„Eine 23-jährige Flugbegleiterin der China Southern Airlines erlitt einen Stromschlag, als sie während des Ladevorgangs mit ihrem iPhone 5 telefonierte.“ Diese Nachricht sorgte im Internet für große Aufmerksamkeit. Können Ladegeräte lebensgefährlich sein? Experten analysieren den Leckstrom im Transformator des Handy-Ladegeräts, den 220-VAC-Wechselstrom, der zum Gleichstromende und über die Datenleitung zum Metallgehäuse des Handys gelangt und schließlich zu einem Stromschlag und einer irreversiblen Tragödie führt.
Warum liegt die Ausgangsspannung des Handy-Ladegeräts bei 220 V Wechselstrom? Worauf sollten wir bei der Auswahl einer isolierten Stromversorgung achten? Wie unterscheidet man zwischen isolierten und nicht isolierten Stromversorgungen? Die gängige Meinung in der Branche lautet:
1. Isolierte Stromversorgung: Es besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen der Eingangsschleife und der Ausgangsschleife des Netzteils, und Eingang und Ausgang befinden sich in einem isolierten hochohmigen Zustand ohne Stromschleife, wie in Abbildung 1 dargestellt:
2, nicht isolierte Stromversorgung:Zwischen Eingang und Ausgang besteht eine Gleichstromschleife, beispielsweise sind Eingang und Ausgang gemeinsam. Als Beispiele dienen eine isolierte Flyback-Schaltung und eine nicht isolierte BUCK-Schaltung, wie in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 1 Isolierte Stromversorgung mit Transformator
1. Die Vor- und Nachteile einer isolierten und einer nicht isolierten Stromversorgung
Gemäß den oben genannten Konzepten umfasst die nicht isolierte Stromversorgung für die gängige Stromversorgungstopologie hauptsächlich Buck, Boost, Buck-Boost usw. Die isolierte Stromversorgung verfügt hauptsächlich über verschiedene Flyback-, Forward-, Halbbrücken-, LLC- und andere Topologien mit Isolationstransformatoren.
In Kombination mit häufig verwendeten isolierten und nicht isolierten Stromversorgungen können wir intuitiv einige ihrer Vor- und Nachteile erkennen. Die Vor- und Nachteile der beiden sind fast gegensätzlich.
Um isolierte oder nicht isolierte Stromversorgungen zu verwenden, müssen Sie verstehen, welche Stromversorgungen für das jeweilige Projekt erforderlich sind. Zuvor sollten Sie jedoch die Hauptunterschiede zwischen isolierten und nicht isolierten Stromversorgungen verstehen:
① Das Isolationsmodul weist eine hohe Zuverlässigkeit auf, ist jedoch teuer und weist eine geringe Effizienz auf.
②Die Struktur des nicht isolierten Moduls ist sehr einfach, die Kosten niedrig, die Effizienz hoch und die Sicherheitsleistung schlecht.
Daher wird in den folgenden Fällen die Verwendung einer isolierten Stromversorgung empfohlen:
① Bei möglichen Stromschlagsituationen, wie beispielsweise der Umstellung von Strom aus dem Netz auf Niederspannungs-Gleichstrom, muss eine isolierte AC-DC-Stromversorgung verwendet werden.
② Der serielle Kommunikationsbus überträgt Daten über physikalische Netzwerke wie RS-232, RS-485 und Controller Local Area Network (CAN). Jedes dieser miteinander verbundenen Systeme verfügt über eine eigene Stromversorgung, und die Entfernung zwischen den Systemen ist oft groß. Daher ist in der Regel eine elektrische Trennung der Stromversorgung erforderlich, um die physikalische Sicherheit des Systems zu gewährleisten. Durch die Isolierung und Unterbrechung der Erdungsschleife wird das System vor transienten Hochspannungseinwirkungen geschützt und Signalverzerrungen reduziert.
③ Um den zuverlässigen Betrieb des Systems sicherzustellen, wird bei externen E/A-Ports empfohlen, die Stromversorgung der E/A-Ports zu isolieren.
Die zusammengefasste Tabelle ist in Tabelle 1 dargestellt und die Vor- und Nachteile der beiden sind nahezu gegensätzlich.
Tabelle 1 Vorteile und Nachteile von isolierten und nicht isolierten Stromversorgungen
2，Die Wahl zwischen isolierter und nicht isolierter Stromversorgung
Durch das Verständnis der Vor- und Nachteile isolierter und nicht isolierter Stromversorgungen wissen wir, dass jede ihre eigenen Vorteile hat, und konnten uns genaue Urteile über einige gängige Optionen für eingebettete Stromversorgungen bilden:
① Die Stromversorgung des Systems wird im Allgemeinen verwendet, um die Entstörungsleistung zu verbessern und die Zuverlässigkeit sicherzustellen.
