- Galvaniskās izolācijas veidi
- Signāla izolēšana
- Jaudas līmeņa izolēšana
- Kondensatori kā izolators
- Galvaniskā izolācija - pielietojums
- Galvaniskās izolācijas praktiskais piemērs
Vidēja mājsaimniecības mikroviļņu krāsns, kas darbojas ar maiņstrāvu 110 / 220V, tās iekšpusē var radīt līdz pat 2800 V, kas ir bīstami letāli. Papildus tam tam ir arī zemāka līmeņa maiņstrāvas spriegums ap 3,5 V, lai iedegtu kvēldiegu, un regulēts līdzstrāvas spriegums, piemēram, 5 V / 3,3 V, lai darbotos digitālās elektronikas daļas, piemēram, displejs vai taimeri. Vai esat kādreiz domājis, kas traucē šiem augstajiem spriegumiem piekļūt pirkstiem caur pogām vai korpusu, kad pieskaraties krāsnim? Atbilde uz jūsu jautājumu ir “izolācija”. Projektējot elektronikas izstrādājumus, kas saistīti ar vairāk nekā viena veida signāliem vai vairāk nekā vienu darba spriegumu, tiek izmantota izolācija, lai viens signāls netiktu sajaukts ar otru. Tam ir arī būtiska loma drošībā, novēršot bojājumus rūpnieciskas kvalitātes izstrādājumos. Šo izolāciju parasti sauc par galvanisko izolāciju. Kāpēc termins “Galvanic”? Tas ir tāpēc, ka galvanika attēlo strāvu, ko rada kāda veida ķīmiska darbība, un, tā kā mēs izolējam šo strāvu, pārtraucot vadītāja kontaktu, to sauc par galvanisko izolāciju.
Ir vairāki galvaniskās izolācijas paņēmienu veidi, un pareizā izvēle ir atkarīga no izolācijas veida, jaudas izturības, pielietošanas prasībām un acīmredzami ir iesaistīts arī izmaksu faktors. Šajā rakstā mēs uzzināsim par dažādiem izolācijas veidiem, to darbību un vietu, kur tos izmantot mūsu dizainā.
Galvaniskās izolācijas veidi
- Signāla izolēšana
- Jaudas līmeņa izolēšana
- Kondensatori kā izolators
Signāla izolēšana
Signāla līmeņa izolācija ir nepieciešama, ja divas dažāda rakstura ķēdes savā starpā sazinās, izmantojot kāda veida signālu. Piemēram, divas ķēdes, kurās tiek izmantots neatkarīgs enerģijas avots un kas darbojas ar dažādu sprieguma līmeni. Šādos gadījumos ir nepieciešama signāla līmeņa izolācija, lai izolētu divu neatkarīgu enerģijas avotu atsevišķo zemi un sazinātos starp šīm divām ķēdēm.
Signāla izolācija tiek veikta, izmantojot dažāda veida izolatorus. Signāla izolēšanai galvenokārt tiek izmantoti optiskie un elektromagnētiskie izolatori . Abi šie izolatori pasargā dažādus zemes avotus no apvienošanās. Katram izolatoram ir savs unikālais darbības princips un pielietojums, kas ir aplūkoti turpmāk.
1. Optiskie izolatori
Optiskais izolators izmanto gaismas, lai sazinātos starp divām neatkarīgām ķēdēm. Parasti optiskajiem izolatoriem jeb Optocoupler vienā silīcija mikroshēmā ir divi komponenti, gaismas diode un fototransistors. Gaismas diodi kontrolē viena ķēde, un tranzistora puse ir savienota ar otru ķēdi. Tāpēc LED un tranzistors nav elektriski savienoti. Komunikāciju veic tikai gaismas, optiski.
Apsveriet iepriekš minēto attēlu. Populārs optoizolators PC817 izolē divas neatkarīgas shēmas. 1. ķēde ir strāvas avots ar slēdzi, 2. ķēde ir loģiskā līmeņa izeja, kas savienota ar citu 5 V barošanu. Loģisko stāvokli kontrolē kreisā ķēde. Kad slēdzis tiek aizvērts, iedegas gaismas diode optronu iekšpusē un ieslēdz tranzistoru. Loģikas stāvoklis tiks mainīts no High uz Low.
1. un 2. ķēde ir izolēta, izmantojot iepriekš minēto shēmu. Galvaniskā izolācija ir ļoti noderīga iepriekš minētajai ķēdei. Pastāv vairākas situācijas, kad augsts potenciāls zemes troksnis, ko izraisa zema potenciālā grunts, rada zemes cilpu, kas papildus ir atbildīga par neprecīziem mērījumiem. Līdzīgi kā PC817, ir daudz Optocoupler veidu dažādām lietojuma prasībām.
