Izolarea galvanică - izolarea semnalului și izolarea puterii

Un cuptor cu microunde de uz casnic mediu care funcționează la 110 / 220V AC poate produce până la 2800V în interiorul acestuia, ceea ce este periculos de letal. În afară de aceasta, are și o tensiune de curent alternativ mai mică în jurul valorii de 3,5V pentru a aprinde filamentul și o tensiune de curent continuu reglementată, cum ar fi 5V / 3,3V, pentru partea electronică digitală, cum ar fi afișajul sau temporizatoarele. Te-ai întrebat vreodată ce împiedică aceste tensiuni ridicate să ajungă la degete prin butoane sau carcasă atunci când atingi cuptorul? Răspunsul la întrebarea dvs. este „izolare”. La proiectarea produselor electronice care implică mai mult de un tip de semnal sau mai mult de o tensiune de funcționare, izolarea este utilizată pentru a împiedica un semnal să distrugă celălalt. De asemenea, joacă un rol vital în siguranță prin prevenirea condițiilor de defecțiune la produsele de calitate industrială. Această izolare este în general denumită izolare galvanică. De ce termenul „galvanic”? Acest lucru se datorează faptului că galvanicul reprezintă curentul produs de un fel de acțiune chimică și, din moment ce izolăm acest curent prin întreruperea contactului conductorului, acesta se numește izolarea galvanică.

Există mai multe tipuri de tehnici de izolare galvanică și alegerea celei corecte depinde de tipul de izolare, rezistența la capacitate, cerințele de aplicare și, evident, este implicat și factorul de cost. În acest articol vom afla despre diferitele tipuri de izolare, modul în care funcționează și unde să le folosim în proiectele noastre.

Tipuri de izolare galvanică

• Izolarea semnalului
• Izolarea nivelului de putere
• Condensatoare ca izolator

Izolarea semnalului

Izolarea nivelului semnalului este necesară în cazul în care două circuite de natură diferită comunică între ele folosind un anumit tip de semnal. De exemplu, două circuite care utilizează o sursă de alimentare independentă și funcționează la niveluri de tensiune diferite. În astfel de cazuri, pentru a izola masa individuală a două surse de alimentare independente și pentru a comunica între aceste două circuite, este necesară izolarea nivelului semnalului.

Izolarea semnalului se face folosind diferite tipuri de izolatoare. Izolatoarele optice și electromagnetice sunt utilizate în principal în scopul izolării semnalului. Ambele izolatoare protejează diferitele surse de sol de a nu se combina. Fiecare izolator are propriul său principiu de funcționare și aplicație, care sunt discutate mai jos.

1. Izolatori optici

Izolatorul optic utilizează lumini pentru a comunica între două circuite independente. De obicei, izolatoarele optice cunoscute sub denumirea de optocuploare au două componente în interiorul unui singur cip de siliciu, o diodă emițătoare de lumină și un fototranzistor. LED-ul este controlat de un circuit și partea tranzistorului este conectată cu celălalt circuit. Prin urmare, LED-ul și tranzistorul nu sunt conectați electric. Comunicarea se face doar prin lumini, optic.

Luați în considerare imaginea de mai sus. Un popular optoizolator PC817 izolează două circuite independente. Circuitul 1 este sursa de alimentare cu un comutator, circuitul 2 este o ieșire de nivel logic conectată cu o sursă diferită de 5V. Starea logică este controlată de circuitul din stânga. Când comutatorul este închis, LED-ul din interiorul optocuplorului se aprinde și pornește tranzistorul. Starea logică va fi schimbată de la Înalt la Minim.

Circuitul 1 și circuitul 2 sunt izolate folosind circuitul de mai sus. Izolarea galvanică este foarte utilă pentru circuitul de mai sus. Există mai multe situații în care zgomotul la sol cu ​​potențial ridicat indus în solul cu potențial scăzut și creează o buclă la sol care este responsabilă în continuare de măsurători inexacte. Similar cu PC817 există multe tipuri de optocuploare pentru cerințe diferite de aplicație.

