Thiết kế cách điện và khoảng cách rò của đũa tần số cao
Tạo vào 09.04
BÀI VIẾT 01 / HIỂU BIẾT VỀ KỸ THUẬT INKUE & OEM |
Hình 1. Thiết kế cách điện và khoảng cách rò điện của đũa cao tần — infographic kỹ thuật gốc được chuẩn bị cho loạt bài viết này.
Cách điện của đũa cao tần là một vấn đề thiết kế ở cấp độ hệ thống, ngay cả khi sản phẩm hoàn thiện trông có vẻ đơn giản về mặt cơ khí: một vỏ cầm tay, một mạch điều khiển, một máy biến áp cao áp và một điện cực thủy tinh có thể tháo rời. Tuy nhiên, bên trong tay cầm, thiết kế điện lại đòi hỏi khắt khe một cách bất thường. Sản phẩm phải tạo ra phóng điện nhìn thấy được và ổn định tại điện cực, đồng thời giữ cho các điện trường không mong muốn, đường rò điện và phóng điện bề mặt tránh xa vỏ máy mà người dùng có thể chạm vào.
Khi khách hàng yêu cầu "công suất lớn hơn," phản ứng kỹ thuật đầu tiên không nên là tăng điện áp máy biến áp và kiểm tra lại. Công suất đầu ra mạnh hơn sẽ làm thay đổi điện trường xung quanh máy biến áp, các mối hàn, ổ cắm điện cực, hệ thống dây điện và vỏ máy. Một thiết kế ổn định ở mức công suất đầu ra này có thể bắt đầu xuất hiện hiện tượng phóng điện corona, phóng điện bề mặt, ghép điện dung với vỏ máy hoặc phóng điện không liên tục sau khi tiếp xúc với độ ẩm và lão hóa.
Bài viết này giải thích logic thiết kế mà INKUE sử dụng khi xem xét kiến trúc cách điện cho các thiết bị thẩm mỹ tần số cao dạng nhỏ gọn. Bài viết dành cho chủ thương hiệu, quản lý sản phẩm và kỹ sư đang lên kế hoạch cho dự án OEM hoặc ODM, không nhằm thay thế cho việc đánh giá an toàn cụ thể cho từng sản phẩm.
INKUE  01 | KIỂM TRA SẢN PHẨM Hiệu suất đầu ra và khả năng cách điện của thiết bị thẩm mỹ tần số cao nên được đánh giá như một hệ thống hoàn chỉnh, không chỉ dựa trên thông số kỹ thuật của riêng máy biến áp. |
HÌNH ẢNH TRẠM QUỐC TẾ INKUE
Hình ảnh ứng dụng thiết bị làm đẹp tần số cao INKUE. Nguồn: Tác phẩm nghệ thuật Trạm Quốc tế INKUE do công ty cung cấp.
Chiều dài rò rỉ, Khe hở không khí và Cách điện rắn là các biện pháp kiểm soát khác nhau
Ba thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng chúng kiểm soát các đường lỗi khác nhau.
Khoảng cách không khí là khoảng cách ngắn nhất qua không khí giữa các bộ phận dẫn điện. Nó quan trọng khi điện áp có thể bắc cầu qua khe hở không khí, đặc biệt gần các điểm nhọn, đầu ra của cuộn dây, mối hàn lộ ra, đầu nối hoặc khoang vỏ hẹp.
Khoảng cách rò điện là đường đi ngắn nhất dọc theo bề mặt của vật liệu cách điện. Bụi, cặn nhựa thông, dầu da, độ ẩm và sự ngưng tụ có thể làm giảm điện trở bề mặt và khuyến khích sự phóng điện bề mặt. Một đường đi có vẻ dài trong mẫu thử sạch có thể trở nên ngắn về mặt điện sau khi bị nhiễm bẩn hoặc phóng điện lặp đi lặp lại.
Vật liệu cách điện rắn là vật liệu được đặt trong điện trường, chẳng hạn như vách ống quấn biến áp, men dây điện, ống co nhiệt, ủng silicon, rào chắn đúc, chất bao bọc hoặc ống lót bên trong. Hiệu suất thực tế của nó không chỉ phụ thuộc vào độ bền điện môi danh nghĩa, mà còn phụ thuộc vào độ dày, lỗ rỗng, độ bám dính, chu kỳ nhiệt, ứng suất cơ học và tính nhất quán trong sản xuất.
Đối với các sản phẩm điện áp cao nhỏ gọn, các biện pháp kiểm soát này nên được phân lớp. Không nên kỳ vọng một vách nhựa mỏng duy nhất có thể giải quyết đồng thời khoảng cách phóng điện, khoảng cách rò rỉ, bảo vệ cơ học và cách điện cho người dùng.
