- Rodzaje izolacji galwanicznej
- Izolacja sygnału
- Izolacja poziomu mocy
- Kondensatory jako izolator
- Izolacja galwaniczna - zastosowania
- Praktyczny przykład izolacji galwanicznej
Przeciętna kuchenka mikrofalowa w gospodarstwie domowym pracująca pod napięciem 110/220 V AC może wytworzyć w niej do 2800 V, co jest niebezpiecznie śmiertelne. Poza tym ma również niższy poziom napięcia AC około 3,5 V, aby zapalić żarnik, i regulowane napięcie DC, takie jak 5 V / 3,3 V, dla części cyfrowej elektroniki, takiej jak wyświetlacz lub zegary. Czy zastanawiałeś się kiedyś, co zapobiega przedostawaniu się tak wysokich napięć do palców przez przyciski lub obudowę, gdy dotykasz piekarnika? Odpowiedź na Twoje pytanie brzmi „izolacja”. Projektując produkty elektroniczne z więcej niż jednym typem sygnału lub więcej niż jednym napięciem roboczym, stosuje się izolację, aby jeden sygnał nie zakłócał drugiego. Odgrywa również istotną rolę w bezpieczeństwie, zapobiegając awariom w produktach klasy przemysłowej. Ta izolacja jest ogólnie nazywana izolacją galwaniczną. Dlaczego termin „galwaniczny”? Dzieje się tak, ponieważ galwanika reprezentuje prąd wytwarzany przez pewnego rodzaju działanie chemiczne, a ponieważ izolujemy ten prąd przez zerwanie kontaktu przewodnika, nazywa się to izolacją galwaniczną.
Istnieje kilka rodzajów technik izolacji galwanicznej, a wybór właściwej zależy od typu izolacji, wytrzymałości, wymagań aplikacji i oczywiście, także od czynnika kosztowego. W tym artykule dowiemy się o różnych typach izolacji, jak działają i gdzie ich używać w naszych projektach.
Rodzaje izolacji galwanicznej
- Izolacja sygnału
- Izolacja poziomu mocy
- Kondensatory jako izolator
Izolacja sygnału
Izolacja poziomu sygnału jest wymagana, gdy dwa obwody o różnym charakterze komunikują się ze sobą za pomocą pewnego typu sygnału. Na przykład dwa obwody wykorzystujące niezależne źródło zasilania i działające na różnych poziomach napięcia. W takich przypadkach, aby odizolować indywidualne uziemienie dwóch niezależnych źródeł zasilania i komunikować się między tymi dwoma obwodami, wymagana jest izolacja poziomu sygnału.
Izolacja sygnału odbywa się za pomocą różnego rodzaju izolatorów. Izolatory optyczne i elektromagnetyczne są głównie używane w celu izolacji sygnału. Oba te izolatory chronią różne źródła uziemienia przed połączeniem się. Każdy izolator ma swoją własną unikalną zasadę działania i zastosowanie, które omówiono poniżej.
1. Izolatory optyczne
Izolator optyczny wykorzystuje światła do komunikacji między dwoma niezależnymi obwodami. Zazwyczaj izolatory optyczne, zwane też transoptorami, mają dwa elementy wewnątrz pojedynczego chipa krzemowego, diodę elektroluminescencyjną i fototranzystor. Dioda LED jest sterowana przez jeden obwód, a strona tranzystora jest połączona z drugim obwodem. Dlatego dioda LED i tranzystor nie są połączone elektrycznie. Komunikacja odbywa się tylko za pomocą świateł, optycznie.
Rozważ powyższy obraz. Popularny optoizolator PC817 izoluje dwa niezależne obwody. Obwód 1 to źródło zasilania z przełącznikiem, obwód 2 to wyjście poziomu logicznego połączone z innym zasilaniem 5V. Stan logiczny jest kontrolowany przez obwód lewy. Gdy przełącznik jest zamknięty, dioda LED wewnątrz transoptora zapala się i włącza tranzystor. Stan logiczny zostanie zmieniony z wysokiego na niski.
Obwód 1 i obwód 2 są izolowane za pomocą powyższego obwodu. W powyższym obwodzie bardzo przydatna jest izolacja galwaniczna. Istnieje kilka sytuacji, w których wysoki potencjalny szum uziemienia indukowany w niskiej potencjalnej ziemi i tworzy pętlę uziemienia, która jest dodatkowo odpowiedzialna za niedokładne pomiary. Podobnie jak w przypadku PC817, istnieje wiele typów transoptorów do różnych zastosowań.
