- Τύποι γαλβανικής απομόνωσης
- Απομόνωση σήματος
- Απομόνωση επιπέδου ισχύος
- Πυκνωτές ως Απομονωτής
- Γαλβανική απομόνωση - Εφαρμογές
- Πρακτικό παράδειγμα γαλβανικής απομόνωσης
Ένας μέσος οικιακός φούρνος μικροκυμάτων που λειτουργεί στα 110 / 220V AC μπορεί να παράγει έως και 2800V μέσα του, ο οποίος είναι επικίνδυνα θανατηφόρος. Εκτός αυτού, έχει επίσης χαμηλότερη τάση AC περίπου 3,5V για να φωτίσει το νήμα και ρυθμιζόμενη τάση DC όπως 5V / 3.3V για το ψηφιακό ηλεκτρονικό τμήμα όπως η οθόνη ή οι χρονοδιακόπτες να λειτουργούν. Αναρωτηθήκατε ποτέ τι εμποδίζει αυτές τις υψηλές τάσεις να φτάσουν στα δάχτυλά σας μέσω των κουμπιών ή του περιβλήματος όταν αγγίζετε το φούρνο; Η απάντηση στην ερώτησή σας είναι «απομόνωση». Κατά το σχεδιασμό ηλεκτρονικών προϊόντων που περιλαμβάνουν περισσότερους από έναν τύπους σήματος ή περισσότερες από μία τάσεις λειτουργίας, χρησιμοποιείται απομόνωση για να αποφευχθεί η βλάβη ενός άλλου σήματος από το άλλο. Παίζει επίσης ζωτικό ρόλο στην ασφάλεια αποτρέποντας τις συνθήκες βλάβης σε προϊόντα βιομηχανικής ποιότητας. Αυτή η απομόνωση αναφέρεται γενικά ως γαλβανική απομόνωση. Γιατί ο όρος «Γαλβανικός»; Επειδή το γαλβανικό αντιπροσωπεύει το ρεύμα που παράγεται από κάποιο είδος χημικής δράσης, και δεδομένου ότι απομονώνουμε αυτό το ρεύμα διακόπτοντας την επαφή του αγωγού, ονομάζεται Γαλβανική Απομόνωση.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι γαλβανικών τεχνικών απομόνωσης και η επιλογή του σωστού εξαρτάται από τον τύπο απομόνωσης, αντέχει την ικανότητα, τις απαιτήσεις εφαρμογής και προφανώς, εμπλέκεται επίσης ο συντελεστής κόστους. Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε για τους διαφορετικούς τύπους απομόνωσης, πώς λειτουργούν και πού να τα χρησιμοποιήσουμε στα σχέδιά μας.
Τύποι γαλβανικής απομόνωσης
- Απομόνωση σήματος
- Απομόνωση επιπέδου ισχύος
- Πυκνωτές ως Απομονωτής
Απομόνωση σήματος
Απαιτείται απομόνωση επιπέδου σήματος όταν δύο κυκλώματα διαφορετικής φύσης επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας κάποιο τύπο σήματος. Για παράδειγμα, δύο κυκλώματα που χρησιμοποιούν ανεξάρτητη πηγή ισχύος και λειτουργούν διαφορετικά επίπεδα τάσης. Σε τέτοιες περιπτώσεις, για την απομόνωση της ατομικής γης δύο ανεξάρτητων πηγών ισχύος και για την επικοινωνία μεταξύ αυτών των δύο κυκλωμάτων, απαιτείται απομόνωση στάθμης σήματος.
Η απομόνωση σήματος γίνεται χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους απομονωτών. Οι οπτικοί και ηλεκτρομαγνητικοί απομονωτές χρησιμοποιούνται κυρίως για σκοπούς απομόνωσης σήματος. Και οι δύο αυτοί απομονωτές προστατεύουν τις διαφορετικές πηγές εδάφους από το να συνδυάζονται μαζί. Κάθε Isolator έχει τη δική του μοναδική αρχή λειτουργίας και εφαρμογή που συζητούνται παρακάτω.
