- Typy galvanickej izolácie
- Izolácia signálu
- Izolácia úrovne výkonu
- Kondenzátory ako izolátor
- Galvanické oddelenie - Aplikácie
- Praktický príklad galvanickej izolácie
Priemerná mikrovlnná rúra pre domácnosť pracujúca na striedavý prúd 110/220 V môže v jej vnútri produkovať až 2 800 V, čo je nebezpečne smrteľné. Okrem toho má tiež nižšie úrovne striedavého napätia okolo 3,5 V na rozsvietenie vlákna a regulované jednosmerné napätie ako 5 V / 3,3 V pre časť digitálnej elektroniky, ako je displej alebo časovače. Zamysleli ste sa niekedy nad tým, čo bráni tomu, aby vám tieto vysoké napätia pri dotyku s rúrou siahali po prstoch cez tlačidlá alebo puzdro? Odpoveďou na vašu otázku je „izolácia“. Pri navrhovaní elektronických výrobkov obsahujúcich viac ako jeden typ signálu alebo viac ako jedno prevádzkové napätie sa používa izolácia, aby sa zabránilo rušeniu jedného signálu druhým. Zohráva tiež zásadnú úlohu v bezpečnosti tým, že zabraňuje poruchovým stavom výrobkov priemyselnej kvality. Táto izolácia sa všeobecne nazýva galvanická izolácia. Prečo pojem „galvanický“? Je to preto, že galvanický predstavuje prúd produkovaný akýmsi chemickým pôsobením, a keďže tento prúd izolujeme prerušením kontaktu vodiča, nazýva sa to galvanická izolácia.
Existuje niekoľko typov techník galvanického izolovania a výber toho správneho závisí od typu izolácie, odolnosti voči kapacite, požiadavkám na aplikáciu a samozrejme je zahrnutý aj nákladový faktor. V tomto článku sa dozvieme o rôznych druhoch izolácie, o tom, ako fungujú a kde ich použiť v našich dizajnoch.
Typy galvanickej izolácie
- Izolácia signálu
- Izolácia úrovne výkonu
- Kondenzátory ako izolátor
Izolácia signálu
Izolácia úrovne signálu sa vyžaduje tam, kde dva okruhy rôzneho charakteru navzájom komunikujú pomocou určitého typu signálu. Napríklad dva obvody, ktoré používajú nezávislý zdroj energie a pracujú s rôznymi úrovňami napätia. V takýchto prípadoch je na izoláciu individuálneho uzemnenia dvoch nezávislých zdrojov energie a na komunikáciu medzi týmito dvoma obvodmi potrebná izolácia úrovne signálu.
Izolácia signálu sa vykonáva pomocou rôznych typov izolátorov. Na izoláciu signálu sa hlavne používajú optické a elektromagnetické izolátory . Oba tieto izolátory chránia rôzne pozemné zdroje pred kombináciou. Každý izolátor má svoj vlastný jedinečný prevádzkový princíp a aplikáciu, o ktorej sa hovorí nižšie.
1. Optické izolátory
Optický izolátor používa na komunikáciu medzi dvoma nezávislými obvodmi svetlá. Optické izolátory alias Optocoupler majú zvyčajne dva komponenty vo vnútri jedného kremíkového čipu, diódu vyžarujúcu svetlo a fototranzistor. LED je riadená jedným obvodom a strana tranzistora je spojená s druhým obvodom. LED a tranzistor preto nie sú elektricky spojené. Komunikácia sa vykonáva iba svetlami, a to opticky.
Zvážte vyššie uvedený obrázok. Populárny optoizolátor PC817 izoluje dva nezávislé obvody. Obvod 1 je napájací zdroj so spínačom, obvod 2 je výstup logickej úrovne spojený s iným napájaním 5 V. Logický stav je riadený ľavým obvodom. Keď je spínač v zapnutom stave, LED vo vnútri optočlenu sa rozsvieti a zapne tranzistor. Logický stav sa zmení z vysokého na nízky.
Obvod 1 a obvod 2 sú izolované pomocou vyššie uvedeného obvodu. Pre vyššie uvedený obvod je veľmi užitočná galvanická izolácia. Existuje niekoľko situácií, keď vysoký zemný hluk indukovaný v zemi s nízkym potenciálom vytvára zemnú slučku, ktorá ďalej zodpovedá za nepresné merania. Podobne ako v prípade PC817 existuje veľa typov optočlenov pre rôzne aplikačné požiadavky.