2. Izolatory elektromagnetyczne
Optoizolatory są przydatne do izolacji sygnału DC, ale izolatory elektromagnetyczne, takie jak małe transformatory sygnałowe, są przydatne do izolacji sygnału AC. Transformatory, takie jak transformator audio, mają izolowane strony pierwotne i wtórne, które mogą być używane do izolacji różnych sygnałów audio. Innym najczęstszym zastosowaniem jest sprzęt sieciowy lub sekcja Ethernet. Transformatory impulsowe służą do izolowania zewnętrznego okablowania za pomocą wewnętrznego sprzętu. Nawet linie telefoniczne są używane jako izolatory sygnału oparte na transformatorach. Ale ponieważ transformatory są izolowane elektromagnetycznie, działa tylko z prądem przemiennym.
Powyższy obraz to wewnętrzny schemat gniazda RJ45 ze zintegrowanym transformatorem impulsowym do izolowania części MCU z wyjściem.
Izolacja poziomu mocy
Izolacje poziomu mocy są wymagane, aby odizolować urządzenia wrażliwe na małą moc od hałaśliwych linii o dużej mocy lub odwrotnie. Ponadto izolacja poziomu mocy zapewnia odpowiednie bezpieczeństwo przed niebezpiecznymi napięciami sieciowymi poprzez izolowanie linii wysokiego napięcia od operatora i innych części systemu.
1. Transformator
Popularnym izolatorem poziomu mocy jest ponownie transformator. Transformatory mają olbrzymie zastosowania, a najpowszechniejszym zastosowaniem jest dostarczanie niskiego napięcia ze źródła wysokiego napięcia. Transformator nie ma połączeń między pierwotnym a wtórnym, ale może obniżyć napięcie z wysokiego napięcia AC do niskiego napięcia AC bez utraty izolacji galwanicznej.
Powyższy obraz pokazuje transformator obniżający napięcie w akcji, w którym wejście strony pierwotnej jest podłączone do gniazdka ściennego, a wtórne jest podłączone przez obciążenie rezystancyjne. Właściwy transformator izolacja ma proporcji 1: 1 odwraca i nie zmieniają napięcie lub obecnego poziomu po obu stronach. Jedynym celem transformatora izolującego jest zapewnienie izolacji.
2. Przekaźniki
Relay to popularny izolator o ogromnym zastosowaniu w dziedzinie elektroniki i elektrotechniki. Na rynku elektronicznym dostępnych jest wiele różnych typów przekaźników w zależności od zastosowania. Popularne typy to przekaźniki elektromagnetyczne i przekaźniki półprzewodnikowe.
Przekaźnik elektromagnetyczny współpracuje z częściami elektromagnetycznymi i ruchomymi mechanicznie, często nazywanymi biegunami. Zawiera elektromagnes, który porusza biegunem i zamyka obwód. Przekaźnik zapewnia izolację, gdy obwody wysokiego napięcia muszą być sterowane z obwodu niskiego napięcia lub odwrotnie. W takiej sytuacji oba obwody są izolowane, ale jeden obwód mógłby zasilić przekaźnik do sterowania innym.
Na powyższym obrazku dwa obwody są elektrycznie niezależne od siebie. Ale używając przełącznika w Obwodzie-1, użytkownik może kontrolować stan obciążenia w obwodzie 2. Dowiedz się więcej o tym, jak przekaźnik może być używany w Obwodzie.
Pod względem działania nie ma dużej różnicy między przekaźnikiem półprzewodnikowym a przekaźnikiem elektromechanicznym . Przekaźniki półprzewodnikowe działają dokładnie tak samo, ale część elektromechaniczna została zastąpiona optycznie sterowaną diodą. Izolacja galwaniczna może powstać z powodu braku bezpośredniego połączenia między wejściem a wyjściem przekaźników półprzewodnikowych.
3. Czujniki Halla
Nie trzeba dodawać, że pomiary prądu są częścią inżynierii elektrycznej i elektronicznej. Dostępne są różne typy obecnych metod wykrywania. Często pomiary są wymagane dla ścieżek wysokiego napięcia i prądu, a odczytana wartość musi zostać przesłana do obwodu niskiego napięcia, który jest częścią obwodu pomiarowego. Również z punktu widzenia użytkownika pomiar inwazyjny jest niebezpieczny i niemożliwy do wykonania. Czujniki Halla zapewniają precyzyjny bezkontaktowy pomiar prądu i pomagają w nieinwazyjnym pomiarze prądu przepływającego przez przewodnik. Zapewnia odpowiednią izolację i zapewnia bezpieczeństwo przed niebezpieczną energią elektryczną. Czujnik Halla wykorzystuje pole elektromagnetyczne generowane w poprzek przewodnika do oszacowania przepływającego przez niego prądu.