2. Elektromagnētiskie izolatori
Optoizolatori ir noderīgi līdzstrāvas signāla izolēšanai, bet elektromagnētiskie izolatori, piemēram, mazi signālu transformatori, ir noderīgi maiņstrāvas signāla izolācijai. Transformatoru, piemēram, audio transformatora, galvenā un sekundārā puse ir izolēta, ko var izmantot dažādu audio signālu izolēšanai. Vēl viena visizplatītākā lietošana ir tīkla aparatūra vai Ethernet sadaļa. Impulsu transformatorus izmanto, lai izolētu ārējo elektroinstalāciju ar iekšējo aparatūru. Pat telefona līnijas tiek izmantotas uz transformatora balstītiem signālu izolatoriem. Bet, tā kā transformatorus izolē elektromagnētiski, tas darbojas tikai ar maiņstrāvu.
Virs attēla ir RJ45 domkrata iekšējā shēma ar integrētu impulsa transformatoru, lai izolētu MCU daļu ar izeju.
Jaudas līmeņa izolēšana
Jaudas līmeņa izolācija ir nepieciešama, lai izolētu mazjaudas jutīgas ierīces no lielas jaudas trokšņainām līnijām vai otrādi. Arī jaudas līmeņa izolācija nodrošina pienācīgu drošību no bīstama līnijas sprieguma, izolējot augstsprieguma līnijas no operatora un citām sistēmas daļām.
1. Transformators
Populārais jaudas līmeņa izolators atkal ir transformators. Transformatoriem ir milzīgas lietojumprogrammas, kuras visbiežāk tiek nodrošinātas ar zemu spriegumu no augstsprieguma avota. Transformatoram nav savienojumu starp primāro un sekundāro, taču tas varētu pazemināt spriegumu no augstsprieguma maiņstrāvas līdz zemsprieguma maiņstrāvai, nezaudējot galvanisko izolāciju.
Iepriekš redzamajā attēlā redzams, kā darbojas pazemināts transformators, kur primārā sānu ieeja ir pievienota sienas kontaktligzdai, bet sekundārā - pāri pretestības slodzei. Pareiza izolācija transformators ir 1: 1 apgriezieniem attiecību un nemaina spriegumu vai pašreizējo līmeni abās pusēs. Izolācijas transformatora vienīgais mērķis ir nodrošināt izolāciju.
2. Releji
Relejs ir populārs izolators ar milzīgu pielietojumu elektronikas un elektrotehnikas jomā. Atkarībā no lietojuma elektronikas tirgū ir pieejami daudz dažādu veidu releji. Populārie veidi ir elektromagnētiskie releji un cietvielu releji.
Elektromagnētiskais relejs darbojas ar elektromagnētiskām un mehāniski kustīgām daļām, kuras bieži dēvē par poliem. Tas satur elektromagnētu, kas pārvieto polu un pabeidz ķēdi. Relejs rada izolāciju, kad augstsprieguma ķēdes jāvada no zemsprieguma ķēdes vai otrādi. Šādā situācijā abas ķēdes ir izolētas, bet viena ķēde varētu aktivizēt releju, lai kontrolētu citu.
Iepriekš redzamajā attēlā divas ķēdes ir elektriski neatkarīgas viena no otras. Bet, izmantojot 1. ķēdes slēdzi, lietotājs var kontrolēt 2. ķēdes slodzes stāvokli. Uzziniet vairāk par to, kā releju var izmantot ķēdē.
Darba ziņā nav lielas atšķirības starp cietvielu releju un elektromehānisko releju . Cietvielu releji darbojas tieši tāpat, bet elektromehāniskā daļa tiek aizstāta ar optiski vadāmu diode. Galvanisko izolāciju var izveidot, jo nav tieša savienojuma starp cietvielu releju ieeju un izeju.
3. Zāles efekta sensori
Lieki teikt, ka strāvas mērīšana ir daļa no elektrotehnikas un elektronikas. Ir pieejami dažāda veida pašreizējie uztveršanas paņēmieni. Bieži mērījumi ir nepieciešami augstsprieguma un lielas strāvas ceļiem, un nolasītā vērtība ir jānosūta uz zemsprieguma shēmu, kas ir mērījumu ķēdes sastāvdaļa. Arī no lietotāja viedokļa invazīvais mērījums ir bīstams un to nav iespējams īstenot. Hall efekta sensori nodrošina precīzu bezkontakta strāvas mērīšanu un palīdz neinvazīvā veidā izmērīt strāvu, kas plūst caur vadītāju. Tas nodrošina pareizu izolāciju un nodrošina drošību no bīstamās elektrības. Hall efekta sensors izmanto elektromagnētisko lauku, kas ģenerēts pāri vadītājam, lai novērtētu caur to plūstošo strāvu.