Tại sao các thiết kế tần số cao cần nhiều hơn một quy tắc khoảng cách đơn giản
Các bảng cách điện rất hữu ích, nhưng thiết kế cuối cùng không thể được chọn từ một biểu đồ điện áp-khoảng cách duy nhất. Tiêu chuẩn liên quan phụ thuộc vào phân loại sản phẩm, mục đích sử dụng, kiến trúc nguồn điện, mức độ ô nhiễm, nhóm vật liệu, độ cao, loại quá điện áp và dạng sóng.
IEC 60664-1 cung cấp các nguyên tắc để xác định các tiêu chí về khe hở không khí, chiều dài đường rò và cách điện rắn cho thiết bị kết nối với hệ thống cung cấp điện áp thấp. Phạm vi của tiêu chuẩn này lưu ý rằng tiêu chuẩn áp dụng cho tần số lên đến 30 kHz và các giá trị khe hở không khí tối thiểu không áp dụng khi có khí ion hóa. Các thiết bị làm đẹp bằng sóng tần số cao cũng có thể cố ý tạo ra sự ion hóa gần điện cực, đây là một trong những lý do khiến việc đánh giá trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm cụ thể cho sản phẩm là rất cần thiết.
Đối với một thiết bị chăm sóc da gia dụng, cần xem xét các yêu cầu chung của IEC 60335-1 và tiêu chuẩn cụ thể áp dụng tương ứng. Nếu sản phẩm được giới thiệu cho mục đích y tế, lộ trình quy định và nhóm tiêu chuẩn an toàn có thể thay đổi đáng kể.
Nguyên tắc thiết kế: phân loại trước khi xác định kích thước Trước khi cố định đường viền PCB, vị trí biến áp hoặc vách vỏ máy, hãy xác định mục đích sử dụng, thị trường mục tiêu, nguồn điện, cấp cách điện và bộ tiêu chuẩn áp dụng. Nếu không, nhóm có thể tối ưu hóa một cấu trúc mà sau đó sẽ không đạt yêu cầu tuân thủ thực tế. |
Bảy phương pháp kết cấu giúp giảm phóng điện không mong muốn
1. Tách biệt vùng điện trường cao khỏi vùng cầm nắm
Cuộn thứ cấp của biến áp, dây dẫn điện áp cao và ổ cắm điện cực nên được tập trung trong một vùng được kiểm soát, tách biệt về mặt vật lý khỏi vị trí tay người dùng. Chỉ tăng độ dày tổng thể của vách máy sẽ kém hiệu quả hơn so với việc tạo ra một ranh giới bên trong có chủ đích giữa vùng điện trường cao và vùng cầm nắm.
Một ống lót lồng bên trong, cốc cách điện hoặc buồng điện áp cao có thể tạo ra một lớp chắn thứ hai bên trong vỏ ngoài thẩm mỹ. Cách tiếp cận này cũng làm giảm khả năng một trụ vít, bộ phận kim loại trang trí, phím cảm ứng hoặc đường nối đi vào vùng điện trường cao trong các thay đổi thiết kế công nghiệp sau này.
2. Thêm gân và đường rãnh ngoằn ngoèo khi không thể tránh khỏi các bề mặt
Gân đúc có thể tăng chiều dài đường rò rỉ mà không làm tay cầm trở nên lớn hơn đáng kể. Vị trí của chúng rất quan trọng. Một gân nên ngắt quãng đường rò rỉ có khả năng xảy ra và không nên tạo ra khe hẹp có thể giữ lại chất trợ dung, bụi hoặc hơi ẩm.
Cấu trúc rãnh ngoằn ngoèo đặc biệt hữu ích xung quanh đầu biến áp, ổ cắm điện cực và mối nối vỏ máy. Các chuyển tiếp bo tròn được ưu tiên hơn các cạnh sắc như lưỡi dao, vì chúng có thể tập trung điện trường.
3. Kiểm soát mọi điểm dẫn điện sắc nhọn
Các điện trường cục bộ mạnh nhất thường xuất hiện ở những vị trí không nổi bật trong sơ đồ: đầu dây linh kiện bị cắt, mối hàn nhọn, đầu cuộn dây, đầu nối uốn, tiếp điểm lò xo hoặc góc lá kim loại.
