Circuitele fără transformator pot cauza probleme de siguranță sau de zgomot dacă sunt conectate la circuite care utilizează pământ. Adăugarea unui amplificator operațional între cele două poate elimina problemele de siguranță fără a crea probleme de zgomot.

Circuitele de putere redusă utilizează de obicei surse de alimentare fără transformator. Cu toate acestea, utilizarea terenurilor de pământ în multe dintre aceste circuite creează o problemă serioasă, care este adesea ignorată.

Nota foarte populară a aplicației de microcip AN954 prezintă o masă a circuitului (0 V), dar referința este silențioasă dacă poate fi conectat la masa la pământ a sursei principale de alimentare. 1 În mod similar, Nota de aplicație Apex Technology 35 descrie circuite care nu pot fi interfațate în siguranță și în mod legitim cu orice echipament de testare extern. 2

Motivele acestor probleme nu sunt greu de văzut. În prima (AN954), masa circuitului sursei de alimentare fără transformator are tensiuni ridicate cu referire la neutru, iar conectarea la pământ ar provoca o situație periculoasă. Prin urmare, conectarea oricărui echipament extern a cărui masă a circuitului este conectată la pământ ar fi de-a dreptul periculoasă.

În acesta din urmă (Nota 35), masa circuitului sursei de alimentare fără transformator este conectată la neutru, astfel încât conectarea oricărui echipament extern la circuit (cum ar fi un osciloscop pentru depanarea circuitului) ar încălca reglementările de cablare în majoritatea țărilor și de obicei ar provoca întrerupătorul să se declanșeze dacă echipamentul extern are masa la circuit conectată la pământ.

O soluție ar putea fi încercarea de a introduce un mic rezistor între pământul circuitului în cauză și pământul echipamentului extern. Acest lucru împiedică declanșarea întrerupătorului de rețea și evită din punct de vedere tehnic încălcarea reglementărilor de cablare, dar provoacă o nouă problemă - zgomotul dintre pământ și liniile neutre. Acest zgomot intră în circuit, învingând scopul conexiunii la pământ. De obicei, rezultatul este că pământul pământului devine inutilizabil.

O soluție simplă la această problemă presupune că masa circuitului fără transformator este legată de neutru, care este strategia mult mai populară și preferată pentru sursele de alimentare fără transformator (vezi figura). Circuitul nu este nimic elegant. Este un amplificator diferențial simplu, dar utilizarea sa în acest context specific este inovatoare. Acesta ilustrează modul în care un semnal de la echipamentul A poate fi alimentat în siguranță și în mod fiabil în echipamentul B, indiferent de care are circuitul problematic la masă.

conectează

Un circuit simplu de amplificator op amplasat între un circuit fără transformator cu o masă legată la neutru și un circuit cu o masă de masă va elimina problemele de siguranță și zgomot asociate cu astfel de conexiuni.

De exemplu, A ar putea fi un generator de semnal care se alimentează într-un circuit fără transformator, B, caz în care G1 este pământ și G2 este neutru. Dacă B este un osciloscop utilizat pentru depanarea unui circuit fără transformator, A, G1 este neutru, iar G2 este pământ. Oricum ar fi, G1 este masa circuitului A și G2 este masa circuitului B, precum și masa circuitului op-amp.

Câștigul la ambele intrări op-amp este egal și opus, astfel încât zgomotul neutru la pământ (care este zgomotul de la G1 față de G2) se anulează complet și nu apare la intrarea lui B. În mod eficient, circuitul permite utilizarea în siguranță a bornelor neutre și a pământului, făcând ca tensiunea de zgomot neutru-pământ să apară ca un semnal în modul comun la intrarea amplificatorului op. Această strategie simplă depășește cele două probleme descrise mai sus.

Orice amplificator opțional de intrare JFET stabil cu câștig de unitate, cu o tensiune de offset redusă, va funcționa.

Referințe

  1. Condit, Reston; „Surse de alimentare fără transformator: rezistive și capacitive”, Notă de aplicație AN954, Microchip Technology Inc., 2004.
  2. „Proiectarea sursei de alimentare AC-DC”, Nota de aplicație 35, Apex Technology, dec. 1999.