1. Οπτικοί-απομονωτές
Ο οπτικός μονωτής χρησιμοποιεί φώτα για επικοινωνία μεταξύ δύο ανεξάρτητων κυκλωμάτων. Συνήθως, οι οπτικοί απομονωτές aka Optocoupler έχουν δύο συστατικά μέσα σε ένα μόνο τσιπ σιλικόνης, μια δίοδο εκπομπής φωτός και έναν φωτοτρανζίστορ. Το LED ελέγχεται από το ένα κύκλωμα και η πλευρά τρανζίστορ συνδέεται με το άλλο κύκλωμα. Επομένως, το LED και το τρανζίστορ δεν είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα. Η επικοινωνία γίνεται μόνο με φώτα, οπτικά.
Εξετάστε την παραπάνω εικόνα. Ένα δημοφιλές οπτικό σύστημα PC817 απομονώνει δύο ανεξάρτητα κυκλώματα. Το κύκλωμα 1 είναι η πηγή ισχύος με διακόπτη, το κύκλωμα 2 είναι έξοδος λογικού επιπέδου συνδεδεμένη με διαφορετική παροχή 5V. Η λογική κατάσταση ελέγχεται από το αριστερό κύκλωμα. Όταν ο διακόπτης κλείνει, η λυχνία LED μέσα στον οπτικό συζευκτήρα ανάβει και ανάβει το τρανζίστορ. Η κατάσταση λογικής θα αλλάξει από Υψηλή σε Χαμηλή.
Το κύκλωμα 1 και το κύκλωμα 2 απομονώνονται με χρήση του παραπάνω κυκλώματος. Η γαλβανική απομόνωση είναι πολύ χρήσιμη για το παραπάνω κύκλωμα. Υπάρχουν αρκετές καταστάσεις όπου ο υψηλός δυνατός θόρυβος εδάφους προκαλείται στο έδαφος χαμηλού δυναμικού και δημιουργεί έναν βρόχο γείωσης που ευθύνεται περαιτέρω για ανακριβείς μετρήσεις. Παρόμοια με το PC817 υπάρχουν πολλοί τύποι Optocoupler για διαφορετικές απαιτήσεις εφαρμογής.
2. Ηλεκτρομαγνητικοί απομονωτές
Οπτοαπομονωτές είναι χρήσιμα για την απομόνωση του σήματος DC, αλλά ηλεκτρομαγνητικά απομονωτές όπως μικρές μετασχηματιστές σήματος είναι χρήσιμα για την απομόνωση σήμα AC. Μετασχηματιστές όπως ο μετασχηματιστής ήχου έχουν τις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες πλευρές τους απομονωμένες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαφορετική απομόνωση σήματος ήχου. Μια άλλη πιο συνηθισμένη χρήση είναι στο υλικό δικτύου ή στην ενότητα Ethernet. Οι μετασχηματιστές παλμού χρησιμοποιούνται για την απομόνωση της εξωτερικής καλωδίωσης με εσωτερικό υλικό. Ακόμη και τηλεφωνικές γραμμές χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές με βάση τους απομονωτές σήματος. Όμως, καθώς οι μετασχηματιστές απομονώνονται με ηλεκτρομαγνητικά, λειτουργεί μόνο με AC.
Η παραπάνω εικόνα είναι το εσωτερικό σχηματικό του βύσματος RJ45 με ενσωματωμένο μετασχηματιστή παλμού για την απομόνωση του τμήματος MCU με την έξοδο.
Απομόνωση επιπέδου ισχύος
Απαιτούνται απομονώσεις επιπέδου ισχύος για την απομόνωση συσκευών με χαμηλή ισχύ από θορυβώδεις γραμμές υψηλής ισχύος ή αντίστροφα. Επίσης, η απομόνωση στάθμης ισχύος παρέχει σωστή ασφάλεια από επικίνδυνες τάσεις γραμμής, απομονώνοντας τις γραμμές υψηλής τάσης από τον χειριστή και άλλα μέρη του συστήματος.
