- Види гальванічної ізоляції
- Ізоляція сигналу
- Ізоляція рівня потужності
- Конденсатори як ізолятор
- Гальванічна ізоляція - Застосування
- Практичний приклад гальванічної ізоляції
Середня побутова мікрохвильова піч, що працює на напрузі 110/220 В змінного струму, може виробляти до 2800 В усередині неї, що небезпечно смертельно. Крім того, він також має нижчий рівень змінної напруги близько 3,5 В для освітлення нитки розжарення і регульовану напругу постійного струму, як 5 В / 3,3 В, для роботи цифрової електроніки, наприклад дисплея або таймерів. Ви коли-небудь замислювались, що заважає цим високим напругам дістатися до ваших пальців через кнопки або корпус, коли ви торкаєтесь духовки? Відповідь на ваше запитання - "ізоляція". При проектуванні електроніки, що включає більше одного типу сигналу або більше однієї робочої напруги, використовується ізоляція, щоб запобігти псуванню одного сигналу іншим. Він також відіграє життєво важливу роль у безпеці, запобігаючи виникненню несправностей у промислових виробах. Цю ізоляцію зазвичай називають гальванічною ізоляцією. Чому саме термін “гальванічний”? Це тому, що гальванічний являє собою струм, який утворюється за допомогою якоїсь хімічної дії, і оскільки ми ізолюємо цей струм, розриваючи контакт провідника, він називається гальванічною ізоляцією.
Існує декілька типів методів гальванічної ізоляції, і вибір правильного залежить від типу ізоляції, витривалості потужності, вимог до застосування та, очевидно, також бере участь фактор витрат. У цій статті ми дізнаємося про різні типи ізоляції, як вони працюють і де їх використовувати в наших конструкціях.
Види гальванічної ізоляції
- Ізоляція сигналу
- Ізоляція рівня потужності
- Конденсатори як ізолятор
Ізоляція сигналу
Ізоляція рівня сигналу потрібна там, де дві схеми різного характеру взаємодіють між собою за допомогою певного типу сигналу. Наприклад, два контури, що використовують незалежне джерело живлення і працюють з різним рівнем напруги. У таких випадках для ізоляції окремого заземлення двох незалежних джерел живлення та зв'язку між цими двома ланцюгами необхідна ізоляція рівня сигналу.
Ізоляція сигналу здійснюється за допомогою різних типів ізоляторів. Оптичні та електромагнітні ізолятори в основному використовуються з метою ізоляції сигналу. Обидва ці ізолятори захищають різні наземні джерела від поєднання. Кожен ізолятор має свій унікальний принцип роботи та застосування, які розглядаються нижче.
1. Оптико-ізолятори
Оптичний ізолятор використовує світло для зв'язку між двома незалежними ланцюгами. Як правило, оптичні ізолятори, відомі як Optocoupler, мають два компоненти всередині одного кремнієвого чіпа, світлодіод і фототранзистор. Світлодіод управляється однією ланцюгом, а сторона транзистора з'єднана з іншою ланцюгом. Отже, світлодіод і транзистор електрично не підключені. Зв'язок здійснюється лише за допомогою вогнів, оптично.
Розглянемо наведене зображення. Популярний оптоізолятор PC817 ізолює дві незалежні схеми. Ланцюг 1 - це джерело живлення з перемикачем, а ланцюг 2 - вихід логічного рівня, підключений до іншого джерела живлення 5 В. Логічним станом керує ліва схема. Коли перемикач закритий, світлодіод всередині оптрони загоряється і вмикає транзистор. Логічний стан буде змінено з Високого на Низький.
Схема 1 і схема 2 ізольовані за допомогою вищезазначеної схеми. Гальванічна розв'язка дуже корисна для вищезазначеного контуру. Існує кілька ситуацій, коли високий потенційний шум від землі, спричинений в грунті з низьким потенціалом, створює контур заземлення, що додатково відповідає за неточні вимірювання. Подібно до PC817, існує багато типів оптронів для різних вимог до застосування.
2. Електромагнітні ізолятори
Оптоізолятори корисні для ізоляції сигналу постійного струму, але електромагнітні ізолятори, такі як малі сигнальні трансформатори, корисні для ізоляції сигналу змінного струму. Трансформатори, такі як аудіотрансформатор, мають первинну та вторинну сторони, які можуть бути використані для різної ізоляції звукового сигналу. Інше найпоширеніше використання - мережеве обладнання або розділ Ethernet. Імпульсні трансформатори використовуються для ізоляції зовнішньої проводки за допомогою внутрішнього обладнання. Навіть телефонні лінії використовують трансформаторні ізолятори сигналу. Але, оскільки трансформатори ізольовані електромагнітно, це працює лише із змінним струмом.
Вгорі зображення - внутрішня схема роз'єму RJ45 з вбудованим імпульсним трансформатором для ізоляції частини MCU з виходом.
Ізоляція рівня потужності
Ізоляції рівня потужності потрібні для ізоляції пристроїв, чутливих до низької потужності, від шумних ліній високої потужності або навпаки. Крім того, ізоляція рівня потужності забезпечує належну безпеку від небезпечних лінійних напруг, ізолюючи лінії високої напруги від оператора та інших частин системи.
1. Трансформатор
Популярний ізолятор рівня потужності знову є трансформатором. Існує величезна кількість додатків для трансформаторів, які найчастіше використовують для забезпечення низької напруги від джерела високої напруги. Трансформатор не має з'єднань між первинним і вторинним, але може знизити напругу від високовольтного змінного струму до низьковольтного, не втрачаючи гальванічної розв'язки.
