- Typy galvanické izolace
- Izolace signálu
- Izolace úrovně výkonu
- Kondenzátory jako izolátor
- Galvanické oddělení - Aplikace
- Praktický příklad galvanické izolace
Průměrná domácí mikrovlnná trouba pracující na střídavý proud 110 / 220V může v ní vyprodukovat až 2 800 V, což je nebezpečně smrtelné. Kromě toho má také nižší úroveň střídavého napětí kolem 3,5 V pro rozsvícení vlákna a regulované stejnosměrné napětí jako 5 V / 3,3 V pro část digitální elektroniky, jako je displej nebo časovače. Přemýšleli jste někdy, co brání tomu, aby se tato vysoká napětí dostávala k vašim prstům pomocí tlačítek nebo krytu, když se dotknete trouby? Odpověď na vaši otázku je „izolace“. Při navrhování elektronických výrobků zahrnujících více než jeden typ signálu nebo více než jedno provozní napětí se používá izolace, která zabrání tomu, aby jeden signál pokazil druhý. Rovněž hraje zásadní roli v bezpečnosti tím, že předchází poruchovým stavům průmyslových výrobků. Tato izolace se obecně označuje jako galvanická izolace. Proč pojem „galvanický“? Je to proto, že galvanický představuje proud produkovaný nějakým druhem chemického působení, a protože tento proud izolujeme přerušením kontaktu vodiče, nazývá se galvanická izolace.
Existuje několik typů technik galvanické izolace a výběr toho správného závisí na typu izolace, odolnosti vůči kapacitě, aplikačním požadavkům a samozřejmě je zahrnut i nákladový faktor. V tomto článku se dozvíme o různých typech izolace, o tom, jak fungují a kde je použít v našich návrzích.
Typy galvanické izolace
- Izolace signálu
- Izolace úrovně výkonu
- Kondenzátory jako izolátor
Izolace signálu
Izolace úrovně signálu je vyžadována tam, kde dva obvody různé povahy vzájemně komunikují pomocí nějakého typu signálu. Například dva obvody využívající nezávislý zdroj energie a pracující na různých úrovních napětí. V takových případech je pro izolaci jednotlivé země dvou nezávislých zdrojů energie a pro komunikaci mezi těmito dvěma obvody nutná izolace úrovně signálu.
Izolace signálu se provádí pomocí různých typů izolátorů. Optické a elektromagnetické izolátory se používají hlavně pro účely izolace signálů. Oba tyto izolátory chrání různé pozemní zdroje před kombinováním. Každý izolátor má svůj vlastní jedinečný provozní princip a aplikaci, které jsou popsány níže.
1. Optické izolátory
Optický izolátor používá ke komunikaci mezi dvěma nezávislými obvody světla. Optické izolátory aka Optocoupler mají obvykle uvnitř jediného křemíkového čipu dvě složky, diodu emitující světlo a fototranzistor. LED je ovládána jedním obvodem a strana tranzistoru je spojena s druhým obvodem. Proto LED a tranzistor nejsou elektricky spojeny. Komunikace probíhá pouze světelně, opticky.
Zvažte výše uvedený obrázek. Populární optoizolátor PC817 izoluje dva nezávislé obvody. Obvod 1 je zdroj energie se spínačem, obvod 2 je výstup logické úrovně připojený k jinému napájení 5 V. Logický stav je řízen levým obvodem. Když je spínač zavřený, rozsvítí se LED uvnitř optočlenu a zapne tranzistor. Logický stav se změní z vysokého na nízký.
Obvod 1 a obvod 2 jsou izolovány pomocí výše uvedeného obvodu. Galvanické oddělení je pro výše uvedený obvod velmi užitečné. Existuje několik situací, kdy vysoký potenciál zemního hluku indukovaný v zemi s nízkým potenciálem vytváří zemní smyčku, která dále odpovídá za nepřesná měření. Podobně jako u PC817 existuje mnoho typů optočlenů pro různé aplikační požadavky.