2. Bei der Stromversorgung des IC oder eines Teils der Schaltung auf der Leiterplatte werden ausgehend von Kosteneffizienz und Volumen vorzugsweise nichtisolierte Schaltungen verwendet.
3. Aus Sicherheitsgründen müssen Sie das Netzteil verwenden, wenn Sie den AC-DC des städtischen Stromnetzes oder die Stromversorgung für medizinische Zwecke anschließen müssen, um die Sicherheit der Person zu gewährleisten. In einigen Fällen müssen Sie das Netzteil verwenden, um die Isolierung zu verstärken.
④ Um die Auswirkungen geografischer Unterschiede und Störungen durch Kabelkopplungen bei der Stromversorgung der industriellen Fernkommunikation wirksam zu reduzieren, wird im Allgemeinen eine separate Stromversorgung verwendet, um jeden Kommunikationsknoten einzeln mit Strom zu versorgen.
⑤ Bei Verwendung einer Batteriestromversorgung wird zur Gewährleistung einer kurzen Batterielebensdauer eine nicht isolierte Stromversorgung verwendet.
Wenn man die Vor- und Nachteile von isolierter und nicht isolierter Stromversorgung versteht, erkennt man, dass sie jeweils ihre eigenen Vorteile haben. Für einige häufig verwendete Designs eingebetteter Stromversorgungen können wir die Gründe für ihre Wahl zusammenfassen.
1.IIsolationsstromversorgung
Um die Entstörungsleistung zu verbessern und die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wird im Allgemeinen eine Isolierung verwendet.
Aus Sicherheitsgründen müssen Sie, wenn Sie eine Verbindung zum AC-DC des städtischen Stromnetzes oder zur Stromversorgung für medizinische Zwecke und weiße Haushaltsgeräte herstellen müssen, zur Gewährleistung der Personensicherheit ein Netzteil wie das MPS MP020 mit Original-AC-DC-Rückkopplung verwenden, das für 1- bis 10-W-Anwendungen geeignet ist.
Um die Auswirkungen geografischer Unterschiede und Störungen durch Kabelkopplungen bei der Stromversorgung der industriellen Fernkommunikation wirksam zu reduzieren, wird im Allgemeinen eine separate Stromversorgung verwendet, um jeden Kommunikationsknoten einzeln mit Strom zu versorgen.
2. Nichtisolierte Stromversorgung
Der IC oder einige Schaltkreise auf der Leiterplatte werden durch das Preisverhältnis und das Volumen mit Strom versorgt, und die nichtisolierte Lösung wird bevorzugt, wie etwa der nichtisolierte AC-DC-Buck-Wandler der MPS MP150/157/MP174-Serie, geeignet für 1 bis 5 W;
Bei einer Betriebsspannung unter 36 V wird die Batterie zur Stromversorgung verwendet. Es gelten strenge Anforderungen an die Lebensdauer. Eine nicht isolierte Stromversorgung wie MPS MP2451/MPQ2451 wird bevorzugt.
Die Vor- und Nachteile von isolierter und nicht isolierter Stromversorgung
Wenn man die Vor- und Nachteile von isolierten und nicht isolierten Netzteilen versteht, ergeben sich daraus jeweils eigene Vorteile. Für einige häufig verwendete eingebettete Netzteile können wir die folgenden Beurteilungsbedingungen beachten:
Aus Sicherheitsgründen müssen Sie, wenn Sie eine Verbindung zum AC-DC des städtischen Stromnetzes oder zur Stromversorgung für medizinische Zwecke herstellen müssen, zur Gewährleistung der Sicherheit der Person das Netzteil verwenden und in einigen Fällen die Isolierung des Netzteils verbessern.
Im Allgemeinen sind die Anforderungen an die Isolationsspannung des Moduls nicht sehr hoch. Eine höhere Isolationsspannung kann jedoch dafür sorgen, dass die Stromversorgung des Moduls einen geringeren Leckstrom, höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie bessere EMV-Eigenschaften aufweist. Daher liegt der allgemeine Isolationsspannungspegel über 1500 VDC.
3, Vorsichtsmaßnahmen für die Auswahl des Isolationsleistungsmoduls
Der Isolationswiderstand des Netzteils wird in der nationalen Norm GB-4943 auch als Anti-Stromfestigkeit bezeichnet. Diese Norm GB-4943 ist ein Sicherheitsstandard für Informationsgeräte, der häufig als nationale Standards bezeichnet wird und Personen vor physischen und elektrischen Schäden schützt, einschließlich der Vermeidung von Schäden durch Stromschlag, physische Schäden und Explosionen. Wie unten dargestellt, ist das Strukturdiagramm des isolierten Netzteils dargestellt.
