- Видове галванична изолация
- Изолация на сигнала
- Изолация на нивото на мощността
- Кондензатори като изолатор
- Галванична изолация - Приложения
- Практически пример за галванична изолация
Средната битова микровълнова фурна, работеща при 110 / 220V AC, може да произведе до 2800V вътре в нея, което е опасно смъртоносно. Освен това той има и по-ниско променливо напрежение около 3.5V за осветяване на нажежаемата жичка и регулирано постояннотоково напрежение като 5V / 3.3V за работата на цифровата електроника като дисплея или таймерите. Замисляли ли сте се какво пречи на тези високи напрежения да стигнат до пръстите ви през бутоните или корпуса, когато докоснете фурната? Отговорът на въпроса ви е „изолация“. Когато се проектират електронни продукти, включващи повече от един тип сигнал или повече от едно работно напрежение, се използва изолация, за да се предотврати объркването на единия сигнал с другия. Той също така играе жизненоважна роля за безопасността, като предотвратява повреди в продуктите от индустриален клас. Тази изолация обикновено се нарича галванична изолация. Защо терминът „галваничен“? Това е така, защото галваничният представлява тока, произведен от някакъв вид химическо въздействие и тъй като ние изолираме този ток чрез прекъсване на контакта на проводника, той се нарича галванична изолация.
Има няколко вида техники за галванична изолация и изборът на подходящия зависи от вида на изолацията, издържащия капацитет, изискванията за приложение и очевидно е включен и факторът на разходите. В тази статия ще научим за различните видове изолация, как работят и къде да ги използваме в нашия дизайн.
Видове галванична изолация
- Изолация на сигнала
- Изолация на нивото на мощността
- Кондензатори като изолатор
Изолация на сигнала
Необходима е изолация на нивото на сигнала, когато две вериги от различно естество комуникират помежду си, използвайки някакъв тип сигнал. Например две вериги, използващи независим източник на енергия и работещи с различни нива на напрежение. В такива случаи за изолиране на отделната земя на два независими източника на захранване и за комуникация между тези две вериги е необходима изолация на нивото на сигнала.
Изолирането на сигнала се извършва чрез използване на различни видове изолатори. Оптичните и електромагнитните изолатори се използват основно за изолация на сигнала. И двата тези изолатора предпазват различните земни източници от комбиниране заедно. Всеки изолатор има свой уникален принцип на работа и приложение, които са разгледани по-долу.
1. Оптични изолатори
Оптичният изолатор използва светлини за комуникация между две независими вериги. Обикновено оптичните изолатори, известни още като Optocoupler, имат два компонента в един силициев чип, светодиод и фототранзистор. Светодиодът се управлява от едната верига, а страната на транзистора е свързана с другата верига. Следователно светодиодът и транзисторът не са електрически свързани. Комуникацията се осъществява само чрез светлини, оптически.
Помислете за горното изображение. Популярният оптоизолатор PC817 изолира две независими вериги. Верига 1 е източник на захранване с превключвател, верига 2 е изход на логическо ниво, свързан с различно захранване от 5V. Логическото състояние се контролира от лявата верига. Когато ключът е затворен, светодиодът вътре в оптрона светва и включва транзистора. Логическото състояние ще бъде променено от Високо на Ниско.
Веригата 1 и верига 2 са изолирани с помощта на горната схема. Галваничната изолация е много полезна за горната схема. Има няколко ситуации, при които високият потенциален шум от земята, индуциран в земята с нисък потенциал, създава контур за заземяване, който допълнително отговаря за неточни измервания. Подобно на PC817, има много видове оптрони за различни изисквания за приложение.
2. Електромагнитни изолатори
Оптоизолаторите са полезни за изолиране на постояннотоков сигнал, но електромагнитните изолатори като малки сигнални трансформатори са полезни за изолиране на променлив сигнал. Трансформаторите като аудио трансформатора имат изолирани първична и вторична страна, които могат да се използват за различна изолация на аудио сигнал. Друга най-често използвана е в мрежовия хардуер или Ethernet секция. Импулсните трансформатори се използват за изолиране на външното окабеляване с вътрешен хардуер. Дори телефонните линии се използват трансформаторни изолатори на сигнал. Но тъй като трансформаторите са изолирани от електромагнитни, това работи само с променлив ток.
Горното изображение е вътрешната схема на жака RJ45 с интегриран импулсен трансформатор за изолиране на MCU част с изхода.
Изолация на нивото на мощността
Изолациите на нивото на мощност са необходими, за да се изолират устройства с ниска мощност от шумни линии с висока мощност или обратно. Също така, изолацията на нивото на мощността осигурява подходяща безопасност от опасни напрежения на линията, като изолира линиите за високо напрежение от оператора и други части на системата.
1. Трансформатор
Популярният изолатор за ниво на мощност отново е трансформатор. Има огромни приложения за трансформатори, като най-често се използва осигуряване на ниско напрежение от източник на високо напрежение. Трансформаторът няма връзки между първичен и вторичен, но може да намали напрежението от променливотоково напрежение с високо напрежение до променливотоково напрежение с ниско напрежение, без да губи галваничната изолация.
Горното изображение показва понижаващ трансформатор в действие, при който първичният страничен вход е свързан към контакта, а вторичният е свързан през съпротивителен товар. Една подходяща изолация трансформатор има съотношение 1: 1 завои и не променя напрежението или текущото ниво от двете страни. Единствената цел на изолационния трансформатор е да осигури изолация.