Bản vẽ kỹ thuật cần xác định rõ việc cắt tỉa chân linh kiện, hình dạng mối hàn, độ chồng lớp cách điện và bán kính uốn tối thiểu. Trong quá trình sản xuất, các tiêu chuẩn trực quan cần thể hiện các mẫu gia công cao áp đạt yêu cầu và không đạt yêu cầu. Một nguyên mẫu an toàn do một kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm tạo ra là chưa đủ; cấu trúc phải chịu được sự biến thiên sản xuất thông thường.
4. Sử dụng phương pháp bọc cách điện như một quy trình được kiểm soát, không phải lớp phủ thẩm mỹ
Việc bọc keo hoặc đúc phủ có thể ngăn chặn phóng điện corona và cố định cuộn dây cao áp, nhưng chỉ khi vật liệu và quy trình được thiết kế cùng nhau. Bọt khí bị kẹt sẽ trở thành các điểm tập trung điện trường cục bộ. Độ bám dính kém có thể tạo ra bề mặt bên trong mà dọc theo đó sự phóng điện di chuyển. Vật liệu bọc quá cứng có thể gây ứng suất lên dây mảnh trong quá trình chu kỳ nhiệt.
Các kiểm soát quy trình quan trọng bao gồm trộn vật liệu, phân phối chân không hoặc ít bọt khí khi thích hợp, thời gian lưu hóa, nhiệt độ lưu hóa, chiều cao lấp đầy, độ sạch của linh kiện và kiểm tra độ phủ không đầy đủ. Lớp phủ quét mỏng không nên được coi là tương đương với hệ thống bọc keo đã được kiểm chứng.
5. Chọn vật liệu cách điện dựa trên đặc tính điện và môi trường
Lựa chọn vật liệu cần xem xét chỉ số so sánh dòng rò, khả năng chịu hồ quang, tính chống cháy, mức chịu nhiệt, độ hút ẩm, tính tương thích hóa học và chất lượng đúc. Chỉ số độ bền điện môi danh nghĩa cao không đảm bảo hiệu suất chống rò bề mặt tốt.
Vật liệu vỏ bọc, vách ngăn bên trong và vật liệu máy biến áp có thể phục vụ các chức năng khác nhau và do đó cần các thông số kỹ thuật khác nhau. Chất tạo màu, hàm lượng tái chế, chất giải phóng khuôn và kết cấu bề mặt cũng có thể ảnh hưởng đến độ lặp lại và cần được cố định trong thông số kỹ thuật vật liệu được phê duyệt.
6. Quản lý khớp nối điện dung, không chỉ dẫn truyền trực tiếp
Người dùng có thể cảm thấy vỏ máy bị "nhiễm điện" ngay cả khi chưa xảy ra sự cố hỏng cách điện trực tiếp. Trường tần số cao có thể khớp nối điện dung qua máy biến áp, dây điện và vỏ bọc. Kết quả có thể là cảm giác khó chịu, phóng điện không ổn định hoặc chỉ số bất ngờ trên máy kiểm tra cơ bản.
Đây cần được phân tích như một bài toán về mạch điện và trường điện từ. Cách bố trí cuộn dây máy biến áp, thiết kế tấm chắn, điện dung ký sinh, đường hồi tiếp dòng điện đầu ra, hình dạng điện cực và khoảng cách với vỏ máy đều ảnh hưởng đến kết quả. Một lá kim loại được nối một cách tùy tiện vào dây trung tính của lưới điện không phải là giải pháp an toàn mang tính tổng quát. Dây trung tính là dây dẫn mang dòng điện và không thể thay thế cho dây tiếp đất bảo vệ. Trong thiết kế thiết bị cầm tay loại Class II, việc thêm một tấm chắn nối với dây trung tính có thể tạo ra một đường dẫn nguy hiểm mới và làm tổn hại đến khái niệm cách điện.
Nếu sử dụng màn chắn tĩnh điện, kết nối, cách điện, hành vi sự cố và ảnh hưởng đến EMC của nó phải được thiết kế có chủ đích và thử nghiệm theo cấp sản phẩm đã chọn.
7. Giảm ứng suất tại nguồn
Cách điện kết cấu không nên bù đắp cho thiết kế điện không được kiểm soát. Tỷ số vòng dây máy biến áp, tần số điều khiển, chu kỳ nhiệm vụ, linh kiện cộng hưởng, giới hạn dòng điện và trở kháng đầu ra phải được phối hợp để sản phẩm đạt được hành vi điện cực yêu cầu mà không có ứng suất hở mạch quá mức.
Giảm nhẹ ứng suất điện trường đỉnh có thể mang lại độ tin cậy cao hơn so với việc thêm một lớp băng mỏng khác sau khi thiết kế hoàn tất.