Analiza Anoop

Această idee pentru proiectare descrie o metodă de conectare a echipamentelor împământate la echipamente alimentate direct de linii de curent alternativ, fără transformator de izolare între ele. Efectuarea acestui tip de conexiune este adesea dificilă sau periculoasă din cauza diferenței de potențial care poate exista între neutrul liniei de curent alternativ și pământul de protecție sau solul comun al echipamentului și neutrul sau pământul.

Adesea există o anumită tensiune între neutrul unei prize de curent alternativ și pământul de protecție dintr-o clădire. Această tensiune poate fi de până la 30 până la 40 V c.a. în clădirile cu mai multe etaje. Este, de asemenea, zgomotos, deoarece pot exista multe căi de scurgere de la echipamente electrice la pământ, iar aceste căi se schimbă pe măsură ce echipamentul este pornit și oprit sau trece între modurile de putere redusă și mare, cum ar fi un aparat de aer condiționat cu compresorul pornit și oprit cu ventilatorul mereu pornit.

Circuitul prezentat în acest IFD trece tensiunea diferențială de intrare la o ieșire care are o referință de masă diferită. Fiind un tampon diferențial, atenuează foarte mult orice tensiune continuă (sau zgomot în modul comun) de curent continuu prezent în terminalele de intrare. Astfel, oferă două beneficii. În primul rând, permite conectarea echipamentelor cu referințe la sol diferite. În al doilea rând, atenuează zgomotul în modul comun între echipamentele conectate. Circuitul poate fi utilizat pentru semnale de curent continuu sau c.a. Desigur, utilizarea acestuia pentru semnale de curent continuu necesită corecție offset.

În timp ce utilizați acest circuit, dacă o parte este alimentată direct de linie, urmați toate măsurile de precauție necesare în timp ce vă ocupați de tensiuni ridicate periculoase, deoarece vor exista întotdeauna căi de scurgere care pot duce la șoc electric.

Există două metode alternative pentru conectarea acestor echipamente împreună. Dacă sunt implicate semnale de curent alternativ, fără compensare de curent continuu, între echipamentul A și echipamentul B. poate fi utilizat un transformator de izolare 1: 1 cu lățimea de bandă necesară. dispozitiv care nu necesită conexiune la pământ.

Abordarea „Cap-Drop” implementează sursa de alimentare offline pentru sarcini ușoare

Mai multe startup-uri și OEM-uri au anunțat recent inovații care ar putea accelera adoptarea vehiculelor electrice.

Ce veți învăța:

  • Bateria solidă necombustibilă a QuantumScape cu densitate mai mare.
  • Celula în stare solidă a Solid Power cu un electrolit solid sulfurat.
  • Separator neporos Toray Industries pentru baterii litiu-ion.
  • Celula Toyota despre care pretinde că poate face o călătorie de 500 km cu o singură încărcare.

Dezvoltarea bateriilor cu litiu de nouă generație bazate pe electroliți solizi poate rezolva fundamental unele probleme cheie în vehiculele electrice (EV):

  • Gamă: Majoritatea vehiculelor electrice au o rază de acțiune de 300 mile sau mai puțin.
  • Timp de incarcare: Durează mai mult de o oră pentru a reîncărca bateriile actuale, în timp ce ar dura aproximativ 10 minute să se încarce un vehicul electric echipat cu o baterie solid-state.
  • Pierderea taxei: Celulele își pot pierde aproape o treime din capacitatea lor într-un deceniu.
  • Siguranță: Electrolitii lichizi convenționali care iau ioni de litiu între electrozi prezintă un risc grav de siguranță din cauza materialelor inflamabile utilizate.

Săptămâna trecută, mai multe start-up-uri și OEM-uri existente care încearcă să dezvolte baterii în stare solidă au anunțat inovații care ar putea accelera adoptarea EV, oferind producătorilor auto o alternativă mai sigură și mai ieftină la bateriile litiu-ion.

De exemplu, QuantumScape, care are un parteneriat strategic cu Volkswagen, a anunțat rezultate promițătoare ale testelor pentru o celulă în stare solidă. În același timp, o pornire de șase ani numită Solid Power a dezvăluit că a realizat o celulă în stare solidă funcțională și produce baterii prototip cu 10 straturi stivuite la o fabrică pilot din Colorado .

