Galvanisk isolasjon - signalisolasjon og kraftisolering

En gjennomsnittlig husholdnings mikrobølgeovn som bruker 110 / 220V AC kan produsere opptil 2800V inne i den, noe som er farlig dødelig. I tillegg til at den også har en lavere vekselstrømspenning rundt 3,5V for å lyse opp glødetråden og en regulert DC-spenning som 5V / 3,3V for den digitale elektronikkdelen som skjermen eller timere for å fungere. Har du noen gang lurt på hva som forhindrer at disse høye spenningene når ut til fingrene dine gjennom knappene eller huset når du berører ovnen? Svaret på spørsmålet ditt er "isolasjon". Når du designer elektronikkprodukter som involverer mer enn en type signal eller mer enn en driftsspenning, brukes isolasjon for å forhindre at det ene signalet ødelegger det andre. Det spiller også en viktig rolle i sikkerheten ved å forhindre feilforhold i produkter av industriell kvalitet. Denne isolasjonen blir vanligvis referert til som galvanisk isolasjon. Hvorfor begrepet “galvanisk”? Det er fordi galvanisk representerer strømmen som produseres ved en slags kjemisk handling, og siden vi isolerer denne strømmen ved å bryte lederkontakten, kalles den galvanisk isolasjon.

Det er flere typer galvaniske isolasjonsteknikker, og det å velge riktig avhenger av typen isolasjon, tåler kapasitet, applikasjonskrav og selvfølgelig er også kostnadsfaktoren involvert. I denne artikkelen vil vi lære om de forskjellige typer isolasjon, hvordan de fungerer og hvor de skal brukes i våre design.

Typer av galvanisk isolasjon

• Signalisolasjon
• Effektnivåisolasjon
• Kondensatorer som isolator

Signalisolasjon

Signalnivåisolering er nødvendig der to kretser av forskjellig art kommuniserer med hverandre ved hjelp av en eller annen type signal. For eksempel to kretser som bruker uavhengig strømkilde og betjener forskjellige spenningsnivåer. I slike tilfeller, for å isolere den individuelle bakken til to uavhengige strømkilder og for å kommunisere mellom disse to kretsene, er signalnivåisolering nødvendig.

Signalisolering gjøres ved å bruke forskjellige typer isolatorer. Optiske og elektromagnetiske isolatorer brukes hovedsakelig til signalisoleringsformål. Begge disse isolatorene beskytter de forskjellige bakkekildene fra å kombinere seg. Hver isolator har sitt eget unike driftsprinsipp og applikasjon som er diskutert nedenfor.

1. Optiske isolatorer

Optisk isolator bruker lys til å kommunisere mellom to uavhengige kretser. Vanligvis har optiske isolatorer, aka Optocoupler, to komponenter inne i en enkelt silisiumchip, en lysdiode og en fototransistor. LED-en styres av den ene kretsen og transistorsiden er koblet til den andre kretsen. Derfor er ikke LED og transistoren elektrisk tilkoblet. Kommunikasjonen skjer bare med lys, optisk.

Tenk på bildet ovenfor. En populær optoisolator PC817 isolerer to uavhengige kretser. Krets 1 er strømkilden med en bryter, krets 2 er en logisk nivåutgang koblet til en annen 5V-forsyning. Den logiske tilstanden styres av venstre krets. Når bryteren lukkes, lyser LED-lampen inne i optokoblingen og slår på transistoren. Den logiske tilstanden vil bli endret fra høy til lav.

Krets 1 og krets 2 er isolert ved hjelp av kretsen ovenfor. Galvanisk isolasjon er veldig nyttig for ovennevnte krets. Det er flere situasjoner der høypotensial jordstøy indusert i lavpotensial bakken og skaper en bakkesløyfe som ytterligere er ansvarlig for unøyaktige målinger. I likhet med PC817 er det mange typer optokobler for forskjellige applikasjonskrav.

2. Elektromagnetiske isolatorer

Optoisolatorer er nyttige for DC-signalisolering, men elektromagnetiske isolatorer som små signaltransformatorer er nyttige for AC-signalisolering. Transformatorer som lydtransformator har primære og sekundære sider isolert som kan brukes til ulik isolasjon av lydsignal. En annen vanligst bruk er i nettverksmaskinvare eller Ethernet-delen. Pulstransformatorer brukes til å isolere de eksterne ledningene med intern maskinvare. Selv telefonlinjer brukes transformatorbaserte signalisolatorer. Men da transformatorer isoleres elektromagnetisk, fungerer den bare med AC.

Over bildet er det interne skjemaet til RJ45-kontakten med integrert pulstransformator for å isolere MCU-delen med utgangen.

Effektnivåisolasjon

Effektnivåisolasjon er nødvendig for å isolere følsomme enheter med lav effekt fra støyende linjer med høy effekt eller omvendt. Effektnivåisolering gir også riktig sikkerhet mot farlige ledningsspenninger ved å isolere høyspentlinjene fra operatøren og andre deler av systemet.

1. Transformator

Den populære effektnivåisolatoren er igjen en transformator. Det er enorme applikasjoner for transformatorer. Det vanligste er å gi lav spenning fra en høyspenningskilde. Transformatoren har ikke forbindelser mellom primær og sekundær, men kan trappe ned spenningen fra høyspenning til lavspenning uten å miste den galvaniske isolasjonen.

Ovenstående bilde viser en nedtrappingstransformator i aksjon der den primære sideinngangen er koblet til stikkontakten og den sekundære er koblet over en motstandsbelastning. En skikkelig isolasjonstransformator har forholdet 1: 1 omdreininger og endrer ikke spenningen eller strømnivået på begge sider. Det eneste formålet med isolasjonstransformatoren er å gi isolasjon.

