Convertoare compacte de înaltă tensiune pentru sisteme PEF modulare

Convertoare compacte de înaltă tensiune pentru sisteme PEF modulare

Aplicațiile comerciale cu câmp electric pulsat (PEF – Pulsed Electric Field) sunt destinate furnizării unor impulsuri puternice și repetabile, care inactivează microbii și prelungesc durata de valabilitate a alimentelor și băuturilor, fără utilizarea căldurii sau a substanțelor chimice. Optimizate pentru scalabilitate, fiabilitate și durată lungă de funcționare, acestea sunt, de obicei, realizate la comandă, fiind în general costisitoare și lipsite de flexibilitate. Acest lucru creează oportunități de piață pentru proiecte modulare pilot, care utilizează componente disponibile în comerț.

XP Power oferă o gamă de convertoare de putere de înaltă tensiune stabilizate, pe care proiectanții le pot utiliza pentru a construi sisteme PEF modulare destinate aplicațiilor de laborator, pilot și comerciale. Convertoarele HRL30 de 30 W ale companiei funcționează ca surse de alimentare de înaltă tensiune stabilizate, capabile să încarce condensatoare sau rețele de formare a impulsurilor (PFN). Acestea, la rândul lor, eliberează energia stocată sub formă de impulsuri controlate, printr-un etaj de comutare, către electrozi, senzori sau celule de tratare.

Prin furnizarea unei alimentări stabile de înaltă tensiune pentru etajele din aval, unde sunt generate impulsurile controlate și repetabile, convertoarele HRL30 oferă proiectanților mai multă libertate pentru a experimenta, a itera rapid și a dezvolta soluții inovatoare specifice aplicației.

Sisteme modulare mai compacte

Proiectanții pot construi sisteme modulare de înaltă tensiune în jurul unui convertor HRL30, utilizându-l ca sursă de alimentare stabilizată pentru o gamă variată de subsisteme. De aici, PFN-urile încărcate eliberează energia stocată sub formă de impulsuri controlate. Aceste impulsuri trec prin module de comutare și ajung la electrozii care aplică efectiv câmpul electric asupra celulelor de tratare, în timp ce electronica de monitorizare și control a sistemului urmărește tensiunea, curentul și temperatura.

Carcasele mecanice și răcirea prin placa de bază simplifică integrarea în siguranță în platforme de laborator, module PEF pilot sau subsisteme OEM. Prin combinarea acestor componente, echipele pot realiza rapid prototipuri, pot itera și pot adapta proiectele fără a fi nevoie să dezvolte o sursă de înaltă tensiune personalizată pentru fiecare aplicație.

Convertoarele funcționează în moduri de tensiune constantă și curent constant, cu comutare automată, permițând o rată de încărcare controlată a condensatorului. Tensiunea de ieșire poate fi programată de la 0% la 100% printr-un semnal analogic de 0–5 V, permițând sistemului să ajusteze dinamic tensiunea de încărcare țintă și, astfel, intensitatea impulsului.

Convertoarele XP Power oferă ieșiri de monitorizare a tensiunii și curentului (V_mon și I_mon) pentru testare automată, înregistrare sau control în buclă închisă. Aceste semnale permit unui microcontroler extern sau unui controler logic programabil să detecteze momentul în care condensatorul este complet încărcat, să declanșeze impulsul și să inițieze ciclul de reîncărcare.

Furnizarea stabilă și controlată a energiei

Arhitectura HRL30 permite realizarea unei game largi de sisteme care furnizează tensiune înaltă într-un mod definit și repetabil. Acest lucru permite echipelor de proiectare să se concentreze asupra performanței aplicației, integrării sistemului și controlului impulsurilor, reducând complexitatea asociată arhitecturii de alimentare. Carcasele mecanice compacte și răcirea prin placa de bază permit o integrare mai ușoară și mai sigură în sisteme mai mari.

Provocarea principală în cazul aplicațiilor PEF nu este doar generarea de tensiune înaltă, ci furnizarea acesteia în mod sigur și previzibil. Seria HRL30 furnizează energie stabilă și reglată către PFN-uri, baterii de condensatoare sau alte elemente de stocare de înaltă tensiune care alimentează etajele de impulsuri din aval.

Figura 1: Linia de produse HRL30 are un factor de formă comun și o arhitectură răcită prin placa de bază. (Sursa imaginii: XP Power)

PFN-urile sunt combinații de condensatoare și inductoare care stochează energia și o eliberează sub formă de impulsuri scurte și repetabile. PFN-ul definește forma, durata și amplitudinea impulsului, în timp ce HRL30 gestionează furnizarea sigură și fiabilă a energiei și le permite proiectanților să se concentreze pe optimizarea performanței, mai degrabă decât pe dezvoltarea unei surse de înaltă tensiune personalizate.

