- A galvanikus szigetelés típusai
- Jelszigetelés
- Teljesítményszint elkülönítése
- Kondenzátorok, mint izolátor
- Galvanikus szigetelés - alkalmazások
- Gyakorlati példa a galvanikus szigetelésre
Egy átlagos háztartási mikrohullámú sütő 110 / 220V AC feszültség mellett akár 2800V feszültséget is képes előállítani benne, ami veszélyesen halálos. Emellett alacsonyabb, 3,5 V körüli váltakozó feszültséggel rendelkezik, hogy megvilágítsa az izzószálat, és szabályozott egyenfeszültség, például 5 V / 3,3 V a digitális elektronikai részhez, például a kijelző vagy az időzítők működéséhez. Gondolkodott már azon, hogy mi akadályozza meg ezeket a magas feszültségeket abban, hogy a sütő megérintésekor a gombokon vagy a házon keresztül elérje az ujjait? A válasz a kérdésedre az „elszigeteltség”. Ha egynél több jelfajtát vagy egynél több üzemi feszültséget magában foglaló elektronikai termékeket terveznek, akkor szigeteléssel megakadályozzák az egyik jel elrontását a másikkal. Ugyancsak létfontosságú szerepet játszik a biztonságban azáltal, hogy megakadályozza az ipari minőségű termékek hibakörülményeit. Ezt az elszigetelést általában galvanikus izolációnak nevezik. Miért a „galvanikus” kifejezés? Ennek oka, hogy a galván valamilyen kémiai hatás által előállított áramot képviseli, és mivel ezt az áramot a vezető érintkezésének megszakításával izoláljuk, galvánikus izolációnak nevezzük.
A galvánszigetelési technikáknak több típusa létezik, és a megfelelő kiválasztása a szigetelés típusától, a kapacitás elviselésétől, az alkalmazási követelményektől és nyilvánvalóan a költségtényezőtől is függ. Ebben a cikkben megismerhetjük az elszigeteltség különféle típusait, működésüket és hol alkalmazhatjuk őket a terveinkben.
A galvanikus szigetelés típusai
- Jelszigetelés
- Teljesítményszint elkülönítése
- Kondenzátorok, mint izolátor
Jelszigetelés
A jelszint leválasztására akkor van szükség, ha két különböző jellegű áramkör kommunikál egymással valamilyen típusú jel használatával. Például két áramkör, független áramforrást használva, különböző feszültségszintű működtetéssel. Ilyen esetekben két független áramforrás egyedi földjének leválasztására és e két áramkör közötti kommunikációra jelszintű elválasztásra van szükség.
A jelszigetelést különböző típusú izolátorok alkalmazásával végezzük. Az optikai és elektromágneses leválasztókat elsősorban jelszigetelés céljából használják. Mindkét izolátor megvédi a különböző földi forrásokat az összeolvadástól. Minden izolátornak megvan a maga egyedi működési elve és alkalmazása, amelyeket az alábbiakban tárgyalunk.
1. Optikai szigetelők
Az optikai leválasztó fényekkel kommunikál két független áramkör között. Az Optocoupler néven ismert optikai leválasztóknak általában két alkatrésze van egyetlen szilícium chipben, egy fénykibocsátó dióda és egy fototranzisztor. A LED-et az egyik áramkör vezérli, a tranzisztor oldala pedig a másik áramkörrel van összekötve. Ezért a LED és a tranzisztor nincs elektromosan csatlakoztatva. A kommunikációt optikailag csak a lámpák végzik.
Tekintsük a fenti képet. Egy népszerű PC817 optoizolátor két független áramkört különít el. Az 1. áramkör egy áramforrás egy kapcsolóval, a 2. áramkör egy logikai szintű kimenet, amely egy másik 5 V-os tápellátással van összekötve. A logikai állapotot a bal áramkör vezérli. A kapcsoló zárásakor az optocsatoló belsejében lévő LED kigyullad és bekapcsolja a tranzisztort. A logikai állapot Magasról alacsonyra változik.
Az 1. és a 2. áramkört a fenti áramkör segítségével izoláljuk. A galvanikus szigetelés nagyon hasznos a fenti áramkör számára. Számos olyan helyzet van, amikor az alacsony potenciálú talajban kiváltott nagy potenciális talajzaj földhurkot hoz létre, amely tovább felelős a pontatlan mérésekért. A PC817-hez hasonlóan sokféle optocsatoló létezik a különböző alkalmazási követelményeknek.