Diagramm der Isolationsleistungsstruktur
Als wichtiger Indikator für die Modulleistung ist in der Norm auch der Standard für Isolations- und Druckfestigkeitsprüfungen festgelegt. Bei einfachen Prüfungen wird üblicherweise der Test mit gleicher Potentialverbindung verwendet. Das Anschlussschema sieht wie folgt aus:
Aussagekräftiges Diagramm des Isolationswiderstandes
Testmethoden:
Stellen Sie die Spannung des Spannungswiderstands auf den angegebenen Spannungswiderstandswert ein, den Strom auf den angegebenen Leckwert und die Zeit auf den angegebenen Testzeitwert.
Betriebsdruckmessgeräte starten den Test und beginnen zu drücken. Während der vorgeschriebenen Testzeit sollte das Modul unstrukturiert und frei von Lichtbogenflug sein.
Beachten Sie, dass das Schweißleistungsmodul zum Zeitpunkt des Tests ausgewählt werden sollte, um wiederholtes Schweißen und eine Beschädigung des Leistungsmoduls zu vermeiden.
Beachten Sie außerdem:
1. Achten Sie darauf, ob es sich um AC-DC oder DC-DC handelt.
2. Die Isolierung des Isolationsleistungsmoduls. Zum Beispiel, ob 1000 V DC die Isolationsanforderungen erfüllen.
3. Ob das Isolationsleistungsmodul einem umfassenden Zuverlässigkeitstest unterzogen wurde. Das Leistungsmodul sollte Leistungstests, Toleranztests, Transientenbedingungen, Zuverlässigkeitstests, EMV-Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit, Hoch- und Niedertemperaturtests, Extremtests, Lebensdauertests, Sicherheitstests usw. unterzogen werden.
4. Ob die Produktionslinie des isolierten Leistungsmoduls standardisiert ist. Die Produktionslinie des Leistungsmoduls muss eine Reihe internationaler Zertifizierungen wie ISO9001, ISO14001, OHSAS18001 usw. bestehen, wie in Abbildung 3 unten dargestellt.
Abbildung 3 ISO-Zertifizierung
5. Ob das isolierte Leistungsmodul in rauen Umgebungen wie Industrie und Automobilen eingesetzt wird. Das Leistungsmodul wird nicht nur in rauen Industrieumgebungen eingesetzt, sondern auch im BMS-Managementsystem von Fahrzeugen mit neuer Energie.
4,TDie Wahrnehmung von Isolationskraft und Nicht-Isolationskraft
Zunächst wird ein Missverständnis erklärt: Viele Leute denken, dass nicht isolierte Stromversorgung nicht so gut ist wie isolierte Stromversorgung, weil die isolierte Stromversorgung teuer ist und daher teuer sein muss.
Warum ist die Verwendung von isolierter Stromversorgung heute allgemein besser als die Verwendung von nicht isolierter Stromversorgung? Tatsächlich ist diese Idee schon seit einigen Jahren aktuell. In früheren Jahren war die Stabilität von nicht isolierten Stromversorgungen zwar nicht gewährleistet, doch dank modernster Forschungs- und Entwicklungstechnologie ist die nicht isolierte Stromversorgung mittlerweile ausgereift und stabiler. Apropos Sicherheit: Nicht isolierte Stromversorgungen sind tatsächlich sehr sicher. Solange die Struktur leicht verändert wird, sind sie für den menschlichen Körper immer noch ungefährlich. Aus diesem Grund erfüllen nicht isolierte Stromversorgungen auch viele Sicherheitsstandards, wie z. B. Ultuvsaace.
Tatsächlich liegt die Hauptursache für Schäden an nicht isolierten Netzteilen in den Spannungsspitzen an beiden Enden der Wechselstromleitung. Man könnte auch von Blitzen sprechen. Diese Spannung tritt an beiden Enden der Wechselstromleitung plötzlich in Hochspannung auf und kann manchmal bis zu 3.000 Volt erreichen. Die Dauer ist jedoch sehr kurz und die Energie extrem hoch. Dies tritt bei Gewitter auf oder wenn auf derselben Wechselstromleitung eine große Last getrennt wird, da dann auch Stromträgheit auftritt. Der isolierte Abwärtswandlerkreis überträgt die Spannung sofort auf den Ausgang und beschädigt den Konstantstrom-Erkennungsring oder den Chip weiter, sodass 300 V durchfließen und die gesamte Lampe durchbrennen. Bei isolierten, nicht isolierten Netzteilen wird der MOS beschädigt. Speicher, Chip und MOS-Röhren brennen durch. LED-betriebene Netzteile funktionieren im Betrieb nicht mehr richtig und in über 80 % der Fälle sind diese beiden Phänomene identisch. Darüber hinaus werden kleine Schaltnetzteile, selbst Netzteile, häufig durch dieses Phänomen beschädigt, das durch Wellenspannung verursacht wird. Bei LED-Netzteilen ist dies sogar noch häufiger der Fall. Dies liegt daran, dass die Lasteigenschaften der LED besonders anfällig für Wellenspannungen sind.
