- Vrste galvanske izolacije
- Izolacija signala
- Izolacija nivoja moči
- Kondenzatorji kot izolator
- Galvanska izolacija - aplikacije
- Praktični primer galvanske izolacije
Povprečna gospodinjska mikrovalovna pečica, ki deluje na 110 / 220V AC, lahko v njej proizvede do 2800V, kar je nevarno smrtno. Poleg tega ima tudi nižjo izmenično napetost okoli 3,5 V, da prižge žarilno nitko, in regulirano enosmerno napetost, kot je 5 V / 3,3 V, za delovanje digitalnega elektronskega dela, kot so zaslon ali časovniki. Ste se kdaj vprašali, kaj preprečuje, da bi te visoke napetosti pritegnile prste skozi gumbe ali ohišje, ko se dotaknete pečice? Odgovor na vaše vprašanje je "izolacija". Pri načrtovanju elektronskih izdelkov, ki vključujejo več kot en tip signala ali več kot eno obratovalno napetost, se izolacija uporablja za preprečevanje, da bi en signal pokvaril drugega. Prav tako igra ključno vlogo pri varnosti s preprečevanjem napak v izdelkih industrijske kakovosti. Ta izolacija se na splošno imenuje galvanska izolacija. Zakaj izraz "galvanski"? To je zato, ker galvanski predstavlja tok, ki nastane z nekakšnim kemičnim delovanjem, in ker ta tok ločujemo z razbijanjem kontakta vodnika, se imenuje galvanska izolacija.
Obstaja več vrst tehnik galvanske izolacije in izbira prave je odvisna od vrste izolacije, vzdržljivosti zmogljivosti, zahtev glede uporabe in očitno gre tudi za stroškovni dejavnik. V tem članku bomo spoznali različne vrste izolacij, kako delujejo in kje jih uporabiti v naših modelih.
Vrste galvanske izolacije
- Izolacija signala
- Izolacija nivoja moči
- Kondenzatorji kot izolator
Izolacija signala
Izolacija ravni signala je potrebna, kadar dve vezji različne narave komunicirata med seboj s pomočjo neke vrste signala. Na primer dva vezja, ki uporabljata neodvisen vir energije in delujeta z različnimi napetostnimi nivoji. V takih primerih je za izolacijo posameznih tal dveh neodvisnih virov energije in za komunikacijo med tema dvema vezjema potrebna izolacija nivoja signala.
Izolacija signala se izvede z uporabo različnih vrst izolatorjev. Optični in elektromagnetni izolatorji se v glavnem uporabljajo za izolacijo signala. Oba izolatorja ščitita različne talne vire pred združevanjem. Vsak izolator ima svoj edinstven princip delovanja in uporabo, ki so opisani v nadaljevanju.
1. Optični izolatorji
Optični izolator uporablja luči za komunikacijo med dvema neodvisnima vezjema. Običajno imajo optični izolatorji, imenovani Optocoupler, dve sestavni deli znotraj enega silicijevega čipa, diode, ki oddaja svetlobo, in fototranzistorja. LED krmili eno vezje, tranzistorska stran pa je povezana z drugim vezjem. Zato LED in tranzistor nista električno povezana. Komunikacija poteka samo z lučmi, optično.
Upoštevajte zgornjo sliko. Priljubljeni optoizolator PC817 izolira dva neodvisna vezja. Vezje 1 je vir energije s stikalom, vezje 2 je izhod logičnega nivoja, povezan z drugačnim napajanjem 5V. Logično stanje nadzoruje levo vezje. Ko je stikalo zaprto, LED v optičnem sklopniku zasveti in vklopi tranzistor. Logično stanje se bo spremenilo iz visoko v nizko.
Vezje 1 in vezje 2 sta izolirana z uporabo zgornjega vezja. Galvanska izolacija je zelo koristna za zgornje vezje. Obstaja več situacij, ko visok potencialni tleh v tleh povzroči nizkopotencialna tla in ustvari ozemljitveno zanko, ki je dodatno odgovorna za netočne meritve. Podobno kot PC817 obstaja veliko vrst optičnih sklopnikov za različne zahteve glede uporabe.