2. Stafetter

Relé er en populær isolator med en enorm applikasjon innen elektronikk og elektrisk. Det er mange forskjellige typer reléer tilgjengelig i elektronikkmarkedet, avhengig av applikasjonen. Populære typer er elektromagnetiske releer og solid state-reléer.

Et elektromagnetisk relé fungerer med elektromagnetiske og mekanisk bevegelige deler ofte referert til som poler. Den inneholder en elektromagnet som beveger stangen og fullfører kretsen. Relé skaper isolasjon når høyspenningskretser må styres fra en lavspenningskrets eller omvendt. I en slik situasjon er begge kretsene isolert, men en krets kan aktivere reléet for å kontrollere en annen.

På bildet ovenfor er to kretser elektrisk uavhengige av hverandre. Men ved å bruke bryteren på Circuit-1, kan brukeren kontrollere tilstanden til belastningen på kretsen 2. Lær mer om hvordan et relé kan brukes i en Circuit.

Det er ikke mye forskjell mellom Solid State Relay og elektromekanisk relé når det gjelder arbeid. Solid state-reléer fungerer nøyaktig det samme, men den elektromekaniske delen erstattes med en optisk kontrollert diode. Den galvaniske isolasjonen kan bygges opp på grunn av fraværet av en direkte forbindelse mellom inngangen og utgangen til halvledereeléene.

3. Hall-effekt sensorer

Unødvendig å si at nåværende måling er en del av elektro- og elektronikkingeniør. Det er forskjellige typer nåværende sensingmetoder tilgjengelig. Ofte er målingene nødvendige for høyspennings- og høystrømbaner, og den avleste verdien må sendes til en lavspenningskrets som er en del av målekretsen. Også fra brukerperspektivet er invasiv måling farlig og umulig å implementere. Hall Effect-sensorer gir kontaktløs strømmåling nøyaktig og hjelper til med å måle strømmen som strømmer gjennom en leder på en ikke-invasiv måte. Det gir riktig isolasjon og sikrer sikkerhet mot farlig elektrisitet. Hall Effect-sensor bruker elektromagnetisk felt generert over lederen for å estimere strømmen som strømmer gjennom den.

Kjerneringen er hektet over en leder på en ikke-invasiv måte, og den er elektrisk isolert som vist på bildet ovenfor.

Kondensatorer som isolator

Den minst populære metoden for å isolere kretser er å bruke kondensatorer. På grunn av ineffektivitet og farlige feilutfall er dette ikke lenger å foretrekke, men å vite at det kan være nyttig når du vil bygge en rå isolator. Kondensatorer blokkerer DC og tillater å sende et høyfrekvent AC-signal. På grunn av denne utmerkede egenskapen brukes kondensatoren som isolatorer i design der likestrøm av to kretser må blokkeres, men fremdeles tillater dataoverføring.

Ovenstående bilde viser kondensatorer som brukes til isolasjonsformål. Sender og mottaker er begge isolert, men datakommunikasjonen kan gjøres.

Galvanisk isolasjon - applikasjoner

Galvanisk isolasjon er veldig viktig, og applikasjonen er enorm. Det er en viktig parameter i forbruksvarer så vel som i industri, medisin og kommunikasjon. I et industrielt elektronikkmarked kreves galvanisk isolasjon for kraftdistribusjonssystemer, kraftgeneratorer, målesystemer, motorstyringer, inngangs- og utgangslogiske enheter osv.

I medisinsk sektor er isolasjon en av de viktigste prioriteringene for utstyret, ettersom medisinsk utstyr kan kobles direkte til pasientens kropper. Slike enheter er EKG, endoskoper, defibrillatorer, forskjellige typer fantasienheter. Kommunikasjonssystemer på forbrukernivå bruker også galvanisk isolasjon. Et vanlig eksempel er Ethernet, rutere, brytere, telefonbrytere osv. Normale forbruksvarer, som ladere, SMPS, datamaskinens logikkort er de vanligste produktene som bruker galvanisk isolasjon.

Praktisk eksempel på galvanisk isolasjon

Nedenfor kretsen er en typisk applikasjonskrets for galvanisk isolert full-dupleks IC MAX14852 (for 500 kbps kommunikasjonshastighet) eller MAX14854 (for 25 Mbps kommunikasjonshastighet) på RS-485 kommunikasjonslinje med mikrokontrollerenheten. IC produseres av det populære halvlederproduksjonsselskapet Maxim Integrated.

Dette eksemplet er et av de beste eksemplene på galvanisk isolasjonseksempel på industrielt utstyr. RS-485 er en mye brukt tradisjonell kommunikasjonsprotokoll som brukes i industrielt utstyr. Den populære bruken av RS-485 er å bruke MODBUS- protokollen over TTL-segmentet.

Anta at en høyspennings AC-transformator leverer sensordata som er installert inne i transformatoren via RS-485-protokollen. Man trenger å koble en PLC-enhet med en RS-485-port for å høste dataene fra transformatoren. Men problemet ligger i den direkte kommunikasjonslinjen. PLC bruker veldig lavt spenningsnivå og veldig følsom med høy ESD eller overspenning. Hvis en direkte forbindelse brukes, kan PLS være i høy risiko og må isoleres galvanisk.

Disse IC-ene er veldig nyttige for å beskytte PLC fra ESD eller overspenning.

I henhold til databladet har begge IC-ene en tålekapasitet på +/- 35kV ESD og 2,75kVrms tåler isolasjonsspenning i opptil 60 sekunder. Ikke bare dette, men disse IC-ene bekrefter også 445Vrms Arbeidsisolasjonsspenning, noe som gjør den til en passende isolator som skal brukes i industriell automatiseringsutstyr.