HVPS trong máy in: vì sao theo quy cách không thể dùng dây cách điện ba lớp (TIW)

Bài này viết cho các kỹ sư thiết kế bộ nguồn cao áp và linh kiện từ tính, cũng như kỹ sư mua hàng làm việc với máy in laser và máy photocopy (in tĩnh điện, electrophotography). Có thể bạn thấy dây cách điện ba lớp (TIW, Triple Insulated Wire) có "lớp cách điện dày" và muốn biết liệu biến áp tăng áp trong bộ nguồn cao áp (HVPS, High Voltage Power Supply) của máy in có dùng được nó không. Xin nói kết luận trước: theo quy cách là không, đây là ngõ cụt. Đầu ra của HVPS làm việc liên tục ở cao áp, với mức vượt xa điện áp làm việc định mức của TIW. TIW là "dây cách điện an toàn theo tiêu chuẩn", không phải "dây cao áp"; hai thứ giải quyết hai bài toán khác nhau. Bài viết này nói rõ điều đó để hai bên khỏi mất thời gian thử sai. Mọi giá trị của sản phẩm DAH JIN đều "theo tài liệu phê duyệt quy cách".

1. Trước hết, xem HVPS trong máy in phải tạo ra điện áp cao đến mức nào

Trong quy trình tạo ảnh in tĩnh điện (nạp điện → chiếu sáng → hiện ảnh → chuyển ảnh → sấy định hình), có nhiều khâu phải nhờ HVPS cung cấp điện áp bias cao hoặc điện áp corona. Các điện áp này từ vài trăm V lên đến vài kV, và là làm việc liên tục ở mức điện thế đó, không phải xung tức thời.

• Bias hiện ảnh (developer bias) — Điện áp đầu ra điển hình (làm việc liên tục)：Vài trăm V (khoảng mức −600 V)；Ghi chú：Bias DC điều khiển độ đậm bản in, thường chồng thêm AC
• Trục sạc (charge roller, PCR) — Điện áp đầu ra điển hình (làm việc liên tục)：Khoảng −1000 V；Ghi chú：Nạp điện kiểu tiếp xúc, thay cho dây corona kiểu cũ
• Trục chuyển ảnh (transfer roller) — Điện áp đầu ra điển hình (làm việc liên tục)：Vài trăm V đến khoảng +1000 V；Ghi chú：Chuyển mực từ trống cảm quang sang giấy
• Nạp điện corona / scorotron — Điện áp đầu ra điển hình (làm việc liên tục)：Dây khoảng −5～−8 kV; lưới khoảng −500～−1500 V；Ghi chú：Nạp điện không tiếp xúc, ở máy đời cũ và một số dòng cao cấp
• Corona chuyển ảnh (transfer corona, kiểu cũ) — Điện áp đầu ra điển hình (làm việc liên tục)：Khoảng +6 kV；Ghi chú：Chuyển ảnh không tiếp xúc kiểu cũ
• Mô-đun nguồn cao áp chuyên dụng cho in tĩnh điện — Điện áp đầu ra điển hình (làm việc liên tục)：Có thể tới mức khoảng ±20 kV；Ghi chú：Mô-đun cao áp bán trên thị trường dùng cho nạp điện / chuyển ảnh

Điểm mấu chốt là hai điều: độ lớn và chữ "liên tục". Trục sạc tiếp xúc, trục hiện ảnh và trục chuyển ảnh phần lớn ở vài trăm V đến khoảng 1 kV; một khi dùng nạp điện không tiếp xúc kiểu corona / scorotron thì trên dây là −5～−8 kV, corona chuyển ảnh kiểu cũ còn lên tới +6 kV; còn mô-đun nguồn cao áp cho in tĩnh điện bán trên thị trường thì đầu ra mở tới mức khoảng ±20 kV. Tất cả đều là điện áp làm việc liên tục mà HVPS phải cấp ổn định.

2. TIW là "dây cách điện an toàn theo tiêu chuẩn", không phải "dây cao áp"

Trước hết cần gỡ bỏ một ngộ nhận trực giác phổ biến: "ba lớp cách điện = cách điện dày = chắc chắn chịu được cao áp". Không đúng. Ba lớp cách điện của TIW giải quyết bài toán cách điện tăng cường (reinforced insulation) theo tiêu chuẩn an toàn, không phải bài toán "gánh cao áp liên tục".