2. Izolatori electromagnetici

Optoizolatoarele sunt utile pentru izolarea semnalului de curent continuu, dar izolatoarele electromagnetice, cum ar fi transformatoarele de semnal mici , sunt utile pentru izolarea semnalului de curent alternativ. Transformatoarele, cum ar fi transformatorul audio, au laturile primare și secundare izolate, care pot fi utilizate pentru diferite izolații ale semnalului audio. O altă utilizare cea mai comună este în hardware-ul de rețea sau secțiunea Ethernet. Transformatoarele de impulsuri sunt utilizate pentru a izola cablajul extern de hardware-ul intern. Chiar și liniile telefonice sunt utilizate izolatoare de semnal bazate pe transformatoare. Dar, întrucât transformatoarele sunt izolate electromagnetic, funcționează doar cu curent alternativ.

Imaginea de mai sus este schema internă a mufei RJ45 cu transformator de impuls integrat pentru izolarea porțiunii MCU cu ieșirea.

Izolarea nivelului de putere

Izolările de nivel de putere sunt necesare pentru a izola dispozitivele sensibile la consum redus de liniile zgomotoase de mare putere sau invers. De asemenea, izolarea nivelului de putere asigură o siguranță adecvată împotriva tensiunilor de linie periculoase prin izolarea liniilor de înaltă tensiune de operator și de alte părți ale sistemului.

1. Transformator

Popularul izolator de nivel de putere este din nou un Transformator. Există aplicații enorme pentru transformatoare, cea mai frecventă utilizare este de a furniza tensiune scăzută de la o sursă de înaltă tensiune. Transformatorul nu are conexiuni între primar și secundar, dar ar putea reduce tensiunea de la înaltă tensiune AC la joasă tensiune AC fără a pierde izolația galvanică.

Imaginea de mai sus prezintă un transformator cu acțiune în care intrarea laterală primară este conectată la priza de perete, iar secundara este conectată printr-o sarcină rezistivă. Un transformator de izolare adecvat are un raport de 1: 1 spire și nu modifică nivelul de tensiune sau curent de ambele părți. Singurul scop al transformatorului de izolare este de a oferi izolare.

2. Relee

Releul este un izolator popular cu o aplicație imensă în domeniul electronicii și al electricității. Există multe tipuri diferite de relee disponibile pe piața electronică, în funcție de aplicație. Tipurile populare sunt releele electromagnetice și releele în stare solidă.

Un releu electromagnetic funcționează cu piese electromagnetice și mobile care sunt adesea denumite poli. Conține un electromagnet care mișcă polul și completează circuitul. Releul creează izolare atunci când circuitele de înaltă tensiune trebuie controlate dintr-un circuit de joasă tensiune sau invers. Într-o astfel de situație ambele circuite sunt izolate, dar un circuit ar putea energiza releul pentru a controla altul.

În imaginea de mai sus, două circuite sunt independente electric unul de celălalt. Dar utilizând comutatorul de pe Circuitul-1, utilizatorul poate controla starea sarcinii pe circuitul 2. Aflați mai multe despre modul în care un releu poate fi utilizat într-un Circuit.

Nu există prea multe diferențe între releul de stare solidă și releul electromecanic în ceea ce privește funcționarea. Releele în stare solidă funcționează exact la fel, dar partea electromecanică este înlocuită cu o diodă controlată optic. Izolarea galvanică poate fi acumulată datorită absenței unei conexiuni directe între intrarea și ieșirea releelor ​​de stare solidă.

3. Senzori de efect Hall

Inutil să spun că măsurarea curentului face parte din ingineria electrică și electronică. Există diferite tipuri de metode actuale de detectare disponibile. Adesea măsurătorile sunt necesare pentru căile de înaltă tensiune și curent ridicat, iar valoarea citită trebuie trimisă unui circuit de joasă tensiune care face parte din circuitul de măsurare. Tot din perspectiva utilizatorului, măsurarea invazivă este periculoasă și este imposibil de implementat. Senzorii de efect Hall oferă măsurarea curentului fără contact cu precizie și ajută la măsurarea curentului care curge printr-un conductor într-un mod neinvaziv. Oferă o izolare adecvată și asigură siguranța împotriva electricității periculoase. Senzorul de efect Hall utilizează câmpul electromagnetic generat pe conductor pentru a estima curentul care curge prin el.