1. Μετασχηματιστής
Ο δημοφιλής απομονωτής στάθμης ισχύος είναι και πάλι ένας μετασχηματιστής. Υπάρχουν τεράστιες εφαρμογές για μετασχηματιστές, η πιο συνηθισμένη χρήση είναι η παροχή χαμηλής τάσης από πηγή υψηλής τάσης. Ο μετασχηματιστής δεν έχει συνδέσεις μεταξύ πρωτογενούς και δευτερεύοντος αλλά θα μπορούσε να μειώσει την τάση από εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής τάσης σε εναλλασσόμενο ρεύμα χαμηλής τάσης χωρίς να χάσει τη γαλβανική απομόνωση.
Η παραπάνω εικόνα δείχνει έναν μετασχηματιστή προς τα κάτω σε δράση όπου η πρωτεύουσα πλευρική είσοδος συνδέεται στην πρίζα τοίχου και η δευτερεύουσα συνδέεται σε αντίσταση φορτίου. Ένας κατάλληλος μετασχηματιστής απομόνωσης έχει αναλογία στροφών 1: 1 και δεν αλλάζει το επίπεδο τάσης ή ρεύματος και στις δύο πλευρές. Ο μοναδικός σκοπός του μετασχηματιστή απομόνωσης είναι να παρέχει απομόνωση.
2. Ρελέ
Το Relay είναι ένας δημοφιλής απομονωτής με τεράστια εφαρμογή στον τομέα των ηλεκτρονικών και των ηλεκτρικών. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι ρελέ στην αγορά ηλεκτρονικών ειδών ανάλογα με την εφαρμογή. Δημοφιλείς τύποι είναι ηλεκτρομαγνητικά ρελέ και ρελέ στερεάς κατάστασης.
Ένα ηλεκτρομαγνητικό ρελέ λειτουργεί με ηλεκτρομαγνητικά και μηχανικά κινητά μέρη που συχνά αναφέρονται ως πόλοι. Περιέχει έναν ηλεκτρομαγνήτη που κινεί τον πόλο και ολοκληρώνει το κύκλωμα. Το ρελέ δημιουργεί απομόνωση όταν τα κυκλώματα υψηλής τάσης πρέπει να ελέγχονται από κύκλωμα χαμηλής τάσης ή το αντίστροφο. Σε μια τέτοια κατάσταση και τα δύο κυκλώματα είναι απομονωμένα, αλλά ένα κύκλωμα θα μπορούσε να ενεργοποιήσει το ρελέ για να ελέγξει ένα άλλο.
Στην παραπάνω εικόνα, δύο κυκλώματα είναι ηλεκτρικά ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Αλλά με τη χρήση του διακόπτη στο κύκλωμα-1, ο χρήστης μπορεί να ελέγξει την κατάσταση του φορτίου στο κύκλωμα 2. Μάθετε περισσότερα σχετικά με το πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ρελέ σε ένα κύκλωμα.
Δεν υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ του Solid State Relay και του ηλεκτρομηχανικού ρελέ όσον αφορά την εργασία. Τα ρελέ στερεάς κατάστασης λειτουργούν ακριβώς το ίδιο, αλλά το ηλεκτρομηχανικό μέρος αντικαθίσταται με μια οπτικά ελεγχόμενη δίοδο. Η γαλβανική απομόνωση μπορεί να δημιουργηθεί λόγω της απουσίας άμεσης σύνδεσης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου των ρελέ στερεάς κατάστασης.
