Galvaninė izoliacija - signalo ir galios izoliacija

Vidutinė buitinė mikrobangų krosnelė, veikianti esant 110 / 220V kintamajai srovei, jos viduje gali sukelti iki 2800 V įtampą, o tai yra pavojinga mirtina. Be to, jis taip pat turi žemesnio lygio kintamą įtampą apie 3,5 V, kad apšviestų kaitrą, ir reguliuojamą nuolatinę įtampą, pvz., 5 V / 3,3 V, kad veiktų skaitmeninės elektronikos dalis, pvz., Ekranas ar laikmačiai. Ar kada pagalvojote, kas trukdo šioms aukštoms įtampoms pasiekti pirštus per mygtukus ar korpusą, kai paliečiate orkaitę? Atsakymas į jūsų klausimą yra „izoliacija“. Kuriant elektronikos gaminius, kuriuose yra daugiau nei vieno tipo signalai arba daugiau nei viena darbinė įtampa, naudojama izoliacija, kad vienas signalas nesugadintų kito. Jis taip pat vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį saugos srityje, užkertant kelią pramoninių produktų gedimų sąlygoms. Ši izoliacija paprastai vadinama Galvanine izoliacija. Kodėl terminas „Galvanic“? Taip yra dėl to, kad galvanika atspindi srovę, kurią sukelia kažkoks cheminis poveikis, ir kadangi mes izoliuojame šią srovę, nutraukdami laidininko kontaktą, tai vadinama galvanine izoliacija.

Yra keli galvaninės izoliacijos būdų tipai, o tinkamo pasirinkimas priklauso nuo izoliacijos tipo, pajėgumo išlaikymo, taikymo reikalavimų ir akivaizdu, kad taip pat yra susijęs su sąnaudų faktoriumi. Šiame straipsnyje mes sužinosime apie įvairius izoliacijos tipus, kaip jie veikia ir kur juos naudoti mūsų projektuose.

Galvaninės izoliacijos tipai

• Signalo izoliacija
• Galios lygio išskyrimas
• Kondensatoriai kaip izoliatorius

Signalo izoliacija

Signalo lygio izoliacija reikalinga, kai dvi skirtingo pobūdžio grandinės bendrauja tarpusavyje naudodamos tam tikro tipo signalą. Pavyzdžiui, dvi grandinės, naudojančios nepriklausomą energijos šaltinį ir veikiančios skirtingais įtampos lygiais. Tokiais atvejais, norint izoliuoti atskirą dviejų nepriklausomų maitinimo šaltinių įžeminimą ir bendrauti tarp tų dviejų grandinių, reikia izoliuoti signalo lygį.

Signalo izoliavimas atliekamas naudojant skirtingo tipo izoliatorius. Optiniai ir elektromagnetiniai izoliatoriai dažniausiai naudojami izoliuojant signalus. Abu šie izoliatoriai apsaugo skirtingus žemės šaltinius nuo sujungimo. Kiekvienas izoliatorius turi savo unikalų veikimo principą ir taikymą, kurie aptariami toliau.

1. Optiniai izoliatoriai

Optinis izoliatorius naudoja šviesas, kad galėtų bendrauti tarp dviejų nepriklausomų grandinių. Paprastai optiniai izoliatoriai, dar žinomi kaip „Optocoupler“, turi du komponentus vienoje silicio mikroschemoje, šviesos diodą ir fototransistorių. Šviesos diodą valdo viena grandinė, o tranzistoriaus pusė sujungta su kita grandine. Todėl šviesos diodas ir tranzistorius nėra elektriškai sujungti. Bendraujama tik šviesomis, optiškai.

Apsvarstykite aukščiau pateiktą vaizdą. Populiarus optoizoliatorius PC817 izoliuoja dvi nepriklausomas grandines. 1 grandinė yra maitinimo šaltinis su jungikliu, 2 grandinė yra loginio lygio išėjimas, prijungtas prie kito 5 V maitinimo šaltinio. Loginę būseną kontroliuoja kairioji grandinė. Kai jungiklis uždaromas, optrono viduje užsidega šviesos diodas ir įjungia tranzistorių. Loginė būsena bus pakeista iš „High“ į „Low“.

1 ir 2 grandinės yra izoliuotos naudojant pirmiau pateiktą grandinę. Galvaninė izoliacija yra labai naudinga minėtai grandinei. Yra keletas situacijų, kai didelis potencialus žemės triukšmas sukelia mažo potencialo gruntą ir sukuria žemės kilpą, kuri dar labiau lemia netikslius matavimus. Panašiai kaip „PC817“, yra daugybė „Optocoupler“ tipų, skirtų skirtingiems taikymo reikalavimams.