Theoretisch ist die Zuverlässigkeit einer elektronischen Schaltung umso höher, je weniger Komponenten sie enthält, und umso geringer ist die Zuverlässigkeit der Leiterplatte, je mehr Komponenten sie enthält. Tatsächlich ist die Zuverlässigkeit nicht isolierter Schaltungen geringer als die isolierter Schaltungen. Warum ist die Zuverlässigkeit isolierter Schaltungen so hoch? Eigentlich ist es nicht die Zuverlässigkeit, sondern die nicht isolierte Schaltung reagiert zu empfindlich auf Überspannungen, hat eine schlechte Hemmwirkung und isolierte Schaltungen, da die Energie zuerst in den Transformator gelangt und dann vom Transformator zur LED-Last transportiert wird. Die Abwärtsschaltung ist Teil der Eingangsstromversorgung, die direkt zur LED-Last führt. Daher besteht bei ersterer ein hohes Risiko, durch Überspannungen beschädigt zu werden, da die Unterdrückung und Dämpfung gering ist. Tatsächlich ist das Problem der fehlenden Isolierung hauptsächlich auf Überspannungen zurückzuführen. Derzeit besteht das Problem darin, dass nur LED-Lampen mit hoher Wahrscheinlichkeit sichtbar sind. Daher gibt es viele, die keine guten Präventionsmethoden vorschlagen. Viele Menschen wissen nicht, was Wellenspannung ist, und viele LED-Lampen gehen kaputt, ohne dass die Ursache gefunden werden kann. Letztendlich gibt es nur einen Satz. Was an dieser Stromversorgung instabil ist, wird sich noch klären. Wo die konkrete Instabilität liegt, weiß er nicht.
Eine nicht isolierte Stromversorgung ist effizienter und kostengünstiger.
Nichtisolierte Stromversorgung eignet sich für verschiedene Einsatzzwecke: Zunächst einmal für Innenbeleuchtung. Diese Innenbeleuchtung ist besser und der Einfluss von Wellen ist gering. Zweitens werden sie bei geringer Spannung und geringem Strom verwendet. Bei Niederspannungsströmen ist eine nichtisolierte Stromversorgung nicht sinnvoll, da der Wirkungsgrad bei Niederspannung und hohen Strömen nicht höher ist als bei isolierter Stromversorgung und die Kosten geringer sind. Drittens wird eine nichtisolierte Stromversorgung in einer relativ stabilen Umgebung eingesetzt. Wenn es eine Lösung für die Unterdrückung von Überspannungen gibt, erweitert sich der Anwendungsbereich nichtisolierter Stromversorgung erheblich!
Aufgrund der Wellenproblematik sollte die Schadensrate nicht unterschätzt werden. Generell sollte bei der Reparatur, der Versicherung, dem Chip und dem MOS-Gerät zuerst an die Wellenproblematik gedacht werden. Um die Schadensrate zu reduzieren, ist es notwendig, die Überspannungsfaktoren bei der Entwicklung zu berücksichtigen oder die Benutzer bei der Verwendung zu stoppen und Überspannungen zu vermeiden. (Zum Beispiel Innenlampen, die bei Problemen vorübergehend ausgeschaltet werden sollten.)
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von isolierten und nicht isolierten Netzteilen häufig auf das Problem von Wellenschlag zurückzuführen ist, und dass Wellen und die elektrische Umgebung eng miteinander verbunden sind. Daher kann die Verwendung von isolierten und nicht isolierten Netzteilen oft nicht einzeln reduziert werden. Die Kosten sind sehr vorteilhaft, daher ist es notwendig, als LED-Antriebsnetzteil entweder nicht isolierte oder isolierte Netzteile zu wählen.
5. Zusammenfassung
Dieser Artikel stellt die Unterschiede zwischen isolierter und nicht isolierter Stromversorgung sowie deren jeweilige Vor- und Nachteile, Anpassungsmöglichkeiten und die Auswahl der Isolationsleistung vor. Ich hoffe, dass Ingenieure dies als Referenz für das Produktdesign nutzen können. Und wenn das Produkt ausfällt, lässt sich das Problem schnell lokalisieren.
Beitragszeit: 08.07.2023