2. Elektromágneses izolátorok
Az optoizolátorok hasznosak az egyenáramú jelszigeteléshez, de az elektromágneses leválasztók, például a kis jelátalakítók az AC jelszigeteléshez. A transzformátorok, mint például az audio transzformátor, elsődleges és szekunder oldalát elkülönítették, amelyek felhasználhatók a különböző hangjelek elkülönítésére. Egy másik leggyakoribb alkalmazás a hálózati hardver vagy az Ethernet rész. Impulzus transzformátorokat használnak a külső vezetékek belső hardverrel történő leválasztására. Még telefonvonalakat is használnak transzformátor alapú jelszigetelők. De mivel a transzformátorokat elektromágnesesen izolálják, csak AC-vel működik.
A fenti képen látható az RJ45 aljzat belső vázlata integrált impulzus transzformátorral az MCU rész kimenettel történő leválasztására.
Teljesítményszint elkülönítése
Teljesítményszintű leválasztásokra van szükség az alacsony energiafogyasztásra érzékeny eszközök elkülönítéséhez a nagy teljesítményű, zajos vonalaktól vagy fordítva. A teljesítményszint-leválasztás megfelelő biztonságot nyújt a veszélyes hálózati feszültségektől azáltal, hogy leválasztja a nagyfeszültségű vezetékeket a kezelőtől és a rendszer egyéb részeitől.
1. Transzformátor
A népszerű teljesítményszint-leválasztó ismét egy transzformátor. Hatalmas alkalmazások vannak a transzformátorok számára, amelyekben általában alacsony feszültséget nyújtanak nagyfeszültségű forrásból. A transzformátornak nincs kapcsolata az elsődleges és a szekunder között, de a galvanikus szigetelés elvesztése nélkül csökkentheti a feszültséget a nagyfeszültségű váltóáramról az alacsonyfeszültségű váltakozó feszültségre.
A fenti kép egy lépcsőzetes transzformátort mutat be, amelynél az elsődleges oldali bemenet a fali aljzathoz, a másodlagos pedig egy ellenállási terheléshez csatlakozik. Egy megfelelő leválasztó transzformátor 1: 1 fordulási arányú, és nem változtatja meg a feszültséget vagy az áramszintet mindkét oldalon. A leválasztó transzformátor egyetlen célja a szigetelés biztosítása.
2. Relék
A Relay népszerű leválasztó, hatalmas alkalmazási lehetőséggel rendelkezik az elektronika és az elektromosság területén. Az elektronikai piacon az alkalmazástól függően sokféle relé kapható. A népszerű típusok az elektromágneses relék és a szilárdtest relék.
Az elektromágneses relé olyan elektromágneses és mechanikusan mozgatható részekkel működik, amelyeket gyakran pólusoknak neveznek. Elektromágneset tartalmaz, amely mozgatja a pólust és befejezi az áramkört. A relé szigetelést hoz létre, amikor a nagyfeszültségű áramköröket kisfeszültségű áramkörről kell irányítani, vagy fordítva. Ilyen helyzetben mindkét áramkör elszigetelt, de az egyik áramkör a relét energizálhatja egy másik vezérléséhez.
A fenti képen két áramkör elektromosan független egymástól. De az 1. áramkör kapcsolójának használatával a felhasználó szabályozhatja a 2. áramkör terhelésének állapotát. Tudjon meg többet arról, hogyan lehet egy relét használni az áramkörben.
A munka szempontjából nincs sok különbség a szilárdtest relé és az elektromechanikus relé között. A szilárdtest relék pontosan ugyanúgy működnek, de az elektromechanikus részt optikailag vezérelt diódára cserélik. A galvánszigetelés kiépíthető, mivel nincs közvetlen kapcsolat a szilárdtest relék bemenete és kimenete között.
3. Hall-effektus érzékelők
Mondanom sem kell, hogy az árammérés az elektrotechnika része. Különböző típusú érzékelési módszerek állnak rendelkezésre. Gyakran a mérések nagyfeszültségű és nagyáramú útvonalakhoz szükségesek, és az leolvasott értéket el kell küldeni egy kisfeszültségű áramkörnek, amely a mérési áramkör része. Szintén a felhasználó szempontjából az invazív mérés veszélyes és kivitelezhetetlen. A Hall Effect érzékelők pontos kontaktus nélküli mérést biztosítanak, és segítenek a vezetőn átáramló áram nem invazív módon történő mérésében. Megfelelő elszigetelést és biztonságot nyújt a veszélyes áramtól. A Hall Effect érzékelő a vezetőn keletkező elektromágneses teret használja a rajta keresztül áramló áram megbecsülésére.