Inelul central este agățat de un conductor într-un mod neinvaziv și este izolat electric așa cum se arată în imaginea de mai sus.

Condensatoare ca izolator

Cea mai puțin populară metodă pentru izolarea circuitelor este utilizarea condensatoarelor. Din cauza ineficienței și a rezultatelor periculoase ale eșecului, acest lucru nu mai este preferat, dar știind că ar putea fi util atunci când doriți să construiți un izolator brut. Condensatoarele blochează curentul continuu și permit transmiterea unui semnal de curent alternativ de înaltă frecvență. Datorită acestei proprietăți excelente, condensatorul este utilizat ca izolatori în modele în care curenții de curent continuu din două circuite trebuie blocate, dar permițând în continuare transmisia datelor.

Imaginea de mai sus arată că condensatorii sunt folosiți în scopuri de izolare. Transmițătorul și receptorul sunt izolate, dar comunicarea datelor poate fi realizată.

Izolarea galvanică - Aplicații

Izolarea galvanică este foarte esențială și aplicația este imensă. Este un parametru important în bunurile de consum, precum și în sectorul industrial, medical și al comunicațiilor. Pe o piață electronică industrială, izolarea galvanică este necesară pentru sistemele de distribuție a energiei, generatoare de energie, sisteme de măsurare, controlere de motor, dispozitive logice de intrare-ieșire etc.

În sectorul medical, izolarea este una dintre prioritățile majore pentru echipamente, deoarece dispozitivele medicale pot fi conectate direct cu corpurile pacientului. Astfel de dispozitive sunt ECG, endoscoape, defibrilatoare, diferite tipuri de dispozitive imagistice. Sistemele de comunicare la nivel de consumatori folosesc, de asemenea, izolarea galvanică. Un exemplu obișnuit este Ethernet, routerele, comutatoarele, comutatoarele telefonice etc. Bunurile de consum normale, cum ar fi încărcătoarele, SMPS, plăcile logice ale computerului sunt cele mai frecvente produse care utilizează izolarea galvanică.

Exemplu practic de izolare galvanică

Circuitul de mai jos este un circuit tipic de aplicație pentru IC-ul duplex complet izolat galvanic MAX14852 (Pentru viteza de comunicație de 500 kbps) sau MAX14854 (Pentru viteza de comunicație de 25 Mbps) pe linia de comunicație RS-485 cu unitatea de microcontroler. CI este fabricat de populara companie de producere a semiconductoarelor Maxim Integrated.

Acest exemplu este unul dintre cele mai bune exemple de izolare galvanică de pe echipamente industriale. RS-485 este un protocol de comunicație tradițional utilizat pe scară largă utilizat în echipamente industriale. Utilizarea populară a RS-485 este de a utiliza protocolul MODBUS pe segmentul TTL.

Să presupunem că un transformator de înaltă tensiune de curent alternativ furnizează date despre senzori care sunt instalate în interiorul transformatorului prin protocolul RS-485. Trebuie să conectați un dispozitiv PLC cu un port RS-485 pentru a culege datele de la transformator. Dar problema se află în linia de comunicare directă. PLC utilizează un nivel de tensiune foarte scăzut și foarte sensibil la ESD mare sau la supratensiune. Dacă este utilizată o conexiune directă, PLC poate fi expus unui risc ridicat și trebuie izolat galvanic.

Aceste IC-uri sunt foarte utile pentru a proteja PLC-ul de ESD sau supratensiuni.

Conform fișei tehnice, ambele circuite integrate au o capacitate de rezistență de +/- 35kV ESD și 2.75kVrms rezistă la o tensiune de izolare de până la 60 de secunde. Nu numai acest lucru, ci și aceste IC-uri confirmă, de asemenea, tensiunea de lucru-izolare de 445Vrms, făcându-l un izolator adecvat pentru a fi utilizat în echipamente de automatizare industrială.