2. Elektromagnetické izolátory
Optoizolátory jsou užitečné pro izolaci stejnosměrného signálu, ale elektromagnetické izolátory, jako jsou malé signální transformátory, jsou užitečné pro izolaci střídavého signálu. Transformátory, jako je audio transformátor, mají své primární a sekundární strany izolované, které lze použít k izolaci různých zvukových signálů. Další nejběžnější použití je v síťovém hardwaru nebo v sekci Ethernet. Pulzní transformátory se používají k izolaci vnějšího vedení s interním hardwarem. Dokonce i telefonní linky se používají izolátory signálu založené na transformátorech. Protože jsou však transformátory izolovány elektromagneticky, pracuje pouze se střídavým proudem.
Obrázek nahoře je vnitřní schéma konektoru RJ45 s integrovaným pulzním transformátorem pro oddělení části MCU od výstupu.
Izolace úrovně výkonu
K izolaci zařízení citlivých na nízký výkon od hlučných vedení s vysokým výkonem nebo naopak jsou vyžadovány izolace úrovně výkonu . Izolace úrovně výkonu také zajišťuje řádnou bezpečnost před nebezpečným napětím vedení izolováním vedení vysokého napětí od operátora a ostatních částí systému.
1. Transformátor
Oblíbeným izolátorem úrovně výkonu je opět transformátor. Existují obrovské aplikace pro transformátory, nejčastěji se používá k zajištění nízkého napětí ze zdroje vysokého napětí. Transformátor nemá spojení mezi primárním a sekundárním, ale mohl by snížit napětí z vysokého napětí na nízké napětí bez ztráty galvanické izolace.
Výše uvedený obrázek ukazuje sestupný transformátor v akci, kde je vstup primární strany připojen do zásuvky ve zdi a sekundární je připojen přes odporovou zátěž. Řádné oddělovací transformátor má poměr 1: 1 odbočky a nemají vliv na napětí nebo proudu úrovně na obou stranách. Jediným účelem izolačního transformátoru je zajistit izolaci.
2. Relé
Relé je populární izolátor s obrovským využitím v oblasti elektroniky a elektrotechniky. Na trhu s elektronikou existuje mnoho různých typů relé v závislosti na aplikaci. Populární typy jsou elektromagnetická relé a polovodičová relé.
Elektromagnetické relé pracuje s elektromagnetickými a mechanicky pohyblivými částmi, které se často označují jako póly. Obsahuje elektromagnet, který pohybuje pólem a dotváří obvod. Relé vytváří izolaci, když je třeba ovládat obvody vysokého napětí z obvodu nízkého napětí nebo naopak. V takové situaci jsou oba obvody izolované, ale jeden obvod by mohl napájet relé, aby ovládal další.
Na výše uvedeném obrázku jsou dva obvody navzájem elektricky nezávislé. Pomocí spínače na okruhu 1 však může uživatel ovládat stav zátěže obvodu 2. Zjistěte více o tom, jak lze v obvodu použít relé.
Z hlediska práce není velký rozdíl mezi polovodičovým relé a elektromechanickým relé . Polovodičová relé fungují úplně stejně, ale elektromechanická část je nahrazena opticky řízenou diodou. Galvanické oddělení lze vytvořit v důsledku absence přímého spojení mezi vstupem a výstupem polovodičových relé.
3. Hallovy snímače
Netřeba dodávat, že měření proudu je součástí elektrotechniky a elektroniky. K dispozici jsou různé typy současných metod snímání. Měření jsou často vyžadována pro cesty vysokého napětí a vysokého proudu a odečtená hodnota musí být odeslána do obvodů nízkého napětí, které jsou součástí měřicího obvodu. Také z pohledu uživatele je invazivní měření nebezpečné a nelze jej implementovat. Senzory Hall Effect poskytují přesné bezkontaktní měření proudu a pomáhají měřit proud protékající vodičem neinvazivním způsobem. Poskytuje správnou izolaci a zajišťuje bezpečnost před nebezpečnou elektřinou. Snímač Hall Effect využívá elektromagnetické pole generované napříč vodičem k odhadu proudu protékajícího vodičem.
