Galvanisk isolering - signalisolering och effektisolering

En genomsnittlig hushålls mikrovågsugn som arbetar vid 110 / 220V AC kan producera upp till 2800V inuti den, vilket är farligt dödligt. Förutom att den också har en lägre nivå växelströmsspänning runt 3,5V för att tända glödtråden och en reglerad likspänning som 5V / 3.3V för den digitala elektronikdelen som skärmen eller timers att fungera. Har du någonsin undrat vad som förhindrar att dessa höga spänningar når ut till fingrarna genom knapparna eller höljet när du rör vid ugnen? Svaret på din fråga är "isolering". Vid utformning av elektronikprodukter som involverar mer än en typ av signal eller mer än en driftsspänning används isolering för att förhindra att en signal förstör den andra. Det spelar också en viktig roll i säkerheten genom att förhindra felförhållanden i produkter av industriell kvalitet. Denna isolering kallas vanligtvis galvanisk isolering. Varför termen ”galvanisk”? Det beror på att galvanik representerar strömmen som produceras av någon form av kemisk verkan, och eftersom vi isolerar denna ström genom att bryta ledarkontakten kallas den Galvanisk isolering.

Det finns flera typer av galvaniska isoleringstekniker och att välja rätt beror på typen av isolering, tål kapacitet, applikationskrav och uppenbarligen är också kostnadsfaktorn involverad. I den här artikeln kommer vi att lära oss om de olika typerna av isolering, hur de fungerar och var de ska användas i våra mönster.

Typer av galvanisk isolering

• Signalisolering
• Effektnivåisolering
• Kondensatorer som isolator

Signalisolering

Signalnivåisolering krävs där två kretsar av olika natur kommunicerar med varandra med hjälp av någon typ av signal. Till exempel två kretsar som använder oberoende strömkälla och arbetar med olika spänningsnivåer. I sådana fall krävs signalnivåisolering för att isolera den enskilda marken för två oberoende kraftkällor och för att kommunicera mellan dessa två kretsar.

Signalisolering görs med olika typer av isolatorer. Optiska och elektromagnetiska isolatorer används huvudsakligen för signalisoleringsändamål. Båda dessa isolatorer skyddar de olika markkällorna från att kombineras. Varje isolator har sin egen unika arbetsprincip och tillämpning som diskuteras nedan.

1. Optiska isolatorer

Optisk isolator använder lampor för att kommunicera mellan två oberoende kretsar. Vanligtvis har optiska isolatorer, aka Optocoupler, två komponenter inuti ett enda kiselchip, en ljusdiod och en fototransistor. Lysdioden styrs av den ena kretsen och transistorsidan är ansluten till den andra kretsen. Därför är inte LED och transistorn elektriskt anslutna. Kommunikationen sker endast med ljus, optiskt.

Tänk på bilden ovan. En populär optoisolator PC817 isolerar två oberoende kretsar. Krets 1 är strömkällan med en omkopplare, krets 2 är en logisk nivåutgång ansluten till en annan 5V-matning. Det logiska tillståndet styrs av den vänstra kretsen. När strömbrytaren stängs tänds lysdioden inuti optokopplaren och slår på transistorn. Logiktillståndet kommer att ändras från Hög till Låg.

Kretsen 1 och kretsen 2 är isolerade med hjälp av ovanstående krets. Galvanisk isolering är mycket användbar för ovanstående krets. Det finns flera situationer där det höga potentiella markbuller som induceras i den lågpotentiala marken och skapar en jordslinga som ytterligare ansvarar för felaktiga mätningar. I likhet med PC817 finns det många typer av optokopplare för olika applikationskrav.

2. Elektromagnetiska isolatorer

Optoisolatorer är användbara för DC-signalisolering, men elektromagnetiska isolatorer såsom små signalomvandlare är användbara för AC-signalisolering. Transformatorer som ljudtransformator har sina primära och sekundära sidor isolerade som kan användas för olika ljudsignalisolering. En annan vanligaste användningen är nätverkshårdvara eller Ethernet-sektion. Pulstransformatorer används för att isolera den externa ledningen med intern hårdvara. Även telefonlinjer används transformatorbaserade signalisolatorer. Men eftersom transformatorer isoleras elektromagnetiskt fungerar de bara med AC.

Ovanför bilden är det interna schemat för RJ45-uttaget med integrerad pulstransformator för att isolera MCU-delen med utgången.

Effektnivåisolering

Effektnivåisoleringar krävs för att isolera lågeffektiva enheter från högeffektiva ljudledningar eller tvärtom. Effektnivåisolering ger också korrekt säkerhet från farliga nätspänningar genom att isolera högspänningsledningarna från operatören och andra delar av systemet.

1. Transformator

Den populära effektnivåisolatorn är återigen en transformator. Det finns enorma applikationer för transformatorer. Den vanligaste användningen är att tillhandahålla låg spänning från en högspänningskälla. Transformatorn har inga anslutningar mellan primär och sekundär men kan minska spänningen från högspänning AC till lågspänning AC utan att förlora den galvaniska isoleringen.

Ovanstående bild visar en nedtransformator i aktion där den primära sidoingången är ansluten till vägguttaget och den sekundära är ansluten över en resistiv belastning. En ordentlig isoleringstransformator har ett förhållande 1: 1 varv och ändrar inte spänningen eller strömnivån på båda sidor. Det enda syftet med isoleringstransformatorn är att tillhandahålla isolering.