На наведеному вище зображенні показано понижуючий трансформатор у дії, де первинний бічний вхід підключений до настінної розетки, а вторинний - через резистивне навантаження. Власне ізолюючий трансформатор має відношення 1: 1 витків і не змінюють напруги або струму рівня з обох сторін. Єдина мета ізоляційного трансформатора - забезпечити ізоляцію.
2. Реле
Реле є популярним ізолятором з величезним застосуванням в галузі електроніки та електрики. На ринку електроніки існує багато різних типів реле, залежно від застосування. Популярні типи - електромагнітні реле та твердотільні реле.
Електромагнітне реле працює з електромагнітними та механічно рухомими частинами, які часто називають полюсами. Він містить електромагніт, який рухає полюс і завершує ланцюг. Реле створює ізоляцію, коли ланцюгами високої напруги потрібно керувати з ланцюга низької напруги або навпаки. У такій ситуації обидві схеми ізольовані, але одна ланцюг може подавати живлення на реле для управління іншою.
На зображенні вище два контури електрично незалежні один від одного. Але, використовуючи перемикач на схемі-1, користувач може контролювати стан навантаження на схему 2. Дізнайтеся більше про те, як реле можна використовувати в ланцюзі.
Існує не така велика різниця між твердотільним реле та електромеханічним реле з точки зору роботи. Твердотільні реле працюють точно так само, але електромеханічна частина замінена на оптично керований діод. Гальванічну розв'язку можна створити через відсутність прямого зв'язку між входом і виходом твердотільних реле.
3. Датчики ефекту Холла
Само собою зрозуміло, що вимірювання струму є частиною електротехніки та електроніки. Існують різні типи сучасних методів зондування. Часто вимірювання потрібні для трактів високої напруги та високого струму, а зчитане значення має надсилатися в схему низької напруги, яка є частиною схеми вимірювання. Крім того, з точки зору користувача, інвазивне вимірювання є небезпечним і неможливим для здійснення. Датчики ефекту Холла забезпечують точне безконтактне вимірювання струму та допомагають неінвазивно вимірювати струм, що протікає через провідник. Це забезпечує належну ізоляцію та забезпечує безпеку від небезпечної електрики. Датчик ефекту Холла використовує електромагнітне поле, що генерується через провідник, для оцінки струму, що проходить через нього.
Серцеве кільце закріплено над провідником неінвазивним способом, і воно електрично ізольоване, як показано на малюнку вище.
Конденсатори як ізолятор
Найменш популярним методом ізоляції ланцюгів є використання конденсаторів. Через неефективність та небезпечні наслідки невдач це більше не є кращим, але все одно знаючи, що це може стати в нагоді, коли ви хочете побудувати сирий ізолятор. Конденсатори блокують постійний струм і дозволяють передавати високочастотний сигнал змінного струму. Завдяки цій чудовій властивості конденсатор використовується як ізолятор у конструкціях, де струми постійного струму двох ланцюгів повинні бути заблоковані, але все ще дозволяють передачу даних.
На наведеному вище зображенні показано, що конденсатори використовуються для цілей ізоляції. І передавач, і приймач ізольовані, але передача даних може бути здійснена.
Гальванічна ізоляція - Застосування
Гальванічна ізоляція дуже важлива, і застосування величезне. Це важливий параметр у споживчих товарах, а також у промисловому, медичному та комунікаційному секторах. На ринку промислової електроніки гальванічна розв'язка необхідна для систем розподілу електроенергії, генераторів електроенергії, вимірювальних систем, контролерів двигунів, логічних пристроїв вводу-виводу тощо.
У медичному секторі ізоляція є одним із основних пріоритетів обладнання, оскільки медичні вироби можуть бути безпосередньо пов’язані з тілами пацієнта. Такими пристроями є ЕКГ, ендоскопи, дефібрилятори, різні види уявних пристроїв. Системи зв'язку споживачів також використовують гальванічну ізоляцію. Одним із загальноприйнятих прикладів є Ethernet, маршрутизатори, комутатори, телефонні комутатори тощо. Звичайні споживчі товари, такі як зарядні пристрої, SMPS, логічні плати комп’ютера є найпоширенішими продуктами, які використовують гальванічну ізоляцію.
Практичний приклад гальванічної ізоляції
Наведена нижче схема є типовою схемою застосування гальванічно ізольованої повнодуплексної мікросхеми MAX14852 (для швидкості зв'язку 500 кбіт / с) або MAX14854 (для швидкості зв'язку 25 Мбіт / с) на лінії зв'язку RS-485 з блоком мікроконтролера. ІС виробляє популярна компанія з виробництва напівпровідників Maxim Integrated.
Цей приклад є одним з найкращих прикладів прикладу гальванічної ізоляції на промисловому обладнанні. RS-485 - це широко використовуваний традиційний протокол зв'язку, що використовується в промисловому обладнанні. Популярним використанням RS-485 є використання протоколу MODBUS над сегментом TTL.
Припустимо, високовольтний трансформатор змінного струму забезпечує дані датчиків, які встановлюються всередині трансформатора за протоколом RS-485. Для збору даних з трансформатора потрібно підключити пристрій PLC до порту RS-485. Але проблема полягає в прямій лінії зв'язку. ПЛК використовує дуже низький рівень напруги і дуже чутливий до високого ESD або стрибка напруги. Якщо використовується пряме з'єднання, PLC може бути під загрозою ризику і потребуватиме гальванічної ізоляції.
Ці мікросхеми дуже корисні для захисту PLC від ESD або стрибків напруги.
Відповідно до специфікації, обидві мікросхеми мають витримує потужність +/- 35 кВ ESD і 2,75 кВрм витримують напругу ізоляції до 60 секунд. Не тільки це, але і ці ІС також підтверджують напругу робочої ізоляції 445 Врм, що робить його придатним ізолятором для використання в обладнанні промислової автоматики.