Hệ thống đánh giá TIW gồm UL 2353, IEC 62368-1 Annex J (an toàn thiết bị CNTT và nghe nhìn), bộ IEC 61558, và IEC 60601-1 cho thiết bị y tế (theo tài liệu phê duyệt quy cách). Mục đích thiết kế của cả hệ thống này là để phía sơ cấp và thứ cấp của biến áp, ở điện áp làm việc mức điện lưới, chỉ cần một sợi dây là đạt cách điện tăng cường, bỏ được chiều dài đường rò vốn phải tạo bằng băng chặn mép và băng cách lớp. Nói cách khác, giá trị của TIW nằm ở "cách điện an toàn không cần đường rò", và thế giới điện áp mà nó phục vụ là mức điện lưới (điện áp làm việc định mức cỡ khoảng 1 kV), không phải thế giới cao áp kV đến vài chục kV ở đầu ra HVPS.

Lấy quy cách công bố của một loại dây cách điện ba lớp trong ngành làm ví dụ (không phải giá trị của DAH JIN): điện áp làm việc định mức được ghi ở mức VDE 1000 V, UL (thiết bị điện tử) 1500 V, UL (y tế) 707 V. Đó chính là dải điện áp làm việc mà loại dây TIW được thiết kế và đánh giá — mức điện lưới, chứ không phải cao áp liên tục −5～−8 kV kiểu nạp điện corona. Giá trị định mức của dây DAH JIN luôn theo tài liệu phê duyệt quy cách, bài này không liệt kê lại.

3. Mấu chốt là "điện áp làm việc định mức", không phải "điện áp đánh thủng"

Mục này là cốt lõi của toàn bộ vấn đề, cũng là chỗ dễ phán đoán sai nhất. Có người sẽ nói: "Trong cùng bản quy cách đó, điện áp đánh thủng (breakdown) của sợi TIW ấy ghi khoảng 7 kV, vậy đem gánh corona 6 kV chẳng phải vừa khớp sao?" — đó là trộn lẫn hai thứ khác nhau.

• Điện áp làm việc định mức (working voltage): điện áp mà dây có thể chịu liên tục, đã bao gồm dự trữ an toàn. Ví dụ trên là mức 1000～1500 V.
• Điện áp đánh thủng / điện áp thử độ bền điện môi (breakdown / dielectric withstand): giá trị thử đặt vào trong thời gian ngắn để kiểm chứng cách điện không có khuyết tật, ví dụ trên khoảng 7 kV. Đây là "thử một chút không hỏng", không phải "có thể dùng liên tục ở đây".

Việc sử dụng cách điện không bao giờ đặt điện áp làm việc liên tục gần điện áp đánh thủng — như vậy là không có dự trữ, đem an toàn ra đánh cược. Thứ thực sự quyết định "dùng được hay không" là điện áp làm việc định mức. Đặt hai bên cạnh nhau là thấy ngay:

• Tính chất điện áp — Đầu ra HVPS máy in：Làm việc liên tục ở cao áp；TIW dùng cho cách điện an toàn：Điện áp làm việc liên tục định mức
• Độ lớn — Đầu ra HVPS máy in：Vài trăm V đến vài kV, mô-đun có thể tới khoảng 20 kV；TIW dùng cho cách điện an toàn：Mức khoảng 1 kV (quy cách công bố trong ngành; DAH JIN theo tài liệu phê duyệt quy cách)
• Chịu đựng ngắn hạn / đánh thủng — Đầu ra HVPS máy in：—；TIW dùng cho cách điện an toàn：Đánh thủng khoảng 7 kV (giá trị thử ngắn hạn, không phải định mức liên tục)
• Vai trò thiết kế — Đầu ra HVPS máy in：Tạo / xuất cao áp；TIW dùng cho cách điện an toàn：Cách điện tăng cường giữa phía sơ cấp—thứ cấp (không cần đường rò)
• Kết luận — Đầu ra HVPS máy in：—；TIW dùng cho cách điện an toàn：Điện áp làm việc liên tục vượt định mức TIW, không áp dụng được

Kết quả rất rõ: những vị trí như trục sạc ở vài trăm V～1 kV vốn không cần tới cách điện ba lớp cấp cách điện tăng cường để gánh điện thế; còn điện áp làm việc liên tục của corona, scorotron, corona chuyển ảnh và mô-đun cao áp, từ 5 kV, 6 kV trở lên đến 20 kV, không chỉ vượt xa điện áp làm việc định mức khoảng 1 kV của TIW mà còn tiến sát hoặc vượt qua cả giá trị thử đánh thủng ngắn hạn của nó. Nhìn từ phía nào cũng vậy, cao áp của HVPS đều chặn TIW ngoài cửa. Đây là ngõ cụt về quy cách, không thương hiệu nào hay tài liệu phê duyệt quy cách nào bù được.