Pierścień rdzenia jest zawieszony na przewodniku w sposób nieinwazyjny i jest izolowany elektrycznie, jak pokazano na powyższym rysunku.
Kondensatory jako izolator
Najmniej popularną metodą izolowania obwodów jest użycie kondensatorów. Ze względu na nieefektywność i niebezpieczne skutki awarii nie jest to już preferowane, ale nadal wiemy, że może się to przydać, gdy chcesz zbudować surowy izolator. Kondensatory blokują prąd stały i umożliwiają przepuszczenie sygnału prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości. Ze względu na tę doskonałą właściwość kondensator jest stosowany jako izolator w projektach, w których prądy stałe dwóch obwodów muszą być blokowane, ale nadal umożliwiają transmisję danych.
Powyższy obraz pokazuje kondensatory używane do celów izolacji. Nadajnik i odbiornik są izolowane, ale można przeprowadzić transmisję danych.
Izolacja galwaniczna - zastosowania
Izolacja galwaniczna jest bardzo ważna, a jej zastosowanie jest ogromne. Jest to ważny parametr w dóbr konsumpcyjnych, a także w sektorze przemysłowym, medycznym i komunikacyjnym. Na rynku elektroniki przemysłowej izolacja galwaniczna jest wymagana dla systemów dystrybucji zasilania, agregatów prądotwórczych, systemów pomiarowych, sterowników silników, układów logicznych wejścia-wyjścia itp.
W sektorze medycznym izolacja jest jednym z głównych priorytetów sprzętu, ponieważ urządzenia medyczne mogą być bezpośrednio połączone z ciałami pacjenta. Takie urządzenia to EKG, Endoskopy, Defibrylatory, różnego rodzaju urządzenia do wyobrażania. Systemy komunikacji na poziomie konsumenckim również wykorzystują izolację galwaniczną. Jednym z typowych przykładów jest Ethernet, routery, przełączniki, przełączniki telefoniczne itp. Zwykłe towary konsumpcyjne, takie jak ładowarki, SMPS, karty logiczne komputerów, są najczęściej używanymi produktami wykorzystującymi izolację galwaniczną.
Praktyczny przykład izolacji galwanicznej
Poniższy obwód jest typowym obwodem aplikacyjnym z galwanicznie izolowanym, pełnodupleksowym układem scalonym MAX14852 (dla prędkości komunikacji 500 kb / s) lub MAX14854 (dla prędkości komunikacji 25 Mb / s) na linii komunikacyjnej RS-485 z jednostką mikrokontrolera. Układ scalony jest produkowany przez popularną firmę Maxim Integrated produkującą półprzewodniki .
Ten przykład jest jednym z najlepszych przykładów izolacji galwanicznej na urządzeniach przemysłowych. RS-485 jest szeroko stosowanym tradycyjnym protokołem komunikacyjnym używanym w urządzeniach przemysłowych. Popularnym zastosowaniem RS-485 jest wykorzystanie protokołu MODBUS w segmencie TTL.
Załóżmy, że transformator prądu przemiennego wysokiego napięcia dostarcza dane z czujników, które są zainstalowane wewnątrz transformatora za pośrednictwem protokołu RS-485. Aby zebrać dane z transformatora, należy podłączyć sterownik PLC z portem RS-485. Ale problem tkwi w bezpośredniej linii komunikacyjnej. PLC wykorzystuje bardzo niski poziom napięcia i jest bardzo wrażliwy na wysokie ESD lub przepięcia. W przypadku zastosowania bezpośredniego połączenia sterownik PLC może być narażony na wysokie ryzyko i wymaga izolacji galwanicznej.
Te układy scalone są bardzo przydatne do ochrony PLC przed wyładowaniami elektrostatycznymi lub przepięciami.
Zgodnie z arkuszem danych, oba układy scalone mają wytrzymałość na napięcie +/- 35 kV ESD i 2,75 kVrms wytrzymują napięcie izolacji do 60 sekund. Nie tylko to, ale te układy scalone również potwierdzają napięcie robocze 445 Vrms, co czyni go odpowiednim izolatorem do stosowania w urządzeniach automatyki przemysłowej.