INKUE  02 | KỸ SƯ R&D Khái niệm cách điện nên được xem xét cùng với thiết kế máy biến áp, bố trí PCB, ổ cắm điện cực, cấu trúc xếp chồng vỏ máy và dung sai sản xuất. |
Chi tiết PCB và hệ thống dây điện thường gây ra phóng điện bề mặt
Máy biến áp cao áp có thể được cách điện tốt trong khi PCB xung quanh thì không. Các điểm yếu phổ biến bao gồm:
• khoảng cách không đủ giữa các miếng đệm thứ cấp và đồng điện áp thấp;
• lớp phủ chống hàn được coi là rào cản cách điện duy nhất;
• cặn từ chất trợ dung xung quanh chân máy biến áp;
• đường dẫn điện áp cao được đặt gần vít lắp hoặc khe hở vỏ máy;
• dây không được cách điện băng qua mép PCB;
• các vùng đồng sắc nhọn hoặc miếng đệm kiểm tra dưới máy biến áp;
• đầu nối có điện áp định mức thấp hơn ứng suất dạng sóng thực tế;
• dây dẫn điện áp cao có thể di chuyển sau bài kiểm tra rơi;
• ổ cắm điện cực cho phép thân thủy tinh hoặc lò xo tiếp xúc nằm không nhất quán.
Thực hành bố trí tốt sử dụng các vùng cấm, hình dạng dây dẫn trơn tru, định tuyến có kiểm soát và cố định vật lý. Khi sử dụng rãnh để tăng khoảng cách phóng điện bề mặt, kích thước rãnh và dung sai đúc hoặc lắp ráp phải được đưa vào bản vẽ. Đồ gá kiểm tra sản xuất cũng nên tránh để lại cặn dẫn điện hoặc hư hỏng gần khu vực điện áp cao.
Việc xác nhận nên tái hiện các điều kiện thực tế khắc nghiệt nhất
Một thiết bị hoạt động trên bàn thử nghiệm kỹ thuật khô chưa chứng minh được khả năng cách điện chắc chắn. Việc kiểm tra nên bao gồm các tổ hợp liên quan của:
1. điều kiện nguồn cung cấp tối đa và tối thiểu;
2. cài đặt đầu ra cao nhất và trạng thái điều khiển bất thường;
3. phạm vi dung sai đầy đủ của máy biến áp, tụ điện và điện cực;
4. độ ẩm cao và nhiễm bẩn đại diện cho việc sử dụng của người tiêu dùng;
5. vận hành liên tục và chu kỳ bật/tắt lặp lại;
6. chu kỳ nhiệt và lão hóa vật liệu;
7. Kiểm tra rơi, rung và ứng suất khi cắm điện cực;
8. Đánh giá khả năng chịu điện môi, dòng điện tiếp cận và dòng điện chạm;
9. Các khe hở vỏ máy, bộ phận trang trí và tất cả các bề mặt người dùng có thể chạm tới;
10. Kiểm tra sơ bộ tương thích điện từ (EMC), vì phóng điện hồ quang và corona có thể tạo ra nhiễu băng rộng.
Sự cố cần được xác định vị trí, chụp ảnh và truy ra cơ chế gây ra. "Đạt sau khi thêm băng dính" không phải là báo cáo nguyên nhân gốc. Hành động khắc phục cần được phản ánh trong bản vẽ, hướng dẫn công việc, tiêu chí kiểm tra và hồ sơ kiểm soát thay đổi.
INKUE  03 | THỬ NGHIỆM LÃO HÓA Kiểm tra lão hóa giúp phát hiện độ trôi đầu ra, phóng điện không liên tục, hiện tượng nóng và các điểm yếu cách điện có thể không xuất hiện trong quá trình kiểm tra chức năng ngắn. |
Thiết kế cho sản xuất hàng loạt lặp lại
Độ tin cậy điện áp cao bị ảnh hưởng mạnh bởi sự biến thiên quy trình. Một thiết kế ổn định cần các biện pháp kiểm soát có thể đo lường, bao gồm:
• Thông số kỹ thuật quấn dây và bọc cách điện của biến áp;
• vật liệu cách nhiệt và nhà cung cấp đã được phê duyệt;
• định tuyến và cố định dây điện đã được xác định;
• tiêu chuẩn hàn và làm sạch;
• độ sâu lắp điện cực và lực giữ;
• kiểm tra chức năng điện áp cao trong quá trình sản xuất;
• kiểm tra cuối cùng dưới tải điện cực có kiểm soát;
• kế hoạch lấy mẫu cho các thử nghiệm điện môi và lão hóa;
• tiêu chí loại bỏ rõ ràng đối với tiếng ồn, mùi, phóng điện corona nhìn thấy được và cảm giác trên vỏ.