4. Biến áp cao áp của HVPS thực tế được quấn thế nào

Đã không phải TIW thì biến áp tăng áp của HVPS thực tế làm ra sao? Biến áp cao áp trong ngành đi theo một ngôn ngữ thiết kế hoàn toàn khác:

• Lõi quấn chia ngăn (sectioned / multi-bay bobbin): khi điện thế đầu ra thứ cấp cao hơn độ bền điện môi của chính lớp men trên một sợi dây tráng men, lõi quấn (bobbin) được chia thành nhiều ngăn quấn (winding bay), chia tổng điện áp đầu ra cho từng ngăn gánh, giảm chênh lệch điện thế giữa các vòng ở bất kỳ chỗ nào.
• Đổ keo / bọc kín (potting / encapsulation): cuộn cao áp thường được đổ keo epoxy hoặc nhựa polyester để loại bỏ khoảng trống bên trong, ức chế phóng điện vầng quang (corona discharge).
• Cách quấn đẳng thế và dây tráng men chuyên dụng cho cao áp: thứ cấp được quấn theo thứ tự và chiều xác định, để các vòng kề nhau, gần nhau nhất giữ cùng điện thế, tránh phóng điện giữa các vòng; dùng dây tráng men và dây dẫn ra được thiết kế riêng cho cao áp, chứ không phải dây cách điện ba lớp sợi đơn nhỏ dùng cho cách điện an toàn.

Nói cách khác, bài toán ở phía cao áp là "làm sao phân tán điện thế cao, ức chế phóng điện, tránh đánh thủng giữa các vòng", lời giải là lõi quấn chia ngăn + đổ keo + dây tráng men cao áp. Đây và bài toán "dùng một sợi dây đạt cách điện tăng cường ở mức điện lưới" của TIW là hai bài toán kỹ thuật khác nhau, công cụ đương nhiên khác nhau.

5. Vị trí của TIW DAH JIN (theo tài liệu phê duyệt quy cách)

Về dòng sản phẩm của DAH JIN, bốn loại dây cách điện ba lớp cung cấp ra bên ngoài TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F đều là dây quấn dùng cho cách điện an toàn theo tiêu chuẩn: được đánh giá theo VDE 40008834, UL 2353, IEC 62368-1 Annex J (CNTT / nghe nhìn), TLW-BB và TLW-B7S còn bao phủ thêm lộ trình IEC 60601-1 (y tế). Công dụng của chúng là ở điện áp làm việc mức điện lưới, cung cấp cách điện tăng cường không cần đường rò giữa phía sơ cấp—thứ cấp của biến áp — chính là thế giới nói ở mục 2, chứ không phải thế giới cao áp ở đầu ra HVPS của máy in.

Do đó, biến áp cao áp của HVPS máy in không nằm trong phạm vi ứng dụng của TIW DAH JIN. Dải đường kính dây, cấp chịu nhiệt, điện áp chịu đựng và các giá trị thử nghiệm của từng mã sản phẩm đều theo tài liệu phê duyệt quy cách, bài này không liệt kê lại con số cụ thể; bước đầu tiên khi chọn loại (tương ứng cấp chịu nhiệt với mã sản phẩm) có thể tham khảo Hướng dẫn chọn TIW, ranh giới giữa cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống / thành phẩm xem tại Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện. Nếu ứng dụng của bạn thực sự thuộc cách điện an toàn ở mức điện lưới (chứ không phải đầu ra cao áp của HVPS), hoan nghênh bạn nêu rõ điều kiện (điện áp làm việc, yêu cầu cách điện, tiêu chuẩn áp dụng, đường kính dây) rồi liên hệ bộ phận kinh doanh để xác định theo tài liệu phê duyệt quy cách.

DAH JIN là nhà sản xuất (không phải công ty thương mại) dây, sản xuất tại nhà máy của chính mình ở Quy Nhân, Đài Nam, Đài Loan; cơ sở sản xuất ghi trong hồ sơ UL chính là nhà máy này, sản xuất tại Đài Loan.