2. Релета
Релето е популярен изолатор с огромно приложение в областта на електрониката и електричеството. На пазара на електроника има много различни видове релета в зависимост от приложението. Популярни видове са електромагнитните релета и полупроводниковите релета.
Електромагнитното реле работи с електромагнитни и механично подвижни части, често наричани полюси. Той съдържа електромагнит, който движи полюса и завършва веригата. Релето създава изолация, когато вериги за високо напрежение трябва да се управляват от верига с ниско напрежение или обратно. В такава ситуация и двете вериги са изолирани, но една верига може да активира релето, за да управлява друга.
В горното изображение две вериги са електрически независими една от друга. Но като използва превключвателя на верига-1, потребителят може да контролира състоянието на натоварването на верига 2. Научете повече за това как дадено реле може да се използва във верига.
Няма голяма разлика между твърдотелното реле и електромеханичното реле по отношение на работата. Полупроводниковите релета работят абсолютно по същия начин, но електромеханичната част е заменена с оптично управляван диод. Галваничната изолация може да се изгради поради липсата на директна връзка между входа и изхода на полупроводниковите релета.
3. Сензори за ефект на Хол
Излишно е да казвам, че измерването на тока е част от електротехниката и електрониката. Налични са различни видове текущи методи на засичане. Често измерванията се изискват за трасета с високо напрежение и висок ток и отчетената стойност трябва да се изпраща към верига с ниско напрежение, която е част от веригата за измерване. Също така от гледна точка на потребителя инвазивното измерване е опасно и невъзможно да се приложи. Сензорите на Hall Effect осигуряват точно безконтактно измерване на тока и помагат за измерване на тока, протичащ през проводник по неинвазивен начин. Той осигурява правилна изолация и гарантира безопасност от опасно електричество. Сензорът на Hall Effect използва електромагнитно поле, генерирано през проводника, за да оцени тока, протичащ през него.
Сърцевинният пръстен е закачен върху проводник по неинвазивен начин и е електрически изолиран, както е показано на снимката по-горе.
Кондензатори като изолатор
Най-малко популярният метод за изолиране на вериги е чрез използване на кондензатори. Поради неефективност и опасни резултати от отказ това вече не е предпочитано, но все пак знаейки, че може да дойде по-удобно, когато искате да изградите суров изолатор. Кондензаторите блокират постояннотока и позволяват преминаване на високочестотен променлив сигнал. Поради това отлично свойство кондензаторът се използва като изолатори в конструкции, при които постояннотоковите токове на две вериги трябва да бъдат блокирани, но все пак позволяващи предаването на данни.
Горното изображение показва, че кондензаторите се използват за изолационни цели. Предавателят и приемникът са изолирани, но комуникацията на данни може да бъде извършена.
Галванична изолация - Приложения
Галваничната изолация е много важна и приложението е огромно. Това е важен параметър както в потребителските стоки, така и в индустриалния, медицинския и комуникационния сектор. На пазара на индустриална електроника се изисква галванична изолация за разпределителни системи, генератори на енергия, измервателни системи, двигателни контролери, логически устройства за вход-изход и др
В медицинския сектор изолацията е един от основните приоритети за оборудването, тъй като медицинските изделия могат да бъдат пряко свързани с телата на пациента. Такива устройства са ЕКГ, ендоскопи, дефибрилатори, различни видове устройства за въображение. Системите за комуникация на потребителско ниво също използват галванична изолация. Един често срещан пример е Ethernet, рутери, превключватели, телефонни превключватели и др. Нормалните потребителски стоки, като зарядни устройства, SMPS, компютърни логически платки са най-често срещаните продукти, които използват галванична изолация.
Практически пример за галванична изолация
Веригата по-долу е типична схема за приложение на галванично изолирана Пълнодуплексна IC MAX14852 (за скорост на комуникация 500 kbps) или MAX14854 (за скорост на комуникация 25 Mbps) на RS-485 комуникационна линия с микроконтролера. IC се произвежда от популярната компания за производство на полупроводници Maxim Integrated.
Този пример е един от най-добрите примери за пример за галванична изолация на промишлено оборудване. RS-485 е широко използван традиционен комуникационен протокол, използван в промишленото оборудване. Популярното използване на RS-485 е използването на протокол MODBUS през TTL сегмент.
Да предположим, че трансформаторът за променлив ток с високо напрежение предоставя данни от сензори, които са инсталирани в трансформатора чрез протокола RS-485. Трябва да се свърже PLC устройство с RS-485 порт, за да се събират данните от трансформатора. Но проблемът е в директната комуникационна линия. PLC използва много ниско ниво на напрежение и е много чувствителен при високи ESD или пренапрежение. Ако се използва директна връзка, PLC може да бъде изложен на висок риск и трябва да бъде галванично изолиран.
Тези интегрални схеми са много полезни за защита на PLC от ESD или пренапрежения.
Според листа с данни и двете интегрални схеми имат издържащ капацитет от +/- 35kV ESD и 2.75kVrms издържат на изолационно напрежение до 60 секунди. Не само това, но тези интегрални схеми също потвърждават напрежение на работна изолация 445Vrms, което го прави подходящ изолатор за използване в оборудването за индустриална автоматизация.