Mai mult, Toray Industries a creat un separator neporos pentru bateriile litiu-ion care ar putea crește considerabil capacitatea bateriei prin îmbunătățirea siguranței anodilor litiu-metalici, iar Toyota a declarat că intenționează să aibă tehnologia bateriei în stare solidă în vehiculele sale de producție până în 2025.

Să analizăm aceste evoluții pe rând.

QuantumScape

Într-un anunț de presă, QuantumScape, o companie în vârstă de 10 ani din San Jose, California, a furnizat rezultate tehnice din testele de laborator ale bateriei în stare solidă a companiei. Anterior, bateriile în stare solidă care lucrau cu litiu metalic la viteze ridicate de energie sufereau de o durată scurtă de viață și de o rată de încărcare lentă. Dar, potrivit QuantumScape, celula sa necombustibilă se poate încărca la 80% din capacitate în 15 minute, poate păstra mai mult de 80% din capacitatea sa după 800 de cicluri de încărcare și are o densitate a energiei volumetrice mai mare de 1.000 de wați-oră pe litru, aproape dublă densitatea energetică a celulelor comerciale litiu-ion.

Catodul QuantumScape, sau terminalul pozitiv, constă din oxid de nichel-mangan cobalt, care este comun în bateriile EV. Cu toate acestea, electrodul său negativ, sau anodul, este fabricat din litiu pur metalic format in situ atunci când celula finită este încărcată, mai degrabă decât atunci când celula este produsă (Fig. 1).

1. Afișat este bateria cu acumulator litiu-metal în stare solidă a unui singur strat QuantumScape. (Sursa: QuantumScape)

Proiectarea în stare solidă a companiei crește și mai mult densitatea energiei, deoarece se spune că nu necesită exces de litiu pe anod. Unele încercări anterioare de a folosi baterii în stare solidă au folosit un anod de litiu depus, care reduce densitatea energiei.

Principala descoperire este utilizarea unui separator ceramic între catod și anod pentru a înlocui electrolitul lichid utilizat în celulele convenționale ale bateriei. La fel ca electrolitul lichid din această schemă, ionii de litiu curg de la un terminal la altul atunci când bateria se încarcă și se descarcă. În timpul descărcării, litiul curge de la anod la catod și partea anodică este comprimată. La fel de subțire ca un păr uman, separarea este „sosul secret” al unei baterii în stare solidă. Trebuie să acționeze ca o barieră care împiedică dendritele de litiu - grinzi metalice care se formează pe anodii litiu-metal în timpul ciclurilor de încărcare - să treacă între electrozi și să provoace un scurtcircuit.

Dendritele sunt cauzate de un fenomen în care cristalele în formă de ramură cresc pe suprafața electrodului negativ din cauza unei reacții chimice inegale. Dendritele de litiu se formează de-a lungul porilor filmului microporos. Eliminarea porilor separatorilor poate opri o astfel de creștere, dar dezavantajul este mult redus permeabilitatea litiu-ion. Separatorul în stare solidă al QuantumScape înlocuiește separatorul organic utilizat în celulele convenționale, permițând o arhitectură fără anod, cu exces de litiu zero.

În trecut, eforturile acumulatorului în stare solidă s-au bazat fie pe un polimer - materialul separator ales în bateriile lichide cu electroliți - fie pe o ceramică dură. Din păcate, polimerii nu blochează dendritele. Iar ceramica utilizată pentru bateriile experimentale în stare solidă s-a dovedit a fi prea fragilă pentru a rezista la suficiente cicluri de încărcare. QuantumScape nu a dezvăluit natura separatorului pe care îl folosește în afară de a spune că materialul este ușor disponibil.

Rezultatele recent lansate ale QuantumScape, bazate pe testarea celulelor bateriei cu un singur strat, arată că separatoarele sale în stare solidă sunt capabile să funcționeze la viteze de putere foarte ridicate, permițând o încărcare de 15 minute la o capacitate de 80%, mai rapidă decât bateriile convenționale sunt capabile să livreze.

Celulele testate au fost celule de pungă cu un singur strat cu suprafață mare, în factorul de formă comercial țintă, cu catoduri groși care rulează la viteze de încărcare de o oră și descărcare la 30 ° C. Aceste teste au demonstrat o capacitate reținută mai mare de 80% după 800 de cicluri.

