HVPS v tiskárně: proč specifikace vylučují vodič s trojitou izolací (TIW)

Tento článek je určen vývojářům vysokonapěťových zdrojů a magnetických součástek a nákupním inženýrům pracujícím s laserovými tiskárnami a kopírkami (elektrofotografie). Možná jste si všimli, že vodič s trojitou izolací (TIW, Triple Insulated Wire) má „tlustou izolaci“, a ptáte se, zda by jím nešlo navinout zvyšovací transformátor ve vysokonapěťovém zdroji tiskárny (HVPS, High Voltage Power Supply). Nejprve závěr: podle specifikací to nejde, je to slepá ulička. Výstup HVPS pracuje trvale na vysokém napětí, v řádu daleko přesahujícím jmenovité pracovní napětí TIW. TIW je „bezpečnostní izolační vodič“, nikoli „vysokonapěťový vodič“; oba řeší jiný problém. Tento článek věc vyjasňuje, aby obě strany ušetřily čas strávený pokusy a omyly. Hodnoty výrobků DAH JIN platí vždy „podle schvalovacího listu“.

1. Nejprve: jak vysoké napětí musí HVPS v tiskárně vytvořit

V elektrofotografickém procesu tvorby obrazu (nabíjení → expozice → vyvolání → přenos → fixace) závisí několik kroků na tom, že HVPS dodá vysokonapěťové předpětí nebo korónové napětí. Tato napětí sahají od stovek V až po jednotky kV a na daném potenciálu jsou drženy trvale, nejde o krátké impulzy.

• Předpětí vývojky (developer bias) — Typické výstupní napětí (trvalý provoz)：Stovky V (řádově −600 V)；Poznámka：Stejnosměrné předpětí řídící sytost tisku, často se superponovanou střídavou složkou
• Nabíjecí válec (charge roller, PCR) — Typické výstupní napětí (trvalý provoz)：Přibližně −1000 V；Poznámka：Kontaktní nabíjení, nahrazuje starší korónový drát
• Přenosový válec (transfer roller) — Typické výstupní napětí (trvalý provoz)：Stovky V až přibližně +1000 V；Poznámka：Přenáší toner z fotocitlivého válce na papír
• Korónové / scorotronové nabíjení — Typické výstupní napětí (trvalý provoz)：Drát přibližně −5～−8 kV; mřížka přibližně −500～−1500 V；Poznámka：Bezkontaktní nabíjení, u starších a některých špičkových modelů
• Přenosová koróna (transfer corona, starší provedení) — Typické výstupní napětí (trvalý provoz)：Přibližně +6 kV；Poznámka：Starší bezkontaktní přenos
• Specializované vysokonapěťové moduly pro elektrofotografii — Typické výstupní napětí (trvalý provoz)：Až přibližně ±20 kV；Poznámka：Komerčně dostupné vysokonapěťové moduly pro nabíjení / přenos

Podstatné jsou dvě věci: řád velikosti a slovo „trvale“. Kontaktní nabíjecí válce, vývojkové a přenosové válce se většinou pohybují mezi stovkami V a přibližně 1 kV; jakmile se přejde na bezkontaktní korónové / scorotronové nabíjení, je na drátu −5～−8 kV a starší přenosové koróny dosahují +6 kV; komerční vysokonapěťové moduly pro elektrofotografii dávají na výstupu dokonce až přibližně ±20 kV. To vše jsou trvalá pracovní napětí, která musí HVPS stabilně dodávat.

2. TIW je „bezpečnostní izolační vodič“, nikoli „vysokonapěťový vodič“

Nejprve je třeba odstranit běžný intuitivní omyl: „trojitá izolace = tlustá izolace = určitě vydrží vysoké napětí“. To není pravda. Tři izolační vrstvy TIW řeší problém zesílené izolace (reinforced insulation) podle bezpečnostních norem, nikoli problém „nést trvalé vysoké napětí“.

