- Vrste galvanske izolacije
- Izolacija signala
- Izolacija razine snage
- Kondenzatori kao izolator
- Galvanska izolacija - Primjene
- Praktični primjer galvanske izolacije
Prosječna mikrovalna pećnica za kućanstvo koja radi na naponu od 110 / 220V može u njoj proizvesti do 2800V, što je opasno smrtonosno. Osim toga, on također ima niži izmjenični napon oko 3,5 V za osvjetljavanje niti i regulirani istosmjerni napon poput 5 V / 3,3 V za dio digitalne elektronike poput zaslona ili timera. Jeste li se ikad zapitali što sprječava da ovi visoki naponi dopiru do vaših prstiju kroz tipke ili kućište kad dodirnete pećnicu? Odgovor na vaše pitanje je "izolacija". Pri projektiranju elektroničkih proizvoda koji uključuju više od jedne vrste signala ili više od jednog radnog napona, izolacija se koristi kako bi se spriječilo da jedan signal zabrlja drugi. Također igra vitalnu ulogu u sigurnosti sprečavanjem kvarova u proizvodima industrijske kvalitete. Ta se izolacija općenito naziva galvanska izolacija. Zašto izraz "galvanski"? To je zato što galvanska predstavlja struju proizvedenu nekom vrstom kemijskog djelovanja, a budući da ovu struju izoliramo prekidajući kontakt vodiča, naziva se galvanska izolacija.
Postoji nekoliko vrsta galvanskih tehnika izolacije, a odabir prave ovisi o vrsti izolacije, izdržavanju kapaciteta, zahtjevima primjene, a očito je i faktor troškova uključen. U ovom ćemo članku naučiti o različitim vrstama izolacija, kako djeluju i gdje ih koristiti u našem dizajnu.
Vrste galvanske izolacije
- Izolacija signala
- Izolacija razine snage
- Kondenzatori kao izolator
Izolacija signala
Izolacija razine signala potrebna je tamo gdje dva sklopa različite prirode međusobno komuniciraju pomoću neke vrste signala. Na primjer, dva kruga koji koriste neovisni izvor napajanja i rade s različitim razinama napona. U takvim slučajevima, za izoliranje pojedinačnog uzemljenja dvaju neovisnih izvora napajanja i za komunikaciju između ta dva kruga, potrebna je izolacija razine signala.
Izolacija signala vrši se upotrebom različitih vrsta izolatora. Optički i elektromagnetski izolatori uglavnom se koriste u svrhu izolacije signala. Oba ova izolatora štite različite izvore tla od kombiniranja. Svaki Izolator ima svoj jedinstveni princip rada i primjenu o kojima se govori u nastavku.
1. Optički izolatori
Optički izolator koristi svjetla za komunikaciju između dva neovisna kruga. Optički izolatori zvani Optocoupler obično imaju dvije komponente unutar jednog silicijskog čipa, diodu koja emitira svjetlost i fototranzistor. LED se kontrolira jednim krugom, a strana tranzistora je povezana s drugim krugom. Stoga LED i tranzistor nisu električno povezani. Komunikacija se vrši samo svjetlima, optički.
Razmotrite gornju sliku. Popularni optički izolator PC817 izolira dva neovisna kruga. Krug 1 je izvor napajanja s prekidačem, krug 2 je izlaz logičke razine povezan s različitim napajanjem od 5V. Logičkim stanjem upravlja lijevi krug. Kad se sklopka zatvori, LED unutar optičkog sprežnika svijetli i uključuje tranzistor. Logičko stanje bit će promijenjeno iz High u Low.
Krug 1 i krug 2 izolirani su pomoću gornjeg kruga. Galvanska izolacija vrlo je korisna za gornji krug. Postoji nekoliko situacija u kojima visoka potencijalna buka od tla izazvana u tlu s malim potencijalom stvara tlo uzemljenja što je dodatno odgovorno za netočna mjerenja. Slično PC817, postoji mnogo vrsta Optocouplera za različite zahtjeve primjene.
