Галванска изолација - изолација сигнала и изолација снаге

Просечна микроталасна рерна за домаћинство која ради на напону од 110 / 220В може у њој произвести до 2800В, што је опасно смртоносно. Поред тога, такође има нижи наизменични напон од око 3,5 В за осветљење нити и регулисани једносмерни напон попут 5 В / 3,3 В за рад дигиталног електроничког дела попут екрана или тајмера. Да ли сте се икад запитали шта спречава да ови високи напони допиру до ваших прстију кроз дугмад или кућиште када додирнете пећницу? Одговор на ваше питање је „изолација“. При дизајнирању електроничких производа који укључују више од једне врсте сигнала или више од једног радног напона, изолација се користи како би се спречило да један сигнал забрља други. Такође игра виталну улогу у безбедности спречавањем кварова у производима индустријске класе. Ова изолација се генерално назива галванска изолација. Зашто термин „галвански“? То је зато што галванска представља струју произведену неком врстом хемијског деловања, а пошто ову струју изолујемо прекидајући контакт проводника, назива се галванска изолација.

Постоји неколико врста техника галванске изолације, а одабир праве зависи од врсте изолације, издржавања капацитета, захтева за применом, а очигледно је и фактор трошкова укључен. У овом чланку ћемо научити о различитим врстама изолације, како функционишу и где их користити у нашим дизајном.

Врсте галванске изолације

• Изолација сигнала
• Изолација нивоа снаге
• Кондензатори као изолатор

Изолација сигнала

Изолација нивоа сигнала је потребна тамо где два кола различите природе комуницирају међусобно користећи неку врсту сигнала. На пример, два кола која користе независни извор напајања и раде на различитим нивоима напона. У таквим случајевима, за изолацију појединачног уземљења два независна извора напајања и за комуникацију између та два кола, потребна је изолација нивоа сигнала.

Изолација сигнала врши се употребом различитих врста изолатора. Оптички и електромагнетни изолатори се углавном користе у сврху изолације сигнала. Оба ова изолатора штите различите изворе тла од комбиновања. Сваки изолатор има свој јединствени принцип рада и примену о којима се говори у наставку.

1. Оптички изолатори

Оптички изолатор користи светла за комуникацију између два независна кола. Оптички изолатори звани Оптоцоуплер обично имају две компоненте унутар једног силицијумског чипа, диоду која емитује светлост и фототранзистор. ЛЕД се контролише једним кругом, а страна транзистора је повезана са другим кругом. Због тога ЛЕД и транзистор нису електрично повезани. Комуникација се врши само свјетлима, оптички.

Узмите у обзир горњу слику. Популарни оптички изолатор ПЦ817 изолује два независна кола. Коло 1 је извор напајања са прекидачем, коло 2 је излаз логичког нивоа повезан са различитим напајањем од 5В. Логичким стањем управља леви круг. Када се прекидач затвори, ЛЕД диода унутар оптопарера светли и укључује транзистор. Логичко стање ће се променити из Високог у Ниско.

Коло 1 и коло 2 су изоловани помоћу горњег кола. Галванска изолација је веома корисна за горњи круг. Постоји неколико ситуација у којима се велика потенцијална бука у земљи индукује у земљи са малим потенцијалом и ствара петљу уземљења која је даље одговорна за нетачна мерења. Слично ПЦ817, постоји много врста Оптоцоуплера за различите захтеве примене.

2. Електромагнетни изолатори

Оптоизолатори су корисни за изолацију једносмерног сигнала, али електромагнетски изолатори попут малих сигналних трансформатора корисни су за изолацију наизменичног сигнала. Трансформатори попут аудио трансформатора имају изоловане примарне и секундарне стране које се могу користити за различиту изолацију аудио сигнала. Друга најчешћа употреба је мрежни хардвер или Етхернет одељак. Пулсни трансформатори се користе за изолацију спољног ожичења унутрашњим хардвером. Чак се и телефонске линије користе трансформаторским изолаторима сигнала. Али, како су трансформатори изоловани електромагнетно, то функционише само са наизменичном струјом.

Изнад слике је интерна шема прикључка РЈ45 са интегрисаним импулсним трансформатором за изолацију МЦУ дела са излазом.

Изолација нивоа снаге

Изолације нивоа снаге потребне су за изолацију уређаја осетљивих на малу снагу од бучних водова велике снаге или обрнуто. Такође, изолација нивоа снаге пружа одговарајућу сигурност од опасних напонских напона изолацијом високонапонских водова од оператера и других делова система.

1. Трансформатор

Популарни изолатор нивоа снаге је поново трансформатор. Постоје огромне апликације за трансформаторе, које се најчешће користе за пружање ниског напона из извора високог напона. Трансформатор нема везе између примарног и секундарног, али би могао да смањи напон са високонапонског на нисконапонски наизменични систем без губитка галванске изолације.

Горња слика приказује силазни трансформатор у акцији где је примарни бочни улаз повезан у зидну утичницу, а секундарни преко отпорног оптерећења. Правилно изолација трансформатор има 1: 1 однос путоказа и не мењају напон или тренутни ниво на обе стране. Једина сврха изолационог трансформатора је да обезбеди изолацију.