A maggyűrű nem vezetői módon van a vezető fölé akasztva, és a fenti képen látható módon elektromosan el van szigetelve.
Kondenzátorok, mint izolátor
Az áramkörök leválasztására legkevésbé népszerű módszer a kondenzátorok használata. Az eredménytelenség és a veszélyes sikertelenségek miatt ezt már nem preferálják, de ennek ellenére annak ismerete hasznos lehet, ha nyers izolátort akarunk építeni. A kondenzátorok blokkolják az egyenáramot, és lehetővé teszik egy nagyfrekvenciás váltakozó jel továbbítását. Ennek a kiváló tulajdonságnak köszönhetően a kondenzátort elválasztóként használják olyan konstrukciókban, ahol két áramkör egyenáramát blokkolni kell, de az adatátvitel még mindig lehetővé válik.
A fenti képen látható, hogy a kondenzátorokat izolációs célokra használják. Az adó és a vevő is elszigetelt, de az adatkommunikáció megtehető.
Galvanikus szigetelés - alkalmazások
A galvanikus szigetelés nagyon fontos, és az alkalmazás hatalmas. Fontos paraméter a fogyasztási cikkekben, valamint az ipari, orvosi és kommunikációs szektorban. Az ipari elektronikai piacon galvánszigetelésre van szükség az áramelosztó rendszerekhez, az áramfejlesztőkhöz, a mérőrendszerekhez, a motorvezérlőkhöz, az Input-Out logikai eszközökhöz stb.
Az orvosi szektorban az izoláció az egyik legfontosabb prioritás a berendezés számára, mivel az orvostechnikai eszközök közvetlenül összekapcsolhatók a beteg testével. Ilyen eszközök az EKG, az endoszkópok, a defibrillátorok, a különféle képzelőeszközök. A fogyasztói szintű kommunikációs rendszerek szintén galvánszigetelést alkalmaznak. Az egyik leggyakoribb példa erre az Ethernet, routerek, kapcsolók, telefonkapcsolók stb. A szokásos fogyasztási cikkek, például töltők, SMPS, a számítógép logikai táblái a leggyakoribb termékek, amelyek galvánikus szigetelést alkalmaznak.
Gyakorlati példa a galvanikus szigetelésre
Az alábbi áramkör tipikus galvanikusan leválasztott teljes duplex IC MAX14852 (500 kbps sebességű kommunikációs sebességhez) vagy MAX14854 (25 Mbps sebességű kommunikációs sebességhez) alkalmazási áramkör az RS-485 kommunikációs vonalon a mikrovezérlő egységgel. Az IC-t a népszerű Maxim Integrated félvezető-gyártó cég gyártja .
Ez a példa az ipari berendezések galvánszigetelésének egyik legjobb példája. Az RS-485 egy széles körben használt hagyományos kommunikációs protokoll, amelyet ipari berendezésekben használnak. Az RS-485 népszerű használata a MODBUS protokoll alkalmazása a TTL szegmens felett.
Tegyük fel, hogy egy nagyfeszültségű váltóáramú transzformátor érzékelő adatokat szolgáltat, amelyeket RS-485 protokollon keresztül telepítenek a transzformátorba. Csatlakoztatnia kell egy PLC eszközt egy RS-485 porttal, hogy összegyűjthesse az adatokat a transzformátorról. De a probléma a közvetlen kommunikációs vonalon van. A PLC nagyon alacsony feszültségszintet használ, és nagyon érzékeny a magas ESD vagy túlfeszültség mellett. Közvetlen kapcsolat alkalmazása esetén a PLC nagy kockázatot jelenthet, és galvánilag el kell szigetelni.
Ezek az IC-k nagyon hasznosak, hogy megvédjék a PLC-t az ESD-től vagy a túlfeszültségektől.
Az adatlap szerint mindkét IC ellenállóképessége +/- 35kV ESD, és 2,75kVrms 60 másodpercig ellenáll az elszigetelő feszültségnek. Nem csak ez, de ezek az IC-k is megerősítik a 445Vrms működési-szigetelő feszültséget, így megfelelő izolátorrá váltak az ipari automatizálási berendezésekben.