Este artículo describe el proceso de diseño de productos a voltajes muy altos. Este artículo también analiza brevemente los desafíos asociados con los diseños de alto voltaje que los diseñadores de bajo voltaje ni siquiera consideraron. También analiza brevemente la necesidad de alta tensión para el proceso de diseño y los dispositivos necesarios para el proceso.
Este artículo describe el proceso de diseño de productos a voltajes muy altos. Este artículo también analiza brevemente los desafíos asociados con los diseños de alto voltaje que los diseñadores de bajo voltaje ni siquiera consideraron. También analiza brevemente la necesidad de alta tensión para el proceso de diseño y los dispositivos necesarios para el proceso.
El diseño de productos para esta región requiere ideas, selección de componentes e interconexiones muy diferentes en áreas en las que los diseñadores de productos de bajo voltaje no tienen que pensar. Estas preocupaciones se aplican a componentes pasivos, conectores, interconexiones de cableado, MOSFET/IGBT, diseño y, por supuesto, cuestiones normativas y de seguridad. Cuando la diferencia de potencial es tan alta, es un mundo difícil e implacable. Un descuido menor puede convertirse repentinamente en un evento grave para el equipo y la vida.
Necesidad de alto voltaje
Dados los desafíos y riesgos, ¿por qué un ingeniero de diseño consideraría usar estos voltajes? O no tienen otra opción o es una idea muy buena y necesaria. . Las aplicaciones se dividen en dos grupos globales.
En el ámbito del “ingeniero no tiene elección”, los instrumentos científicos, médicos y físicos requieren altos voltajes en equipos especializados como máquinas de rayos X, generan campos magnéticos de alta potencia, ionizan átomos y aceleran electrones y otras partículas. Lo mismo ocurre con los tubos, que requieren transmisores de ondas milimétricas y de microondas de alta potencia y de potencia media. En aplicaciones más generales, incluso los letreros de neón comerciales requieren varios kV para ionizar los gases nobles del interior. Tenga en cuenta que muchas de estas aplicaciones requieren kilovoltios o más, pero corrientes relativamente modestas de alrededor de 100 mA.
Si usar alto voltaje es “una idea realmente buena y necesaria”, los ingenieros están diseñando para la potencia y la eficiencia. Si una fuente de alimentación o un motor necesita producir mucha energía, debe entregar vatios, que es el producto del voltaje y la corriente. Sin embargo, las pérdidas IR (corriente x resistencia) en conductores, conectores, interruptores y dispositivos activos provocan ineficiencias, pérdidas y calentamiento I2R porque las corrientes son significativamente más altas a voltajes más bajos.
Una forma de minimizar estas pérdidas es aumentar el voltaje y disminuir la corriente, reduciendo así las pérdidas IR y el calentamiento I2R. Entonces, por ejemplo, las locomotoras eléctricas pueden operar a 20 kV, mientras que los alimentadores de CA de la compañía eléctrica pueden operar a 100 kV o más. Operar este tipo de equipo a voltajes más bajos da como resultado una línea fundamental más alta y otras pérdidas (tanto costos de eficiencia como disipación de calor) que son inaceptables. A diferencia de las aplicaciones de instrumentación científica, médica y física mencionadas anteriormente, estos diseños de “suministro de energía” pueden tener decenas o cientos de amperios además de la clasificación de kilovoltios.
Comience con las dimensiones físicas
El tratamiento de la alta tensión comienza con el espaciado de los conductores y las dimensiones relacionadas. Los términos clave para espaciar los conductores a voltajes más altos son la fuga y el espacio libre.
- La fuga es la distancia recorrida por un arco medido sobre una superficie, como entre dos trazas en una placa de cableado impresa, o la superficie de un conector o IC.
- El espacio libre es la distancia más corta que un arco puede viajar a través del aire, como entre los pines de un conector o IC.
Los requisitos de fuga y separación son una función del voltaje máximo. Para señales de CA sinusoidales, el valor máximo es 1,4 veces el valor RMS, lo que agrega un factor de seguridad neto. Si bien sería bueno poder especificar requisitos específicos de fuga y espacio libre a un voltaje particular, esto no es posible ya que sus dimensiones dependen de muchos factores.
- Ya sea que se trate de un peligro potencial de descarga eléctrica o de un problema de falla funcional,
- Regiones del mundo: diferentes zonas tienen diferentes criterios,
- Aplicaciones: productos científicos, industriales, médicos o de consumo;
- Altitud y humedad máximas de funcionamiento (la clasificación de descarga disruptiva para aire seco al nivel del mar es de aproximadamente 4 kV/cm o 10 kV/pulgada),
- A través de placas de PC y otras superficies: el grado de contaminación potencial que se espera de los diferentes tipos de contaminación. grupo de materiales de PCB y revestimientos (si los hay).
Por lo tanto, se requiere una investigación seria para determinar los valores mínimos de fuga y espacio libre requeridos. Como alternativa, los ingenieros deben contactar a consultores experimentados, especialmente si se requiere una aprobación reglamentaria formal para la fabricación y venta del producto final.