2. Elektromagnetiniai izoliatoriai

Optoizoliatoriai yra naudingi nuolatinės srovės signalui izoliuoti, tačiau elektromagnetiniai izoliatoriai, tokie kaip maži signalo transformatoriai, yra naudingi kintamosios srovės signalui izoliuoti. Transformatorių, pavyzdžiui, garso transformatoriaus, pagrindinė ir antrinė pusės yra izoliuotos, kurias galima naudoti skirtingam garso signalo izoliavimui. Kitas dažniausiai naudojamas tinklo aparatūros arba Ethernet skyriuje. Impulsiniai transformatoriai naudojami išorinei instaliacijai izoliuoti su vidine aparatūra. Transformatoriais naudojami signalo izoliatoriai naudojami net telefono linijose. Kadangi transformatoriai yra izoliuoti elektromagnetiniu būdu, jis veikia tik su kintamąja srove.

Virš paveikslėlio yra vidinė RJ45 lizdo su integruotu impulsiniu transformatoriumi schema, skirta izoliuoti MCU dalį su išėjimu.

Galios lygio išskyrimas

Norint izoliuoti mažos galios jautrius įrenginius nuo didelės galios triukšmingų linijų arba atvirkščiai, reikia išskirti galios lygį. Be to, maitinimo lygio izoliacija užtikrina tinkamą saugumą nuo pavojingos linijos įtampos, izoliuojant aukštos įtampos linijas nuo operatoriaus ir kitų sistemos dalių.

1. Transformatorius

Populiarus galios lygio izoliatorius vėl yra transformatorius. Transformatoriuose yra daugybė programų, dažniausiai naudojamos žemos įtampos tiekimui iš aukštos įtampos šaltinio. Transformatorius neturi jungčių tarp pirminio ir antrinio, tačiau gali sumažinti įtampą nuo aukštos įtampos kintamosios iki žemos įtampos kintamosios srovės neprarandant galvaninės izoliacijos.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje rodomas veikiantis transformatorius, kai pagrindinis šoninis įėjimas yra prijungtas prie sieninio lizdo, o antrinis - per varžinę apkrovą. Tinkamai izoliacija transformatorius turi 1: 1 vijų santykis ir nekeičia įtampą arba esamą lygis abiejose pusėse. Vienintelis izoliacijos transformatoriaus tikslas yra užtikrinti izoliaciją.

2. Relės

„Relay“ yra populiarus izoliatorius, turintis didžiulį pritaikymą elektronikos ir elektros srityje. Elektronikos rinkoje yra daug įvairių rūšių relių, priklausomai nuo programos. Populiariausi tipai yra elektromagnetinės relės ir kietojo kūno relės.

Elektromagnetinė relė veikia su elektromagnetinėmis ir mechaniškai judančiomis dalimis, dažnai vadinamomis poliais. Jame yra elektromagnetas, kuris perkelia polių ir užbaigia grandinę. Relė sukuria izoliaciją, kai aukštos įtampos grandines reikia valdyti iš žemos įtampos grandinių arba atvirkščiai. Tokioje situacijoje abi grandinės yra izoliuotos, tačiau viena grandinė gali įjungti relę, kad valdytų kitą.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje dvi grandinės yra elektriškai nepriklausomos viena nuo kitos. Bet naudodamasis grandinės 1 jungikliu, vartotojas gali valdyti 2 grandinės apkrovos būseną. Sužinokite daugiau apie tai, kaip relę galima naudoti grandinėje.

Darbo atžvilgiu nėra daug skirtumų tarp kietojo kūno relės ir elektromechaninės relės . Kietojo kūno relės veikia lygiai taip pat, tačiau elektromechaninė dalis pakeičiama optiškai valdomu diodu. Galvaninę izoliaciją galima sukurti dėl to, kad nėra tiesioginio ryšio tarp kietojo kūno relių įėjimo ir išėjimo.

3. Salės efekto jutikliai

Nereikia nė sakyti, kad srovės matavimas yra elektros ir elektronikos inžinerijos dalis. Yra įvairių tipų esamų jutimo metodų. Dažnai reikia matuoti aukštos įtampos ir didelės srovės kelius, o nuskaitytą vertę reikia siųsti į žemos įtampos grandinę, kuri yra matavimo grandinės dalis. Vartotojo požiūriu invazinis matavimas yra pavojingas ir jo neįmanoma įgyvendinti. „Hall Effect“ jutikliai tiksliai matuoja bekontaktę srovę ir padeda neinvaziniu būdu išmatuoti srovę, tekančią per laidininką. Tai užtikrina tinkamą izoliaciją ir saugumą nuo pavojingos elektros. „Hall Effect“ jutiklis naudoja visame laidininke susidariusį elektromagnetinį lauką, kad įvertintų juo tekančią srovę.