Galvenais gredzens ir neuzkrītoši piestiprināts pie vadītāja un ir elektriski izolēts, kā parādīts attēlā iepriekš.
Kondensatori kā izolators
Vismazāk populārā ķēžu izolēšanas metode ir kondensatoru izmantošana. Neefektivitātes un bīstamu neveiksmju dēļ tam vairs netiek dota priekšroka, taču joprojām zināt, ka tas var būt noderīgi, ja vēlaties izveidot neapstrādātu izolatoru. Kondensatori bloķē līdzstrāvu un ļauj nodot augstas frekvences maiņstrāvas signālu. Pateicoties šai izcilajai īpašībai, kondensators tiek izmantots kā izolatori projektos, kur divu ķēžu līdzstrāvas strāvas ir jābloķē, bet tomēr ļaujot pārraidīt datus.
Iepriekš redzamajā attēlā redzams, ka kondensatori tiek izmantoti izolēšanai. Raidītājs un uztvērējs abi ir izolēti, taču datu sakarus var veikt.
Galvaniskā izolācija - pielietojums
Galvaniskā izolācija ir ļoti būtiska, un tās pielietojums ir milzīgs. Tas ir svarīgs parametrs patēriņa precēm, kā arī rūpniecības, medicīnas un sakaru nozarē. Jo rūpnieciskās elektronikas tirgū, galvaniskie izolācija ir nepieciešama Power izplatīšanas sistēmām, strāvas ģeneratori, mērīšanas sistēmas, motora vadības ierīces, Input-Output loģikas ierīces, uc
Jo medicīnas nozarē, izolācija ir viena no galvenajām prioritātēm aprīkojumu, kā medicīnas ierīces var tieši saistīts ar pacientu organizācijām. Šādas ierīces ir EKG, endoskopi, defibrilatori, dažāda veida iztēles ierīces. Patērētāja līmeņa sakaru sistēmās tiek izmantota arī galvaniskā izolācija. Viens izplatīts piemērs ir Ethernet, maršrutētāji, komutatori, tālruņu slēdži utt. Parastās patēriņa preces, piemēram, lādētāji, SMPS, datora loģiskās plates ir visizplatītākie produkti, kas izmanto galvanisko izolāciju.
Galvaniskās izolācijas praktiskais piemērs
Zemāk redzamā shēma ir tipiska galvaniski izolētas pilna dupleksa IC MAX14852 (500 kbps sakaru ātrumam) vai MAX14854 (25 Mbps sakaru ātrumam) lietošanas shēma RS-485 sakaru līnijā ar mikrokontroliera bloku. IC ražo populārais pusvadītāju ražošanas uzņēmums Maxim Integrated.
Šis piemērs ir viens no labākajiem rūpniecisko iekārtu galvaniskās izolācijas piemēru piemēriem. RS-485 ir plaši izmantots tradicionālais sakaru protokols, ko izmanto rūpniecības iekārtās. RS-485 ir populāra MODBUS protokola izmantošana TTL segmentā.
Pieņemsim, ka augstsprieguma maiņstrāvas transformators nodrošina sensoru datus, kas tiek uzstādīti transformatorā, izmantojot RS-485 protokolu. Lai savāktu datus no transformatora, ir jāpievieno PLC ierīce ar RS-485 portu. Bet problēma ir tiešās komunikācijas līnijā. PLC izmanto ļoti zemu sprieguma līmeni un ļoti jutīgi ar augstu ESD vai pārspriegumu. Ja tiek izmantots tiešais savienojums, PLC var būt pakļauts lielam riskam, un tam jābūt izolētam galvaniski.
Šie IC ir ļoti noderīgi, lai aizsargātu PLC no ESD vai pārsprieguma.
Kā norādīts datu lapā, abiem IC ir izturība +/- 35kV ESD un 2,75kVrms iztur izolācijas spriegumu līdz 60 sekundēm. Ne tikai tas, bet šie IC arī apstiprina 445Vrms darba izolācijas spriegumu, padarot to par piemērotu izolatoru, ko izmantot rūpnieciskās automatizācijas iekārtās.