- Typer af galvanisk isolering
- Signalisolering
- Effektniveauisolering
- Kondensatorer som isolator
- Galvanisk isolering - Anvendelser
- Praktisk eksempel på galvanisk isolering
En gennemsnitlig husholdnings mikrobølgeovn, der fungerer ved 110 / 220V AC, kan producere op til 2800V inde i den, hvilket er farligt dødbringende. Derudover har den også et lavere niveau vekselstrøm omkring 3,5V for at tænde glødetråden og en reguleret jævnstrømsspænding som 5V / 3,3V for den digitale elektronikdel som skærmen eller timere til at fungere. Har du nogensinde spekuleret på, hvad der forhindrer disse høje spændinger i at nå ud til dine fingre gennem knapperne eller huset, når du rører ved ovnen? Svaret på dit spørgsmål er "isolation". Ved design af elektronikprodukter, der involverer mere end en type signal eller mere end en driftsspænding, bruges isolation til at forhindre, at det ene signal ødelægger det andet. Det spiller også en vigtig rolle i sikkerheden ved at forhindre fejlforhold i produkter af industriel kvalitet. Denne isolation kaldes generelt galvanisk isolation. Hvorfor udtrykket “galvanisk”? Det er fordi galvanisk repræsenterer strømmen, der produceres ved en slags kemisk handling, og da vi isolerer denne strøm ved at bryde lederkontakten, kaldes den Galvanisk isolering.
Der er flere typer galvaniske isoleringsteknikker, og valg af den rigtige afhænger af typen af isolering, der tåler kapacitet, applikationskrav og selvfølgelig er omkostningsfaktoren også involveret. I denne artikel vil vi lære om de forskellige typer isolering, hvordan de fungerer, og hvor de skal bruges i vores designs.
Typer af galvanisk isolering
- Signalisolering
- Effektniveauisolering
- Kondensatorer som isolator
Signalisolering
Isolationsniveauisolering kræves, hvor to kredsløb af forskellig art kommunikerer med hinanden ved hjælp af en eller anden form for signal. For eksempel to kredsløb, der bruger uafhængig strømkilde og betjener forskellige spændingsniveauer. For at isolere den individuelle jord for to uafhængige strømkilder og kommunikere mellem disse to kredsløb kræves i sådanne tilfælde signalniveauisolering.
Signalisolering udføres ved hjælp af forskellige typer isolatorer. Optiske og elektromagnetiske isolatorer bruges hovedsageligt til signalisoleringsformål. Begge disse isolatorer beskytter de forskellige jordkilder mod at kombinere hinanden. Hver isolator har sit eget unikke driftsprincip og anvendelse, som diskuteres nedenfor.
1. Optiske isolatorer
Optisk isolator bruger lys til at kommunikere mellem to uafhængige kredsløb. Typisk har optiske isolatorer aka Optocoupler to komponenter inde i en enkelt siliciumchip, en lysdiode og en fototransistor. LED'en styres af det ene kredsløb, og transistorsiden er forbundet med det andet kredsløb. Derfor er LED og transistoren ikke tilsluttet elektrisk. Kommunikationen udføres kun med lys, optisk.
Overvej ovenstående billede. En populær optoisolator PC817 isolerer to uafhængige kredsløb. Kredsløb 1 er strømkilden med en switch, kredsløb 2 er et logisk niveauoutput forbundet med en anden 5V-forsyning. Den logiske tilstand styres af det venstre kredsløb. Når kontakten lukkes, lyser LED'en inde i optokobleren og tænder transistoren. Den logiske tilstand ændres fra høj til lav.
Kredsløbet 1 og kredsløb 2 er isoleret ved hjælp af ovenstående kredsløb. Galvanisk isolering er meget nyttig til ovenstående kredsløb. Der er flere situationer, hvor højpotentialet jordstøj induceret i jorden med lavt potentiale og skaber en jordsløjfe, som yderligere er ansvarlig for unøjagtige målinger. I lighed med PC817 findes der mange typer optokoblere til forskellige applikationskrav.
2. Elektromagnetiske isolatorer
Optoisolatorer er nyttige til DC-signalisolering, men elektromagnetiske isolatorer såsom små signaltransformatorer er nyttige til AC-signalisolering. Transformere som lydtransformator har deres primære og sekundære sider isoleret, som kan bruges til forskellige lydsignalisolering. En anden mest almindelig anvendelse er i netværkshardware eller Ethernet-sektion. Pulstransformatorer bruges til at isolere de eksterne ledninger med intern hardware. Selv telefonlinjer bruges transformatorbaserede signalisolatorer. Men da transformatorer isoleres elektromagnetisk, fungerer det kun med AC.
Ovenstående billede er det interne skema for RJ45-stik med integreret puls-transformer til isolering af MCU-delen med output.
Effektniveauisolering
Effektniveauisolering er påkrævet for at isolere følsomme enheder med lav effekt fra støjende linjer med høj effekt eller omvendt. Effektniveauisolering giver også korrekt sikkerhed mod farlige netspændinger ved at isolere højspændingsledningerne fra operatøren og andre dele af systemet.
1. Transformer
Den populære effektniveauisolator er igen en transformer. Der er enorme applikationer til transformere, den mest almindelige anvendelse er at levere lav spænding fra en højspændingskilde. Transformatoren har ikke forbindelser mellem primær og sekundær, men kunne nedskære spændingen fra højspænding til lavspænding uden at miste den galvaniske isolation.
Ovenstående billede viser en nedadgående transformer i aktion, hvor den primære sideindgang er forbundet til stikkontakten, og den sekundære er forbundet over en resistiv belastning. En ordentlig isolationstransformator har et forhold på 1: 1 omdrejninger og ændrer ikke spændingen eller strømniveauet på begge sider. Det eneste formål med isolationstransformatoren er at tilvejebringe isolering.