Šerdies žiedas yra neinvaziniu būdu pritvirtintas prie laidininko ir yra elektra izoliuotas, kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje.

Kondensatoriai kaip izoliatorius

Mažiausiai populiarus grandinių izoliavimo būdas yra kondensatorių naudojimas. Dėl neefektyvumo ir pavojingų gedimų rezultatų tai nebėra pirmenybė, tačiau vis tiek žinant, kad tai gali būti naudinga, kai norite pastatyti neapdorotą izoliatorių. Kondensatoriai blokuoja nuolatinę srovę ir leidžia perduoti aukšto dažnio kintamosios srovės signalą. Dėl šios puikios savybės kondensatorius naudojamas kaip izoliatorius projektuojant, kai reikia užblokuoti dviejų grandinių nuolatinės srovės, tačiau vis tiek leidžiama perduoti duomenis.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kad kondensatoriai naudojami izoliacijai. Tiek siųstuvas, tiek imtuvas yra izoliuoti, tačiau duomenis galima perduoti.

Galvaninė izoliacija. Programos

Galvaninė izoliacija yra labai svarbi, o jos pritaikymas yra didžiulis. Tai svarbus vartojimo prekių, taip pat pramonės, medicinos ir ryšių sektoriaus parametras. Be pramonės elektronikos rinkoje, galvaninis atskyrimas yra būtinas energijos skirstymo sistemas, elektros generatoriai, matavimo sistemų, variklių valdikliai, įvesties-išvesties loginiai įtaisai ir tt

Į medicinos sektoriuje, izoliacija yra vienas iš pagrindinių prioritetų įranga, medicinos prietaisai gali būti tiesiogiai susijęs su paciento organų. Tokie prietaisai yra EKG, endoskopai, defibriliatoriai, įvairūs vaizdavimo prietaisai. Vartotojo lygio ryšio sistemose taip pat naudojama galvaninė izoliacija. Vienas iš dažniausių pavyzdžių yra „Ethernet“, maršrutizatoriai, komutatoriai, telefono komutatoriai ir kt. Įprastos vartojimo prekės, tokios kaip įkrovikliai, SMPS, kompiuterio loginės plokštės, yra dažniausiai naudojami gaminiai, kuriuose naudojama galvaninė izoliacija.

Galvaninės izoliacijos praktinis pavyzdys

Žemiau esanti grandinė yra tipinė galvaniškai izoliuoto „Full-Duplex IC“ MAX14852 (500 kbps ryšio greičiui) arba MAX14854 (25 Mbps ryšio greičiui) taikymo grandinė RS-485 ryšio linijoje su mikrovaldiklio bloku. IC gamina populiari puslaidininkių gamybos įmonė „ Maxim Integrated“.

Šis pavyzdys yra vienas iš geriausių pramoninės įrangos galvaninės izoliacijos pavyzdžių. RS-485 yra plačiai naudojamas tradicinis ryšio protokolas, naudojamas pramoninėje įrangoje. Populiarus RS-485 naudojimas yra MODBUS protokolo naudojimas TTL segmente.

Tarkime, kad aukštos įtampos kintamosios srovės transformatorius teikia jutiklių duomenis, kurie yra įmontuoti transformatoriaus viduje per RS-485 protokolą. Norint surinkti duomenis iš transformatoriaus, reikia prijungti PLC įrenginį su RS-485 prievadu. Tačiau problema yra tiesioginio ryšio linijoje. PLC naudoja labai žemą įtampos lygį ir yra labai jautrus esant dideliam ESD ar viršįtampiui. Jei naudojamas tiesioginis ryšys, PLC gali kilti didelė rizika ir jį reikia izoliuoti galvaniškai.

Šie IC yra labai naudingi, kad apsaugotų PLC nuo ESD ar viršįtampių.

Kaip nurodyta duomenų lape, abiejų IC atsparumas yra +/- 35kV ESD, o 2,75kVrms - izoliacijos įtampa iki 60 sekundžių. Maža to, šie IC taip pat patvirtina 445 Vrms darbinę izoliacinę įtampą, todėl tai yra tinkamas izoliatorius naudoti pramoninėje automatikos įrangoje.