2. Elektromagnetické izolátory
Optoizolátory sú užitočné na izoláciu jednosmerného signálu, ale elektromagnetické izolátory, ako sú malé signálne transformátory, sú užitočné na izoláciu striedavého signálu. Transformátory ako zvukový transformátor majú svoju primárnu a sekundárnu stranu izolovanú, ktorú je možné použiť na izoláciu rôznych zvukových signálov. Ďalšie najbežnejšie použitie je v sieťovom hardvéri alebo v sekcii Ethernet. Pulzné transformátory sa používajú na izoláciu externého vedenia s vnútorným hardvérom. Aj telefónne linky sa používajú transformátorové signálne izolátory. Pretože sú transformátory izolované elektromagneticky, pracuje iba so striedavým prúdom.
Obrázok hore je vnútorná schéma konektora RJ45 s integrovaným impulzným transformátorom na izoláciu časti MCU od výstupu.
Izolácia úrovne výkonu
Na izoláciu zariadení citlivých na nízky výkon od rušných vedení s vysokým výkonom alebo naopak sú potrebné izolácie úrovne výkonu . Izolácia úrovne výkonu tiež poskytuje primeranú bezpečnosť pred nebezpečnými napätiami vedenia izolovaním vedení vysokého napätia od operátora a ostatných častí systému.
1. Transformátor
Populárnym izolátorom úrovne výkonu je opäť transformátor. Existujú obrovské aplikácie pre transformátory, ktoré sa najčastejšie používajú na zabezpečenie nízkeho napätia zo zdroja vysokého napätia. Transformátor nemá spojenie medzi primárnym a sekundárnym prúdom, ale mohol by znížiť napätie z vysokého napätia na nízke napätie bez straty galvanickej izolácie.
Vyššie uvedený obrázok zobrazuje redukčný transformátor v akcii, keď je vstup primárnej strany pripojený do zásuvky v stene a sekundárny je pripojený cez odporovú záťaž. Riadne oddeľovací transformátor má pomer 1: 1 odbočky a nemajú vplyv na napätia alebo prúdu úrovne na oboch stranách. Jediným účelom izolačného transformátora je poskytnúť izoláciu.
2. Relé
Relé je populárny izolátor s obrovským uplatnením v oblasti elektroniky a elektriky. Na trhu s elektronikou existuje veľa rôznych typov relé v závislosti od aplikácie. Populárne typy sú elektromagnetické relé a polovodičové relé.
Elektromagnetické relé pracuje s elektromagnetickými a mechanicky pohyblivými časťami, ktoré sa často označujú ako póly. Obsahuje elektromagnet, ktorý posúva pól a dotvára obvod. Relé vytvára izoláciu, keď je potrebné riadiť obvody vysokého napätia z obvodu nízkeho napätia alebo naopak. V takejto situácii sú oba obvody izolované, ale jeden obvod by mohol napájať relé na riadenie iného.
Na vyššie uvedenom obrázku sú dva obvody navzájom elektricky nezávislé. Ale pomocou spínača na okruhu 1 môže užívateľ ovládať stav záťaže obvodu 2. Získajte viac informácií o tom, ako možno v obvode použiť relé.
Z hľadiska fungovania nie je veľký rozdiel medzi polovodičovým relé a elektromechanickým relé . Polovodičové relé pracujú úplne rovnako, ale elektromechanická časť je nahradená opticky riadenou diódou. Galvanické oddelenie je možné vytvoriť z dôvodu absencie priameho spojenia medzi vstupom a výstupom polovodičových relé.
3. Senzory Hall efektu
Netreba dodávať, že meranie prúdu je súčasťou elektrotechnického a elektronického inžinierstva. K dispozícii sú rôzne typy súčasných metód snímania. Merania sú často potrebné pre cesty vysokého napätia a vysokého prúdu a načítaná hodnota sa musí odosielať do nízkonapäťových obvodov, ktoré sú súčasťou meracieho obvodu. Aj z pohľadu používateľa je invazívne meranie nebezpečné a je nemožné ho implementovať. Senzory Hall Effect poskytujú presné bezkontaktné meranie prúdu a pomáhajú neinvazívnym spôsobom merať prúd pretekajúci vodičom. Poskytuje správnu izoláciu a zaisťuje bezpečnosť pred nebezpečnou elektrinou. Senzor Hall Effect využíva elektromagnetické pole generované cez vodič na odhad prúdu, ktorý ním preteká.