2. Elektromagnetski izolatori
Optoizolatori su korisni za izolaciju istosmjernog signala, ali elektromagnetski izolatori poput malih signalnih transformatora korisni su za izolaciju izmjeničnog signala. Transformatori poput audio transformatora imaju izolirane primarne i sekundarne strane koje se mogu koristiti za različitu izolaciju audio signala. Druga najčešća upotreba je mrežni hardver ili Ethernet odjeljak. Pulsni transformatori koriste se za izolaciju vanjskog ožičenja unutarnjim hardverom. Čak se i telefonske linije koriste transformatorskim izolatorima signala. No, kako su transformatori elektromagnetski izolirani, to radi samo s izmjeničnim naponom.
Iznad slike je unutarnja shema priključka RJ45 s integriranim impulsnim transformatorom za izoliranje MCU dijela s izlazom.
Izolacija razine snage
Izolacije razine snage potrebne su za izoliranje uređaja osjetljivih na malu snagu od bučnih vodova velike snage ili obrnuto. Također, izolacija razine snage osigurava odgovarajuću sigurnost od opasnih naponskih napona izoliranjem visokonaponskih vodova od rukovatelja i ostalih dijelova sustava.
1. Transformator
Popularni izolator razine snage ponovno je transformator. Postoje ogromne primjene za transformatore, a najčešće se koriste za pružanje niskog napona iz visokonaponskog izvora. Transformator nema veze između primarnog i sekundarnog, ali bi mogao smanjiti napon s visokonaponskog na niskonaponski izmjenični napon bez gubitka galvanske izolacije.
Gornja slika prikazuje silazni transformator u akciji gdje je primarni bočni ulaz povezan u zidnu utičnicu, a sekundarni preko otpornog opterećenja. Pravilna izolacija transformator ima omjer 1: 1 okreta i ne mijenjaju napon ili trenutnu razinu na obje strane. Jedina svrha izolacijskog transformatora je osigurati izolaciju.
2. Releji
Relej je popularni izolator s velikom primjenom u području elektronike i električne. Na tržištu elektronike postoji mnogo različitih vrsta releja, ovisno o primjeni. Popularni tipovi su elektromagnetski releji i polustanski releji.
Elektromagnetski relej radi s elektromagnetskim i mehanički pokretnim dijelovima koji se često nazivaju polovima. Sadrži elektromagnet koji pomiče pol i dovršava krug. Relej stvara izolaciju kada visokonaponskim krugovima treba upravljati iz niskonaponskog kruga ili obrnuto. U takvoj su situaciji oba kruga izolirana, ali jedan bi krug mogao napajati relej za upravljanje drugim.
Na gornjoj slici dva su kruga međusobno električki neovisna. Ali pomoću prekidača na krugu-1, korisnik može kontrolirati stanje opterećenja na krugu 2. Saznajte više o tome kako se relej može koristiti u krugu.
Nema velike razlike između Solid State Releja i elektromehaničkog releja u smislu rada. Polustanski releji rade potpuno isto, ali je elektro-mehanički dio zamijenjen optički upravljanom diodom. Galvanska izolacija može se izgraditi zbog odsutnosti izravne veze između ulaza i izlaza polutrajnih releja.
3. Hallovi senzori efekata
Nepotrebno je reći da su mjerenja struje dio elektrotehničkog i elektroničkog inženjerstva. Dostupne su različite vrste trenutnih metoda očitavanja. Često su mjerenja potrebna za visokonaponske i visokostrujne putove, a očitana vrijednost mora se poslati u niskonaponski krug koji je dio mjernog kruga. Iz perspektive korisnika, invazivno mjerenje je opasno i nemoguće ga je provesti. Hall Effect senzori pružaju točno beskontaktno mjerenje struje i pomažu u neinvazivnom mjerenju struje koja prolazi kroz vodič. Pruža odgovarajuću izolaciju i osigurava sigurnost od opasne električne energije. Hall Effect senzor koristi elektromagnetsko polje generirano preko vodiča za procjenu struje koja prolazi kroz njega.