Celula subțire dezvăluită de QuantumScape este destinată să fie stivuită împreună cu aproximativ 100 de alte pentru a forma o celulă completă de dimensiunea unui pachet de cărți. Până în prezent, compania nu a testat o celulă complet stivuită.

Putere solidă

O pornire de șase ani numită Solid Power a făcut, de asemenea, o celulă în stare solidă funcțională. Electrolitul lichid inflamabil dintr-o baterie convențională litiu-ion este înlocuit cu un electrolit solid cu sulfură de proprietate. Solid Power a început să producă baterii litiu-metal cu stare solidă de 330 de Wh/kg, cu 22 de straturi, pe linia de producție continuă roll-to-roll a companiei la o fabrică pilot din Louisville, Colorado (Fig. 2). Compania are o foaie de parcurs pentru a depăși 400 Wh/kg până în 2022.

2. Celula solid-metalică cu litiu, cu 22 de straturi, 20 Ah, în stare solidă, este comparată cu celula de 2Ah cu 10 straturi din prima generație a companiei. (Sursa: Solid Power)

Solid Power are parteneriate cu un număr de producători auto, inclusiv BMW Hyundai și Ford, pentru a dezvolta în comun baterii cu stare solidă. Compania este susținută și de investitori proeminenți, inclusiv Samsung, Volta Energy Technologies și Solvay.

Celulele de pungă cu 10 straturi și 2 Ah ale Solid Power prezintă cicluri timpurii stabile la aproape temperatura camerei, în timp ce celulele de pungă cu dublu strat corespunzătoare au depășit deja 250 de cicluri stabile. Se anticipează alte progrese înainte de a intra în procesul oficial de calificare auto.

Solid Power a demonstrat cele mai recente compoziții de electrozi ale companiei, care vor trece la linia de producție în 2021, inclusiv:

  • Funcționare −10 ° C
  • 50% încărcare rapidă în 15 minute la temperatura camerei
  • Grosimea separatorului de până la 25 microni

Compania anticipează intrarea în procesul oficial de calificare a automobilelor la începutul anului 2022, cu celule de baterie cu capacitate chiar mai mare, toate în stare solidă.

Toray Industries

Toray Industries a creat un separator neporos pentru bateriile litiu-ion care ar putea crește foarte mult capacitatea prin îmbunătățirea siguranței bateriilor cu anod litiu-metal. Toray a abordat provocarea formării de dendrite de litiu pe suprafețele litiu-metalice în timpul încărcării - pătrunzând în separatoare și provocând scurtcircuite care deteriorează siguranța - utilizând tehnologia de proiectare moleculară a polimerului aramidic cu rezistență ridicată la căldură. Compania a reușit astfel să suprime formarea dendritei în bateriile cu anod litiu-metal, menținând în același timp conductivitatea ionilor. A făcut acest lucru folosind polimerul ca separator neporos cuprinzând un strat fără pori pe un separator microporos.

Toray a arătat că o baterie cu un astfel de separator a suprimat scurtcircuitele atribuite dendritelor și și-a menținut mai mult de 80% din capacitatea sa după 100 de cicluri de încărcare/descărcare. Compania a mai spus că va accelera cercetarea și dezvoltarea pentru a stabili rapid tehnologii cu baterii cu anodi litiu-metalici, astfel încât să poată conduce capacitate și siguranță ultra-ridicate pentru bateriile litiu-ion de mâine.

Toyota dezvoltă o celulă în stare solidă despre care oficialii companiei spun că ar fi capabilă să facă o călătorie de 500 km cu o singură încărcare și să se reîncarce de la zero la complet în 10 minute. Și celula ar face acest lucru cu preocupări minime de siguranță. Toyota a planificat să-și dezvăluie bateria în stare solidă la Jocurile Olimpice de la Tokyo anul acesta înainte de a fi amânată din cauza pandemiei

Toyota intenționează să fie prima companie care vinde un vehicul electric echipat cu o baterie solidă la începutul anilor 2020. Cel mai mare producător auto din lume se așteaptă să lanseze un prototip anul viitor.