Hồ sơ nhà cung cấp được xác minh bởi bên thứ ba hiện tại của INKUE liệt kê các kỹ sư R&D nội bộ, nhân viên kiểm soát chất lượng, kiểm tra sản phẩm trên các dây chuyền sản xuất, truy xuất nguồn gốc nguyên liệu thô và kiểm tra sản phẩm hoàn thiện. Các biện pháp kiểm soát này đặc biệt quan trọng đối với các sản phẩm tần số cao, nơi một khác biệt nhỏ trong lắp ráp có thể thay đổi điện trường.
Các câu hỏi thường gặp
Liệu chỉ riêng lớp nhựa dày hơn có thể ngăn chặn sự rò rỉ điện áp cao không?
Không đáng tin cậy. Độ dày có thể cải thiện cách điện rắn, nhưng phóng điện bề mặt vẫn có thể đi theo các đường nối, gân, nhiễm bẩn hoặc các linh kiện bên trong. Thiết kế cần phối hợp khe hở không khí, chiều dài rò rỉ, cách điện rắn, kiểm soát điện trường và độ sạch quy trình.
Có an toàn khi kết nối lá đồng với dây trung tính nguồn điện lưới để che chắn máy biến áp không?
Không nên sử dụng như một giải pháp chung. Dây trung tính không phải là dây tiếp đất bảo vệ, có thể mang dòng điện và có thể không duy trì ở điện thế đất trong mọi điều kiện đấu dây hoặc sự cố. Bất kỳ tấm che chắn nào phải là một phần của kiến trúc cách điện đã được phê duyệt và được xác nhận cho các điều kiện bình thường và sự cố đơn lẻ.
Việc đổ đầy keo (potting) có luôn loại bỏ phóng điện corona không?
Không. Các lỗ rỗng, quá trình đóng rắn không hoàn toàn, độ bám dính kém, nhiễm bẩn và các dây dẫn bên trong sắc nhọn vẫn có thể tạo ra phóng điện cục bộ. Việc đổ keo (potting) phải được quy định và kiểm soát như một quy trình sản xuất.
Tại sao thiết bị vượt qua kiểm tra ban đầu nhưng lại hỏng sau vài ngày?
Hấp thụ độ ẩm, di chuyển cặn, chu kỳ nhiệt, chuyển động cơ học và theo dõi tiến triển có thể làm thay đổi đường cách điện. Đó là lý do tại sao các thử nghiệm lão hóa, môi trường và sử dụng lặp lại là cần thiết.
Xây dựng Đầu Ra và Cách Điện Cùng Nhau
Đầu cầm tay tần số cao mạnh nhất không phải là loại có điện áp không tải cao nhất. Đó là loại mang lại hiệu suất điện cực dự kiến một cách nhất quán, trong một phạm vi năng lượng được kiểm soát, đồng thời duy trì tính toàn vẹn của lớp cách điện trong các dung sai sản xuất và điều kiện sử dụng thực tế.
Đối với một dự án OEM hoặc ODM mới, máy biến áp, bảng mạch PCB, điện cực, vỏ máy và kế hoạch tuân thủ nên được phát triển như một hệ thống duy nhất. Làm điều này sớm sẽ nhanh hơn và ít tốn kém hơn so với việc cố gắng cô lập một cụm điện áp cao hoàn chỉnh sau khi khuôn mẫu đã được sản xuất.
THẢO LUẬN DỰ ÁN THIẾT BỊ LÀM ĐẸP CỦA BẠN VỚI INKUE Chia sẻ thị trường mục tiêu, công nghệ, hình thức sản phẩm, số lượng dự kiến và yêu cầu tùy chỉnh của bạn. Đội ngũ INKUE có thể hỗ trợ đánh giá lộ trình phát triển phù hợp cho nhãn hiệu riêng, OEM hoặc ODM. Yêu cầu dự án: smartchan@inkue.com |
Lưu ý kỹ thuật và tuân thủ: Các tiêu chuẩn áp dụng, phương pháp thử nghiệm và lộ trình quy định phụ thuộc vào mục đích sử dụng, tuyên bố, kiến trúc điện, phụ kiện và thị trường mục tiêu của sản phẩm. Xác nhận kế hoạch thử nghiệm cuối cùng với phòng thí nghiệm đủ điều kiện và chuyên gia quy định trước khi ra mắt thị trường.
Liên hệ
Để lại thông tin của bạn và chúng tôi sẽ liên hệ với bạn.