2. Elektromagnetni izolatorji
Optoizolatorji so uporabni za izolacijo enosmernega signala, elektromagnetni izolatorji, kot so majhni signalni transformatorji, pa za izolacijo izmeničnega signala. Transformatorji, kot je avdio transformator, imajo izolirano primarno in sekundarno stran, ki ju lahko uporabimo za različno izolacijo zvočnega signala. Druga najpogostejša uporaba je omrežna strojna oprema ali odsek Ethernet. Impulzni transformatorji se uporabljajo za izolacijo zunanje napeljave z notranjo strojno opremo. Tudi telefonske linije uporabljajo transformatorske izolatorje signalov. Ker pa so transformatorji izolirani z elektromagnetno, deluje le z izmeničnim tokom.
Zgornja slika je notranja shema priključka RJ45 z integriranim impulznim transformatorjem za izolacijo dela MCU z izhodom.
Izolacija nivoja moči
Izolacije nivoja moči so potrebne za izolacijo naprav, občutljivih za nizko porabo energije, od močnih hrupnih vodov ali obratno. Poleg tega izolacija nivoja moči zagotavlja ustrezno varnost pred nevarnimi napetostmi v omrežju z izolacijo visokonapetostnih vodov od operaterja in drugih delov sistema.
1. transformator
Priljubljeni izolator ravni moči je spet transformator. Obstaja ogromno aplikacij za transformatorje, najpogosteje pa je zagotavljanje nizke napetosti iz visokonapetostnega vira. Transformator nima povezav med primarnim in sekundarnim, lahko pa zniža napetost z visokonapetostnega na nizkonapetostni izmenični tok, ne da bi pri tem izgubil galvansko izolacijo.
Zgornja slika prikazuje delujoči transformator, pri katerem je primarni stranski vhod priključen v stensko vtičnico, sekundarni pa preko uporovne obremenitve. Ustrezna izolacija transformator ima razmerje 1: 1 obrne in se ne spreminja napetost ali trenutni nivo na obeh straneh. Edini namen izolacijskega transformatorja je zagotoviti izolacijo.
2. Releji
Rele je priljubljen izolator z veliko aplikacijo na področju elektronike in elektrike. Na trgu elektronike je na voljo veliko različnih vrst relejev, odvisno od uporabe. Priljubljeni tipi so elektromagnetni releji in polprevodniški releji.
Elektromagnetni rele deluje z elektromagnetnimi in mehansko premičnimi deli, ki jih pogosto imenujemo palice. Vsebuje elektromagnet, ki premika pol in zaključi vezje. Rele ustvarja izolacijo, kadar je treba visokonapetostne tokokroge krmiliti iz nizkonapetostnega vezja ali obratno. V takem primeru sta oba vezja izolirana, vendar lahko eno vezje napaja rele za krmiljenje drugega.
Na zgornji sliki sta dve vezji električno neodvisni drug od drugega. Toda s pomočjo stikala na vezju-1 lahko uporabnik nadzoruje stanje obremenitve na vezju 2. Preberite več o tem, kako lahko rele uporabljate v vezju.
Med delovanjem polprevodniškega releja in elektromehanskega releja ni velike razlike . Polprevodniški releji delujejo popolnoma enako, vendar je elektro-mehanski del nadomeščen z optično nadzorovano diodo. Galvansko izolacijo je mogoče zgraditi zaradi odsotnosti neposredne povezave med vhodom in izhodom polprevodniških relejev.
3. Senzorji Hallovega učinka
Ni treba posebej poudarjati, da je merjenje toka del elektrotehnike in elektronike. Na voljo so različne vrste trenutnih metod zaznavanja. Meritve so pogosto potrebne za visokonapetostne in visokotokovne poti, odčitana vrednost pa mora biti poslana v nizkonapetostno vezje, ki je del merilnega vezja. Tudi z vidika uporabnika je invazivno merjenje nevarno in ga je nemogoče izvesti. Senzorji Hall Effect zagotavljajo brezkontaktno merjenje toka in pomagajo pri neinvazivnem merjenju toka, ki teče skozi vodnik. Zagotavlja ustrezno izolacijo in zagotavlja varnost pred nevarno elektriko. Hall Effect senzor uporablja elektromagnetno polje, ustvarjeno čez vodnik, da oceni tok, ki teče skozi njega.