2. Reläer

Relä är en populär isolator med en enorm applikation inom elektronik och el. Det finns många olika typer av reläer tillgängliga på elektronikmarknaden beroende på applikation. Populära typer är elektromagnetiska reläer och halvledarreläer.

Ett elektromagnetiskt relä fungerar med elektromagnetiska och mekaniskt rörliga delar som ofta kallas poler. Den innehåller en elektromagnet som rör polen och fullbordar kretsen. Relä skapar isolering när högspänningskretsar måste styras från en lågspänningskrets eller vice versa. I en sådan situation är båda kretsarna isolerade men en krets kan aktivera reläet för att styra en annan.

I bilden ovan är två kretsar elektriskt oberoende av varandra. Men genom att använda omkopplaren på krets-1 kan användaren styra tillståndet för belastningen på krets 2. Lär dig mer om hur ett relä kan användas i en krets.

Det är inte mycket skillnad mellan Solid State Relay och elektromekaniskt relä när det gäller arbete. Halvledarreläer fungerar exakt samma men den elektromekaniska delen ersätts med en optiskt styrd diod. Den galvaniska isoleringen kan byggas upp på grund av frånvaron av en direkt anslutning mellan in- och utgången från halvledarreläer.

3. Halleffektsensorer

Det behöver inte sägas att strömmätning är en del av elektroteknik. Det finns olika typer av aktuella avkänningsmetoder tillgängliga. Mätningarna krävs ofta för högspännings- och högströmsvägar och det avlästa värdet måste skickas till en lågspänningskrets som är en del av mätkretsen. Även ur användarperspektivet är invasiv mätning farlig och omöjlig att genomföra. Hall Effect-sensorer ger kontaktlös strömmätning exakt och hjälper till att mäta strömmen som strömmar genom en ledare på ett icke-invasivt sätt. Det ger korrekt isolering och säkerställer säkerhet från farlig elektricitet. Hall Effect-sensorn använder elektromagnetiskt fält genererat över ledaren för att uppskatta strömmen som flyter genom den.

Kärnringen hakas över en ledare på ett icke-invasivt sätt och den isoleras elektriskt som visas på bilden ovan.

Kondensatorer som isolator

Den minst populära metoden för att isolera kretsar är att använda kondensatorer. På grund av ineffektivitet och farliga felresultat är detta inte längre att föredra, men man vet fortfarande att det kan vara till nytta när man vill bygga en rå isolator. Kondensatorer blockerar DC och tillåter överföring av högfrekvent växelströmssignal. På grund av denna utmärkta egenskap används kondensatorn som isolatorer i konstruktioner där likströmmar i två kretsar behöver blockeras men ändå möjliggör dataöverföring.

Ovanstående bild visar kondensatorer används för isoleringsändamål. Sändaren och mottagaren är båda isolerade, men datakommunikationen kan göras.

Galvanisk isolering - applikationer

Galvanisk isolering är mycket viktigt och applikationen är enorm. Det är en viktig parameter i såväl konsumtionsvaror som inom industri, medicin och kommunikation. På en industriell elektronikmarknad krävs galvanisk isolering för kraftdistributionssystem, kraftgeneratorer, mätsystem, motorstyrenheter, ingångs- och utgångslogiska enheter etc.

Inom den medicinska sektorn är isolering en av de viktigaste prioriteringarna för utrustningen, eftersom medicintekniska produkter kan anslutas direkt till patientens kroppar. Sådana enheter är EKG, endoskop, defibrillatorer, olika typer av fantasianordningar. Kommunikationssystem på konsumentnivå använder också galvanisk isolering. Ett vanligt exempel är Ethernet, routrar, omkopplare, telefonomkopplare etc. Normala konsumtionsvaror, som laddare, SMPS, datorns logikkort är de vanligaste produkterna som använder galvanisk isolering.

Praktiskt exempel på galvanisk isolering

Nedanstående krets är en typisk applikationskrets av galvaniskt isolerad full-duplex IC MAX14852 (för 500 kbps kommunikationshastighet) eller MAX14854 (för 25 Mbps kommunikationshastighet) på RS-485 kommunikationslinje med mikrostyrenheten. IC tillverkas av det populära halvledartillverkningsföretaget Maxim Integrated.

Detta exempel är ett av de bästa exemplen på galvanisk isoleringsexempel på industriell utrustning. RS-485 är ett allmänt använt traditionellt kommunikationsprotokoll som används i industriell utrustning. Den populära användningen av RS-485 är att använda MODBUS- protokollet över TTL-segmentet.

Antag att en högspännings AC-transformator tillhandahåller sensordata som installeras inuti transformatorn via RS-485-protokollet. Man måste ansluta en PLC-enhet med en RS-485-port för att skörda data från transformatorn. Men problemet ligger i den direkta kommunikationslinjen. PLC använder mycket låg spänningsnivå och mycket känslig med hög ESD eller överspänning. Om en direktanslutning används kan PLC vara i hög risk och måste isoleras galvaniskt.

Dessa IC: er är mycket användbara för att skydda PLC: n från ESD eller störningar.

Enligt databladet har båda IC-enheterna en motståndskapacitet på +/- 35kV ESD och 2,75kVrms tål isolationsspänning upp till 60 sekunder. Inte bara detta, men dessa IC bekräftar också 445Vrms Arbetsisolationsspänning, vilket gör den till en lämplig isolator för användning i industriell automatiseringsutrustning.