích galvanické oddělení realizováno?

Použitím součástek poskytujících galvanické oddělení lze u oddělených zdrojů zajistit, že ze vstupní strany neteče žádný proud na stranu výstupní. Toho lze typicky dosáhnout vhodně navrženým transformátorem spolu s dalšími součástkami, takovými, jako jsou optočleny. U AC/DC zdrojů se jedná o relativně snadnou úlohu, jelikož transformátory jsou standardní součástkou. DC/DC měniče však často vyžadují pro zajištění galvanického oddělení vstupní a výstupní strany přechod k odlišné topologii.

Obr. 2  Typický AC/DC zdroj s galvanickým oddělením využívá k přenosu stavu sekundární strany na stranu primární optočlenu

Nejrůznější regulační orgány, takové jako Underwriters Laboratory (UL) v USA a IEC a VDE v Evropě, určují požadovanou úroveň izolace. V IEC 62368 je například stanoveno pět kategorií elektrické izolace:

• Funkční izolace: vyžadována pro správnou funkci zařízení.
• Základní izolace: k zajištění základní ochrany proti zásahu elektrickým proudem.
• Přídavná izolace: dodatečná izolace ke snížení rizika úrazu v případě selhání základní izolace.
• Dvojitá izolace: použití základní i přídavné izolace.
• Zesílená izolace: využívá materiálů takových elektrických a mechanických vlastností, které umožňují dosáhnout úrovní dvojité izolace za použití jediné vrstvy.

Úroveň oddělení je definována v katalogovém listu zdroje jako napětí pro různé dočasné podmínky, nikoli trvalý provoz. Jednotku lze například specifikovat, že snese 4 000 V_stř mezi vstupem a výstupem po dobu 60 sekund. Totéž zařízení ale může být specifikováno, že snese 1500 V_stř mezi vstupem nebo výstupem proti kostře nebo PE (Protective Earth).

Jaké jsou nevýhody měničů s galvanickým oddělením?

Největším problémem při vývoji DC/DC měniče s galvanickým oddělením je vyšší obvodová složitost ve srovnání s konstrukcí bez oddělení. Tato skutečnost ovlivňuje vše od vývojového času a výběru součástek po hmotnost a účinnost a ve výsledku zvyšuje cenu.    

U AC/DC měničů potřebují sekundární a primární strany sdílet informace. Jedná se o provozní informace, jako je úroveň zatížení, stejně jako o jakýchkoli obvodových poruchách nebo zkratu. Tato data se typicky přenášejí za pomoci optočlenu.

Obr. 3  Galvanicky oddělený měnič s topologií Flyback může využít třetího vinutí transformátoru ke zlepšení účinnosti

U DC/DC měničů je to transformátor, který zajišťuje galvanické oddělení. Na rozdíl od standardních indukčností použitých v neoddělených měničích je tato součástka s velkou pravděpodobností navržena speciálně pro danou aplikaci. Tato skutečnost zvyšuje její cenu a může při výrobě vyžadovat ruční pájení. Transformátory jsou také objemné, následkem čehož je objemnější i koncové zařízení, stejně jako je těžší v poměru k dodanému napájecímu výkonu. I zde může být využit optočlen mezi sekundární a primární stranou ke zlepšení stabilizace a účinnosti. Existují však i jiné přístupy, jako je třetí vinutí transformátoru. Výrobní náklady na galvanicky oddělené DC/DC měniče jsou celkově vyšší než u konstrukcí bez oddělení.

Galvanicky oddělené měniče – v mnohých aplikacích nutnost

Zatímco stále dochází ke zdokonalování konstrukcí transformátorů a také k pokroku v konstrukčních topologiích, oddělené DC/DC měniče stále zaostávají za neoddělenými, pokud jde o účinnost, stabilizaci (regulaci) a další provozní kritéria. Měniče bez oddělení například dosahují účinnosti 90 až 99 %, zatímco u oddělených měničů se tento parametr pohybuje typicky v pásmu 85 a 95%. Má tedy smysl pečlivě zvážit, zda je galvanicky oddělený zdroj se svými většími rozměry, hmotností a vyššími pořizovacími náklady potřebný. Galvanicky oddělené zdroje mohou pomoci vyřešit otázky rušení, zemních smyček a vytváření referenčních napětí. V některých aplikacích, jako jsou aplikace lékařské, kde ochrana před nebezpečnými napětími poskytuje zabezpečení uživatelů proti úrazu, je však jejich užití povinné.

POZNÁMKA: Článek byl přeložen společností AMTEK, spol. s r. o., která je distributorem výrobků Traco Power v České republice a na Slovensku.