Jedrni obroč je neinvazivno pritrjen na vodnik in je električno izoliran, kot je prikazano na zgornji sliki.
Kondenzatorji kot izolator
Najmanj priljubljena metoda za izolacijo vezij je uporaba kondenzatorjev. Zaradi neučinkovitosti in nevarnih izidov to ni več zaželeno, vendar še vedno vemo, da bi lahko prišlo prav, ko želite zgraditi surovi izolator. Kondenzatorji blokirajo enosmerni tok in omogočajo prenos visokofrekvenčnega izmeničnega signala. Zaradi te odlične lastnosti se kondenzator uporablja kot izolator v izvedbah, kjer je treba enosmerne tokove dveh vezij blokirati, vendar še vedno omogoča prenos podatkov.
Zgornja slika prikazuje kondenzatorje, ki se uporabljajo za izolacijo. Oddajnik in sprejemnik sta ločena, vendar je podatkovno komunikacijo mogoče izvesti.
Galvanska izolacija - aplikacije
Galvanska izolacija je zelo pomembna in uporaba je ogromna. Je pomemben parameter v potrošniškem blagu, pa tudi v industrijskem, medicinskem in komunikacijskem sektorju. Na trgu industrijske elektronike je potrebna galvanska izolacija za sisteme za distribucijo električne energije, generatorje energije, merilne sisteme, krmilnike motorjev, logično-vhodne naprave itd.
V medicinskem sektorju je izolacija ena glavnih prednostnih nalog opreme, saj so medicinski pripomočki lahko neposredno povezani s pacientovim telesom. Takšne naprave so EKG, endoskopi, defibrilatorji, različne vrste domišljijskih naprav. Potrošniški komunikacijski sistemi uporabljajo tudi galvansko izolacijo. Eden najpogostejših primerov je Ethernet, usmerjevalniki, stikala, telefonska stikala itd. Običajni izdelki široke potrošnje, kot so polnilci, SMPS, računalniške logične plošče, so najpogostejši izdelki, ki uporabljajo galvansko izolacijo.
Praktični primer galvanske izolacije
Spodnje vezje je tipično aplikacijsko vezje galvansko izoliranega polnega dupleksa IC MAX14852 (za hitrost komunikacije 500 kbps) ali MAX14854 (za hitrost komunikacije 25 Mbps) na komunikacijski liniji RS-485 z mikrokrmilnikom. IC proizvaja priljubljeno podjetje za proizvodnjo polprevodnikov Maxim Integrated.
Ta primer je eden najboljših primerov primera galvanske izolacije na industrijski opremi. RS-485 je široko uporabljen tradicionalni komunikacijski protokol, ki se uporablja v industrijski opremi. Popularna uporaba RS-485 je uporaba protokola MODBUS v segmentu TTL.
Recimo, da visokonapetostni AC transformator zagotavlja podatke senzorjev, ki so nameščeni znotraj transformatorja prek protokola RS-485. Za zbiranje podatkov iz transformatorja je treba PLC napravo priključiti na vrata RS-485. Toda težava je v neposredni komunikacijski liniji. PLC uporablja zelo nizko napetost in je zelo občutljiv na visoko ESD ali val. Če je uporabljena neposredna povezava, je PLC lahko zelo ogrožen in ga je treba galvansko izolirati.
Te IC so zelo koristne za zaščito PLC-ja pred ESD ali prenapetostnimi sunki.
Kot je razvidno iz podatkovnega lista, imata oba IC-a zmogljivost +/- 35kV ESD, 2,75kVrms pa izolacijsko napetost do 60 sekund. Ne samo to, tudi ti IC-ji potrjujejo 445Vrms delovno-izolacijsko napetost, zaradi česar je primeren izolator za uporabo v opremi za industrijsko avtomatizacijo.