Krúžok jadra je zahnutý cez vodič neinvazívnym spôsobom a je elektricky izolovaný, ako je to znázornené na obrázku vyššie.
Kondenzátory ako izolátor
Najmenej populárnou metódou na izoláciu obvodov je použitie kondenzátorov. Kvôli neefektívnosti a nebezpečným výsledkom zlyhania to už nie je uprednostňované, stále však viete, že by sa vám to mohlo hodiť, keď chcete zostaviť surový izolátor. Kondenzátory blokujú jednosmerný prúd a umožňujú prechod vysokofrekvenčného striedavého signálu. Kvôli tejto vynikajúcej vlastnosti sa kondenzátor používa ako izolátory v prevedeniach, v ktorých je potrebné blokovať jednosmerné prúdy dvoch obvodov, ale stále umožniť prenos údajov.
Vyššie uvedený obrázok ukazuje, že kondenzátory sa používajú na účely izolácie. Vysielač aj prijímač sú izolované, dá sa však vykonať dátová komunikácia.
Galvanické oddelenie - Aplikácie
Galvanická izolácia je veľmi dôležitá a jej použitie je obrovské. Je to dôležitý parameter v spotrebnom tovare, ako aj v priemyselnom, lekárskom a komunikačnom sektore. Na trhu s priemyselnou elektronikou je galvanické oddelenie požadované pre systémy distribúcie energie, generátory energie, meracie systémy, regulátory motorov, logicko-vstupné zariadenia atď.
V lekárskom sektore je izolácia jednou z hlavných priorít prístroja, pretože zdravotnícke prístroje môžu byť priamo spojené s pacientovými telami. Takéto zariadenia sú EKG, endoskopy, defibrilátory, rôzne druhy zobrazovacích zariadení. Komunikačné systémy na úrovni spotrebiteľa tiež používajú galvanické oddelenie. Jedným z bežných príkladov je Ethernet, smerovače, prepínače, telefónne prepínače atď. Bežný spotrebný tovar, ako sú nabíjačky, SMPS, logické dosky počítačov, sú najbežnejšími produktmi, ktoré používajú galvanické oddelenie.
Praktický príklad galvanickej izolácie
Nižšie uvedený obvod je typickým aplikačným obvodom galvanicky izolovaného Full-duplexného IC MAX14852 (pre rýchlosť komunikácie 500 kbps) alebo MAX14854 (pre rýchlosť komunikácie 25 Mbps) na komunikačnej linke RS-485 s jednotkou mikrokontroléra. Integrovaný obvod vyrába populárna spoločnosť na výrobu polovodičov Maxim Integrated.
Tento príklad je jedným z najlepších príkladov príkladu galvanického oddelenia priemyselných zariadení. RS-485 je široko používaný tradičný komunikačný protokol používaný v priemyselných zariadeniach. Populárnym používaním RS-485 je použitie protokolu MODBUS v segmente TTL.
Predpokladajme, že vysokonapäťový striedavý transformátor poskytuje údaje senzorov, ktoré sú nainštalované vo vnútri transformátora, prostredníctvom protokolu RS-485. Aby bolo možné zozbierať údaje z transformátora, je potrebné pripojiť zariadenie PLC k portu RS-485. Ale problém je v priamej komunikačnej linke. PLC používa veľmi nízke napätie a je veľmi citlivé na vysoké ESD alebo prepätie. Ak je použité priame pripojenie, môže byť PLC vystavené vysokému riziku a musí byť galvanicky izolované.
Tieto integrované obvody sú veľmi užitočné na ochranu PLC pred ESD alebo prepätím.
Podľa údajového listu majú obidva integrované obvody výdržnú kapacitu +/- 35 kV ESD a 2,75 kVrms výdržné izolačné napätie až 60 sekúnd. Nielen to, ale tieto integrované obvody tiež potvrdzujú pracovné izolačné napätie 445 Vrms, čo z neho robí vhodný izolátor na použitie v zariadeniach priemyselnej automatizácie.