2. Relæer
Relæ er en populær isolator med en enorm applikation inden for elektronik og elektrisk. Der er mange forskellige typer relæer tilgængelige på elektronikmarkedet afhængigt af applikationen. Populære typer er elektromagnetiske relæer og solid state-relæer.
Et elektromagnetisk relæ fungerer med elektromagnetiske og mekanisk bevægelige dele, ofte omtalt som poler. Den indeholder en elektromagnet, der bevæger stangen og fuldfører kredsløbet. Relæ skaber isolation, når højspændingskredsløb skal styres fra et lavspændingskredsløb eller omvendt. I en sådan situation er begge kredsløb isoleret, men et kredsløb kan aktivere relæet til at styre et andet.
I ovenstående billede er to kredsløb elektrisk uafhængige af hinanden. Men ved at bruge kontakten på Circuit-1 kan brugeren kontrollere tilstanden af belastningen på kredsløbet 2. Lær mere om, hvordan et relæ kan bruges i et Circuit.
Der er ikke meget forskel mellem Solid State Relay og elektromekanisk relæ med hensyn til arbejde. Solid state-relæer fungerer nøjagtigt det samme, men den elektromekaniske del udskiftes med en optisk styret diode. Den galvaniske isolering kan opbygges på grund af fraværet af en direkte forbindelse mellem indgang og udgang fra solid state-relæer.
3. Hall-effekt sensorer
Det er overflødigt at sige, at strømmåling er en del af elektroteknik. Der er forskellige typer aktuelle sensormetoder til rådighed. Ofte er målingerne påkrævet for højspændings- og højstrømsveje, og den aflæste værdi skal sendes til et lavspændingskredsløb, som er en del af målekredsløbet. Også fra brugerperspektivet er invasiv måling farlig og umulig at implementere. Hall Effect-sensorer giver kontaktløs strømmåling nøjagtigt og hjælper med at måle strømmen, der strømmer gennem en leder på en ikke-invasiv måde. Det giver korrekt isolering og sikrer sikkerhed mod farlig elektricitet. Hall Effect-sensor bruger elektromagnetisk felt genereret på tværs af lederen til at estimere strømmen, der strømmer gennem den.
Kernringen er hængt over en leder på en ikke-invasiv måde, og den er elektrisk isoleret som vist på billedet ovenfor.
Kondensatorer som isolator
Den mindst populære metode til isolering af kredsløb er ved hjælp af kondensatorer. På grund af ineffektivitet og farlige fejlresultater foretrækkes dette ikke længere, men stadig at vide, at det måske kan være nyttigt, når du vil bygge en rå isolator. Kondensatorer blokerer DC og tillader overførsel af et højfrekvent AC-signal. På grund af denne fremragende egenskab bruges kondensatoren som isolatorer i design, hvor jævnstrøm fra to kredsløb skal blokeres, men stadig tillader datatransmission.
Ovenstående billede viser, at kondensatorer bruges til isoleringsformål. Senderen og modtageren er begge isolerede, men datakommunikationen kan ske.
Galvanisk isolering - Anvendelser
Galvanisk isolering er meget vigtig, og applikationen er enorm. Det er en vigtig parameter i forbrugsvarer såvel som inden for industri, medicin og kommunikation. På et industrielt elektronikmarked kræves galvanisk isolering til kraftdistributionssystemer, kraftgeneratorer, målesystemer, motorstyringer, input-output-logiske enheder osv.
I den medicinske sektor er isolering en af de vigtigste prioriteter for udstyret, da medicinsk udstyr kan forbindes direkte med patientens kroppe. Sådanne enheder er EKG, endoskoper, defibrillatorer, forskellige slags fantasienheder. Kommunikationssystemer på forbrugerniveau bruger også galvanisk isolering. Et almindeligt eksempel er Ethernet, routere, omskiftere, telefonafbrydere osv. Normale forbrugsvarer, som opladere, SMPS, computerens logicboards er de mest almindelige produkter, der bruger galvanisk isolering.
Praktisk eksempel på galvanisk isolering
Nedenstående kredsløb er et typisk applikationskredsløb af galvanisk isoleret Full-duplex IC MAX14852 (til 500 kbps kommunikationshastighed) eller MAX14854 (til 25 Mbps kommunikationshastighed) på RS-485 kommunikationslinje med mikrokontrolenheden. IC fremstilles af det populære halvlederproducerende firma Maxim Integrated.
Dette eksempel er et af de bedste eksempler på galvanisk isoleringseksempel på industrielt udstyr. RS-485 er en udbredt traditionel kommunikationsprotokol, der anvendes i industrielt udstyr. Den populære brug af RS-485 er at anvende MODBUS- protokollen over TTL-segmentet.
Antag, at en højspændings AC-transformer leverer sensordata, der er installeret inde i Transformeren via RS-485-protokollen. Man skal forbinde en PLC-enhed med en RS-485-port for at høste dataene fra transformeren. Men problemet ligger i den direkte kommunikationslinje. PLC bruger meget lavt spændingsniveau og meget følsomt med høj ESD eller bølge. Hvis der anvendes en direkte forbindelse, kan PLC være i høj risiko og skal isoleres galvanisk.
Disse IC'er er meget nyttige til at beskytte PLC'en mod ESD eller overspændinger.
I henhold til databladet har begge IC'er en modstandskapacitet på +/- 35kV ESD, og 2,75kVrms kan modstå isolationsspænding op til 60 sekunder. Ikke kun dette, men disse IC'er bekræfter også 445Vrms Arbejdsisolationsspænding, hvilket gør det til en passende isolator, der kan bruges i industriel automatiseringsudstyr.