2. Релеји

Релеј је популаран изолатор са огромном применом на пољу електронике и електричне. На тржишту електронике постоји много различитих типова релеја, у зависности од примене. Популарни типови су електромагнетни релеји и полупроводници.

Електромагнетни релеј ради са електромагнетним и механички покретним деловима који се често називају половима. Садржи електромагнет који помера пол и довршава коло. Релеј ствара изолацију када високонапонским круговима треба управљати из нисконапонског кола или обрнуто. У таквој ситуацији оба кола су изолована, али један круг може напајати релеј да би управљао другим.

На горњој слици, два кола су међусобно електрично независна. Али помоћу прекидача на кругу-1, корисник може да контролише стање оптерећења на колу 2. Сазнајте више о томе како се релеј може користити у кругу.

Нема велике разлике између ССД релеја и електромеханичког релеја у погледу рада. Солид стате релеји раде потпуно исто, али је електромеханички део замењен оптички контролисаном диодом. Галванска изолација се може изградити услед одсуства директне везе између улаза и излаза чврстог стања релеја.

3. Халови сензори ефеката

Непотребно је рећи да су мерења струје део електротехничког и електроничког инжењерства. Доступне су различите врсте тренутних метода очитавања. Често су мерења потребна за високонапонске и високострујне путеве, а очитана вредност мора бити послата у нисконапонски круг који је део мерног кола. Такође из перспективе корисника, инвазивно мерење је опасно и немогуће је применити. Халл Еффецт сензори пружају тачно мерење бесконтактне струје и помажу у неинвазивном мерењу струје која тече кроз проводник. Пружа одговарајућу изолацију и осигурава сигурност од опасне електричне енергије. Халл Еффецт сензор користи електромагнетно поље генерисано преко проводника за процену струје која пролази кроз њега.

Прстен језгре је на неинвазиван начин закачен преко проводника и електрично је изолован као што је приказано на горњој слици.

Кондензатори као изолатор

Најмање популарна метода за изолацију кола је употреба кондензатора. Због неефикасности и опасних исхода неуспеха, ово више није пожељно, али и даље знајући да би могло добро доћи када желите да направите сирови изолатор. Кондензатори блокирају једносмерну струју и омогућавају пропуштање високофреквентног АЦ сигнала. Због овог изврсног својства, кондензатор се користи као изолатор у пројектима где једносмерне струје два кола морају бити блокиране, али и даље омогућавају пренос података.

Горња слика приказује кондензаторе који се користе у изолационе сврхе. И предајник и пријемник су изоловани, али се пренос података може обавити.

Галванска изолација - Примене

Галванска изолација је веома битна, а примена је огромна. Важан је параметар како за широку потрошњу, тако и за индустријски, медицински и комуникацијски сектор. На тржишту индустријске електронике галванска изолација је потребна за системе за дистрибуцију електричне енергије, генераторе енергије, мерне системе, управљачке склопове мотора, улазно-излазне логичке уређаје итд.

У медицинском сектору изолација је један од главних приоритета опреме, јер се медицински уређаји могу директно повезати са телима пацијента. Такви уређаји су ЕКГ, ендоскопи, дефибрилатори, различите врсте уређаја за замишљање. Комуникациони системи на нивоу потрошача такође користе галванску изолацију. Један уобичајени пример су Етхернет, рутери, прекидачи, телефонски прекидачи итд. Уобичајена роба широке потрошње, попут пуњача, СМПС-а, рачунарских логичких плоча најчешћи су производи који користе галванску изолацију.

Практични пример галванске изолације

Доњи круг је типично апликационо коло галвански изолованог Фулл-дуплек ИЦ МАКС14852 (за брзину комуникације од 500 кбпс) или МАКС14854 (за брзину комуникације од 25 Мбпс) на РС-485 комуникационој линији са јединицом микроконтролера. ИЦ производи популарна компанија за производњу полупроводника Маким Интегратед.

Овај пример је један од најбољих примера примере галванске изолације на индустријској опреми. РС-485 је широко коришћени традиционални комуникацијски протокол који се користи у индустријској опреми. Популарна употреба РС-485 је коришћење МОДБУС протокола преко ТТЛ сегмента.

Претпоставимо да високонапонски трансформатор наизменичне струје пружа податке о сензорима који се уграђују у трансформатор путем протокола РС-485. За прикупљање података из трансформатора потребно је повезати ПЛЦ уређај са РС-485 портом. Али проблем је у директној комуникационој линији. ПЛЦ користи врло низак ниво напона и врло је осетљив на високу ЕСД или пренапонски вал. Ако се користи директна веза, ПЛЦ може бити у великом ризику и мора бити галвански изолован.

Те ИЦ су веома корисне за заштиту ПЛЦ-а од ЕСД-а или пренапонских удара.

Према техничком листу, обе ИЦ имају издржљиви капацитет од +/- 35кВ ЕСД и 2,75кВрмс издржавају изолациони напон до 60 секунди. И не само ово, већ и оне ИЦ потврђују радни изолациони напон од 445Врмс, што га чини погодним изолатором за употребу у опреми за индустријску аутоматизацију.