Prsten jezgre je na neinvazivan način zakačen preko vodiča i električno je izoliran kao što je prikazano na gornjoj slici.
Kondenzatori kao izolator
Najmanje popularna metoda za izolaciju krugova je upotreba kondenzatora. Zbog neučinkovitosti i opasnih ishoda neuspjeha, ovo više nije poželjno, ali još uvijek znajući da bi moglo dobro doći kada želite napraviti sirovi izolator. Kondenzatori blokiraju istosmjernu struju i omogućuju prolazak visokofrekventnog izmjeničnog signala. Zbog ovog izvrsnog svojstva, kondenzator se koristi kao izolator u izvedbama gdje istosmjerne struje dvaju krugova trebaju biti blokirane, ali i dalje omogućujući prijenos podataka.
Gornja slika prikazuje kondenzatore koji se koriste u izolacijske svrhe. Odašiljač i prijemnik su izolirani, ali prijenos podataka može se obaviti.
Galvanska izolacija - Primjene
Galvanska izolacija je vrlo bitna, a primjena je ogromna. Važan je parametar u robi široke potrošnje, kao i u industrijskom, medicinskom i komunikacijskom sektoru. Na tržištu industrijske elektronike galvanska izolacija potrebna je za sisteme za distribuciju električne energije, generatore energije, mjerne sustave, upravljačke sklopove motora, ulazno-izlazne logičke uređaje itd.
U medicinskom sektoru izolacija je jedan od glavnih prioriteta opreme jer se medicinski uređaji mogu izravno povezati s tijelima pacijenta. Takvi su uređaji EKG, endoskopi, defibrilatori, različite vrste uređaja za zamišljanje. Komunikacijski sustavi na razini potrošača također koriste galvansku izolaciju. Jedan od uobičajenih primjera je Ethernet, usmjerivači, prekidači, telefonske sklopke itd. Uobičajena roba široke potrošnje, poput punjača, SMPS-a, računalnih logičkih ploča najčešći su proizvodi koji koriste galvansku izolaciju.
Praktični primjer galvanske izolacije
Sljedeći je krug tipični aplikacijski krug galvanski izoliranog full-duplex IC MAX14852 (za komunikacijsku brzinu od 500 kbps) ili MAX14854 (za komunikacijsku brzinu od 25 Mbps) na RS-485 komunikacijskoj liniji s jedinicom mikrokontrolera. IC proizvodi popularna tvrtka za proizvodnju poluvodiča Maxim Integrated.
Ovaj je primjer jedan od najboljih primjera primjera galvanske izolacije na industrijskoj opremi. RS-485 je široko korišten tradicionalni komunikacijski protokol koji se koristi u industrijskoj opremi. Popularna upotreba RS-485 je primjena protokola MODBUS preko TTL segmenta.
Pretpostavimo da visokonaponski izmjenični transformator pruža podatke o senzorima koji se ugrađuju u transformator putem RS-485 protokola. Treba prikupiti PLC uređaj s RS-485 priključkom za prikupljanje podataka iz transformatora. Ali problem je u izravnoj komunikacijskoj liniji. PLC koristi vrlo nisku razinu napona i vrlo je osjetljiv na visoki ESD ili prenaponski val. Ako se koristi izravna veza, PLC može biti u velikom riziku i mora biti galvanski izoliran.
Te su IC vrlo korisne za zaštitu PLC-a od ESD-a ili prenaponskih udara.
Prema tehničkom listu, obje IC imaju izdržljivi kapacitet od +/- 35kV ESD, a 2,75kVrms podnose izolacijski napon do 60 sekundi. I ne samo to, već i one IC potvrđuju radno-izolacijski napon od 445 Vrms, što ga čini prikladnim izolatorom za upotrebu u opremi za industrijsku automatizaciju.