Hodnoticí rámec TIW tvoří UL 2353, IEC 62368-1 Annex J (bezpečnost zařízení ICT a audio/video), řada IEC 61558 a pro zdravotnické prostředky IEC 60601-1 (podle schvalovacího listu). Účelem celého tohoto rámce je umožnit, aby jediný vodič zajistil zesílenou izolaci mezi primární a sekundární stranou transformátoru při pracovních napětích na úrovni sítě a odpadla povrchová cesta, kterou by jinak bylo nutné vytvořit okrajovou a mezivrstvou páskou. Jinými slovy, hodnota TIW spočívá v „bezpečnostní izolaci bez povrchové cesty“ a svět napětí, kterému slouží, je úroveň sítě (jmenovité pracovní napětí řádu přibližně 1 kV), nikoli svět kV až desítek kV na výstupu HVPS.

Vezměme jako příklad zveřejněnou specifikaci jednoho vodiče s trojitou izolací na trhu (nejde o hodnotu DAH JIN): jeho jmenovité pracovní napětí je uvedeno na úrovni VDE 1000 V, UL (elektronická zařízení) 1500 V a UL (zdravotnictví) 707 V. To je rozsah pracovních napětí, pro který jsou vodiče typu TIW navrženy a hodnoceny: úroveň sítě, nikoli trvalé vysoké napětí −5～−8 kV korónového nabíjení. Jmenovité hodnoty vodičů DAH JIN platí vždy podle schvalovacího listu a zde se neopakují.

3. Rozhoduje „jmenovité pracovní napětí“, nikoli „průrazné napětí“

Tato část je jádrem celé věci a zároveň místem, kde se nejsnáze chybuje. Někdo řekne: „V téže specifikaci je u toho TIW uvedeno průrazné napětí (breakdown) přibližně 7 kV, tak by na korónu 6 kV přece akorát stačil?“ To je záměna dvou různých věcí.

• Jmenovité pracovní napětí (working voltage): napětí, které vodič snese trvale, s již započtenou bezpečnostní rezervou. V uvedeném příkladu řádově 1000～1500 V.
• Průrazné / zkušební napětí elektrické pevnosti (breakdown / dielectric withstand): zkušební hodnota přiložená krátkodobě, jejímž účelem je ověřit, že izolace nemá vady; v uvedeném příkladu přibližně 7 kV. Znamená to „zkoušku přežije“, nikoli „lze zde trvale používat“.

Izolace se nikdy nepoužívá tak, aby trvalé pracovní napětí leželo poblíž průrazného napětí; to by znamenalo nulovou rezervu a hazard s bezpečností. O tom, zda je vodič „použitelný“, skutečně rozhoduje jmenovité pracovní napětí. Postavíme-li obě strany vedle sebe, je to zřejmé na první pohled:

• Povaha napětí — Výstup HVPS tiskárny：Trvalý provoz na vysokém napětí；TIW pro bezpečnostní izolaci：Jmenovité trvalé pracovní napětí
• Řád velikosti — Výstup HVPS tiskárny：Stovky V až jednotky kV, moduly až přibližně 20 kV；TIW pro bezpečnostní izolaci：Přibližně 1 kV (zveřejněná oborová specifikace; DAH JIN podle schvalovacího listu)
• Krátkodobá elektrická pevnost / průraz — Výstup HVPS tiskárny：—；TIW pro bezpečnostní izolaci：Průraz přibližně 7 kV (krátkodobá zkušební hodnota, nikoli trvalá jmenovitá)
• Konstrukční role — Výstup HVPS tiskárny：Vytváření / dodávání vysokého napětí；TIW pro bezpečnostní izolaci：Zesílená izolace mezi primární a sekundární stranou (bez povrchové cesty)
• Závěr — Výstup HVPS tiskárny：—；TIW pro bezpečnostní izolaci：Trvalé pracovní napětí překračuje jmenovité hodnoty TIW, nepoužitelné

Výsledek je jasný: místa jako nabíjecí válec se stovkami V až 1 kV nikdy nepotřebovala trojitou izolaci úrovně zesílené izolace, aby svůj potenciál udržela; a trvalá pracovní napětí korón, scorotronů, přenosových korón a vysokonapěťových modulů, od 5 kV a 6 kV výše až po 20 kV, nejenže daleko překračují jmenovité pracovní napětí TIW přibližně 1 kV, ale přibližují se jeho krátkodobé průrazné zkušební hodnotě nebo ji překračují. Ať se díváme z kterékoli strany, vysoké napětí HVPS nechává TIW za dveřmi. Je to slepá ulička ve specifikacích, kterou nezaplní žádná značka ani žádný schvalovací list.