Prsten jádra je zahnutý přes vodič neinvazivním způsobem a je elektricky izolován, jak je znázorněno na obrázku výše.
Kondenzátory jako izolátor
Nejméně populární metodou pro izolaci obvodů je použití kondenzátorů. Kvůli neefektivnosti a nebezpečným výsledkům selhání to již není upřednostňováno, ale stále víte, že by se to mohlo hodit, když chcete postavit surový izolátor. Kondenzátory blokují stejnosměrný proud a umožňují průchod vysokofrekvenčního střídavého signálu. Kvůli této vynikající vlastnosti se kondenzátor používá jako izolátory v konstrukcích, kde je třeba blokovat stejnosměrné proudy dvou obvodů, ale stále umožňuje přenos dat.
Výše uvedený obrázek ukazuje, že kondenzátory se používají k izolačním účelům. Vysílač i přijímač jsou oba izolované, ale datovou komunikaci lze provést.
Galvanické oddělení - Aplikace
Galvanická izolace je velmi důležitá a aplikace je obrovská. Je to důležitý parametr ve spotřebním zboží i v průmyslovém, lékařském a komunikačním sektoru. Na trhu s průmyslovou elektronikou je galvanické oddělení vyžadováno pro systémy distribuce energie, generátory energie, měřicí systémy, řídicí jednotky motorů, logická zařízení vstup-výstup atd.
V lékařském sektoru je izolace jednou z hlavních priorit zařízení, protože zdravotnické prostředky lze přímo spojit s těly pacienta. Taková zařízení jsou EKG, endoskopy, defibrilátory, různé druhy zobrazovacích zařízení. Komunikační systémy na úrovni spotřebitele také používají galvanické oddělení. Běžným příkladem je Ethernet, směrovače, přepínače, telefonní spínače atd. Normální spotřební zboží, jako jsou nabíječky, SMPS, logické desky počítače, jsou nejběžnějšími produkty, které používají galvanické oddělení.
Praktický příklad galvanické izolace
Níže uvedený obvod je typickým aplikačním obvodem galvanicky izolovaného Full-duplexního IC MAX14852 (pro komunikační rychlost 500 kbps) nebo MAX14854 (pro komunikační rychlost 25 Mbps) na komunikační lince RS-485 s jednotkou mikrokontroléru. Integrovaný obvod vyrábí populární společnost zabývající se výrobou polovodičů Maxim Integrated.
Tento příklad je jedním z nejlepších příkladů galvanického oddělení na průmyslových zařízeních. RS-485 je široce používaný tradiční komunikační protokol používaný v průmyslových zařízeních. Populární použití RS-485 je použití protokolu MODBUS přes segment TTL.
Předpokládejme, že vysokonapěťový střídavý transformátor poskytuje data senzorů, která jsou instalována uvnitř transformátoru, pomocí protokolu RS-485. Aby bylo možné získat data z transformátoru, je třeba připojit zařízení PLC s portem RS-485. Ale problém je v přímé komunikační lince. PLC používá velmi nízkou úroveň napětí a je velmi citlivý s vysokým ESD nebo rázem. Pokud je použito přímé připojení, může být PLC vystaveno vysokému riziku a musí být galvanicky odděleno.
Tyto integrované obvody jsou velmi užitečné k ochraně PLC před ESD nebo přepětím.
Podle datového listu mají oba integrované obvody výdržnou kapacitu +/- 35 kV ESD a 2,75 kVrms vydrží izolační napětí až 60 sekund. Nejen to, ale tyto integrované obvody také potvrzují pracovní izolační napětí 445 Vrms, což z něj činí vhodný izolátor pro použití v zařízeních průmyslové automatizace.