Proiectanții pot corela cerințele electrice ale aplicațiilor lor cu variantele HRL30, care au un factor de formă compact, răcit prin placa de bază, de 3 in. × 2 in. × 0,73 in. (Figura 1).

De exemplu, următoarele trei componente ilustrează modul în care tensiunea și curentul pot fi adaptate cerințelor electrice:

• La nivelul inferior de tensiune, un model precum HRL3024S350P furnizează până la 350 VDC la aproximativ 85 mA, ceea ce îl face potrivit pentru proiecte care beneficiază de un curent mai mare, cum ar fi încărcarea mai rapidă a bateriilor de condensatoare, experimentele PEF cu câmp moderat sau sistemele de tip electroforeză, unde energia pe impuls contează mai mult decât intensitatea extremă a câmpului.
• Trecând la un nivel superior, modelul din gama medie HRL3024S600N furnizează până la -600 VDC la aproximativ 50 mA, echilibrând tensiunea și curentul pentru sistemele PEF la scară de laborator sau pilot care necesită câmpuri electrice semnificative, fără a complica excesiv cerințele de izolație, distanțare sau arhitectura sistemului.
• La capătul superior al gamei, modelul HRL3024S5K0P furnizează până la 5 kVDC la aproximativ 6 mA, acordând prioritate intensității câmpului electric față de curent. Este potrivit pentru module PEF mici, la scară pilot, configurații de electroporare de laborator sau instrumente care necesită polarizare precisă de înaltă tensiune, mai degrabă decât o putere ridicată furnizată la ieșire.

Concluzie

Pe măsură ce proiectanții extind utilizarea tehnologiei PEF către sisteme pilot, modulare și specifice aplicațiilor, capacitatea de a genera tensiune înaltă în mod sigur și previzibil, fără dezvoltarea unei surse de alimentare personalizate, devine un avantaj important. Această abordare modulară poate reduce costurile, accelera dezvoltarea și deschide calea către o gamă mai largă de implementări practice.

Seria HRL30 de la XP Power oferă o bază de înaltă tensiune stabilizată, care permite echipelor să se concentreze pe modelarea impulsurilor, electrozi și performanța sistemului, reducând efortul și riscurile asociate arhitecturii de alimentare.

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.

Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.

DigiKey

Glosar de termeni

PEF – Pulsed Electric Field – Câmp electric pulsat. Tehnologie care utilizează impulsuri electrice scurte și intense pentru tratarea produselor alimentare, băuturilor sau materialelor biologice, fără utilizarea căldurii sau a substanțelor chimice.
PFN – Pulse Forming Network – Rețea de formare a impulsurilor. Ansamblu de componente, de obicei condensatoare și inductoare, care stochează energia și o eliberează sub formă de impulsuri controlate, cu formă, durată și amplitudine definite.
Convertor de putere de înaltă tensiune stabilizat – Sursă de alimentare care furnizează o tensiune de ieșire controlată și stabilă, chiar și atunci când condițiile de sarcină sau cerințele aplicației se modifică.

Tensiune constantă / curent constant – Moduri de funcționare ale unei surse de alimentare. În modul de tensiune constantă, sursa menține tensiunea la valoarea setată; în modul de curent constant, limitează sau menține curentul la valoarea programată.
Baterie de condensatoare – Grup de condensatoare conectate pentru a stoca o cantitate mai mare de energie electrică. În aplicațiile PEF, acestea pot fi încărcate la tensiune înaltă și descărcate controlat pentru generarea impulsurilor.

Termeni utilizați în aplicațiile PEF

Electroporare – Proces prin care impulsurile electrice produc o creștere temporară a permeabilității membranei celulare. Este utilizat în aplicații biologice, medicale, de laborator și de procesare.
Electroforeză – Tehnică prin care particulele sau moleculele încărcate electric se deplasează într-un câmp electric. Este utilizată frecvent în laboratoare pentru separarea și analiza unor probe biologice sau chimice.
V_mon / I_mon – Ieșiri de monitorizare pentru tensiune și curent. Aceste semnale permit unui microcontroler sau unui controler logic programabil să urmărească starea sistemului și să controleze ciclurile de încărcare și impuls.
Control în buclă închisă – Metodă de control în care sistemul măsoară permanent o mărime de ieșire, de exemplu tensiunea sau curentul, și ajustează funcționarea pentru a menține valoarea dorită.
Răcire prin placa de bază – Metodă de disipare termică în care căldura generată de componentă este transferată printr-o placă de bază metalică spre șasiu, radiator sau alt element mecanic de răcire.