4. Jak se vysokonapěťové transformátory HVPS skutečně vinou

Když ne TIW, jak se zvyšovací transformátor HVPS skutečně staví? Vysokonapěťové transformátory v oboru sledují zcela jiný konstrukční jazyk:

• Komorová kostra (sectioned / multi-bay bobbin): když výstupní potenciál sekundáru přesáhne vlastní elektrickou pevnost laku jednoho vodiče pro vinutí, rozdělí se kostra na několik vinutých komor (winding bays); celkové výstupní napětí se rozloží mezi komory a sníží se mezizávitový rozdíl potenciálů v kterémkoli místě.
• Zalévání / zapouzdření (potting / encapsulation): vysokonapěťové cívky se běžně zalévají epoxidovou nebo polyesterovou pryskyřicí, aby se odstranily vnitřní dutiny a potlačil koronový výboj (corona discharge).
• Ekvipotenciální vinutí a speciální vysokonapěťový lakovaný vodič: sekundár se vine v určeném pořadí a směru tak, aby sousední, nejbližší závity zůstávaly na stejném potenciálu a nedocházelo k mezizávitovým výbojům; používá se lakovaný vodič a vývody navržené speciálně pro vysoké napětí, nikoli tenký jednožilový vodič s trojitou izolací určený pro bezpečnostní izolaci.

Jinými slovy, úkolem na vysokonapěťové straně je „jak rozložit vysoký potenciál, potlačit výboje a zabránit mezizávitovému průrazu“ a řešením je komorová kostra + zalití + vysokonapěťový lakovaný vodič. To je jiný inženýrský problém než u TIW („dosáhnout zesílené izolace jediným vodičem na úrovni sítě“), a nástroje jsou proto přirozeně jiné.

5. Kam patří TIW DAH JIN (podle schvalovacího listu)

Pokud jde o výrobní řadu DAH JIN, čtyři externě nabízené vodiče s trojitou izolací TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S a TLW-F jsou všechny vodiče pro vinutí určené pro bezpečnostní izolaci: hodnocené podle VDE 40008834, UL 2353 a IEC 62368-1 Annex J (ICT / audio-video), přičemž TLW-BB a TLW-B7S navíc pokrývají cestu IEC 60601-1 (zdravotnictví). Jejich účelem je poskytnout při pracovních napětích na úrovni sítě zesílenou izolaci bez povrchové cesty mezi primární a sekundární stranou transformátoru: přesně svět popsaný v části 2, nikoli svět vysokého napětí na výstupu HVPS tiskárny.

Vysokonapěťový transformátor HVPS tiskárny proto nespadá do oblasti použití TIW DAH JIN. Rozsah průměrů vodiče, tepelná třída, elektrická pevnost a všechny zkušební hodnoty jednotlivých typů platí vždy podle schvalovacího listu; konkrétní čísla se zde neopakují. K prvnímu kroku výběru (přiřazení tepelné třídy a typu) viz průvodce výběrem TIW; k rozlišení tepelné třídy vodiče a tepelné třídy systému / konečného výrobku viz Tepelná třída vodiče a tepelná třída izolačního systému. Pokud vaše aplikace skutečně spadá do bezpečnostní izolace na úrovni sítě (a nikoli do vysokonapěťového výstupu HVPS), uveďte prosím podmínky (pracovní napětí, požadavek na izolaci, použitelnou normu, průměr vodiče) a obraťte se na obchodní oddělení, které rozsah vymezí podle schvalovacího listu.

DAH JIN je výrobce (nikoli obchodní firma) vodičů a vyrábí ve vlastním závodě v Guirenu, Tchaj-nan, Tchaj-wan; výrobní místo uvedené v záznamu UL je tento závod. Vyrobeno na Tchaj-wanu.