3. Αισθητήρες Hall Effect
Περιττό να πούμε ότι η τρέχουσα μέτρηση είναι μέρος της ηλεκτρολογίας και της ηλεκτρονικής μηχανικής. Υπάρχουν διάφοροι τύποι τρεχουσών μεθόδων ανίχνευσης. Συχνά απαιτούνται μετρήσεις για διαδρομές Υψηλής τάσης και Υψηλού ρεύματος και η τιμή ανάγνωσης πρέπει να σταλεί σε κύκλωμα χαμηλής τάσης που είναι μέρος του κυκλώματος μέτρησης. Επίσης, από την άποψη του χρήστη, η επεμβατική μέτρηση είναι επικίνδυνη και αδύνατη η εφαρμογή της. Οι αισθητήρες Hall Effect παρέχουν ακρίβεια μέτρησης ρεύματος και βοηθούν στη μέτρηση του ρεύματος που ρέει μέσω ενός αγωγού με μη επεμβατικό τρόπο. Παρέχει σωστή απομόνωση και εξασφαλίζει ασφάλεια από επικίνδυνο ηλεκτρικό ρεύμα. Ο αισθητήρας Hall Effect χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται στον αγωγό για να εκτιμήσει το ρεύμα που ρέει μέσω αυτού.
Ο κεντρικός δακτύλιος είναι αγκιστρωμένος πάνω σε έναν αγωγό με μη επεμβατικό τρόπο και απομονώνεται ηλεκτρικά όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα.
Πυκνωτές ως Απομονωτής
Η λιγότερο δημοφιλής μέθοδος για την απομόνωση κυκλωμάτων είναι με τη χρήση πυκνωτών. Λόγω της αναποτελεσματικότητας και των επικίνδυνων αποτελεσμάτων αποτυχίας, αυτό δεν προτιμάται πλέον, αλλά γνωρίζοντας ότι μπορεί να είναι χρήσιμο όταν θέλετε να δημιουργήσετε έναν ακατέργαστο απομονωτήρα. Οι πυκνωτές μπλοκάρουν DC και επιτρέπουν τη μετάδοση σήματος AC υψηλής συχνότητας. Λόγω αυτής της εξαιρετικής ιδιότητας, ο πυκνωτής χρησιμοποιείται ως μονωτής σε σχέδια όπου τα ρεύματα συνεχούς ρεύματος δύο κυκλωμάτων πρέπει να μπλοκαριστούν αλλά εξακολουθούν να επιτρέπουν τη μετάδοση δεδομένων.
Η παραπάνω εικόνα δείχνει ότι οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται για σκοπούς απομόνωσης. Ο πομπός και ο δέκτης είναι και οι δύο απομονωμένοι, αλλά η επικοινωνία δεδομένων μπορεί να γίνει.
Γαλβανική απομόνωση - Εφαρμογές
Η γαλβανική απομόνωση είναι πολύ σημαντική και η εφαρμογή είναι τεράστια. Είναι μια σημαντική παράμετρος στα καταναλωτικά αγαθά, καθώς και στον βιομηχανικό, ιατρικό και επικοινωνιακό τομέα. Σε μια βιομηχανική αγορά ηλεκτρονικών, απαιτείται γαλβανική απομόνωση για συστήματα διανομής ισχύος, γεννήτριες ισχύος, συστήματα μέτρησης, ελεγκτές κινητήρα, λογικές συσκευές εισόδου-εξόδου κ.λπ.
Στον ιατρικό τομέα, η απομόνωση είναι μία από τις κύριες προτεραιότητες για τον εξοπλισμό, καθώς τα ιατροτεχνολογικά προϊόντα μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τα σώματα του ασθενούς. Τέτοιες συσκευές είναι ΗΚΓ, Ενδοσκόπια, Απινιδωτές, διαφορετικά είδη συσκευών φαντασίας. Τα συστήματα επικοινωνίας σε επίπεδο καταναλωτή χρησιμοποιούν επίσης γαλβανική απομόνωση. Ένα κοινό παράδειγμα είναι το Ethernet, οι δρομολογητές, οι διακόπτες, οι διακόπτες τηλεφώνου κ.λπ. Τα κανονικά καταναλωτικά αγαθά, όπως φορτιστές, SMPS, λογικές πλακέτες του υπολογιστή είναι τα πιο κοινά προϊόντα που χρησιμοποιούν γαλβανική απομόνωση.
Πρακτικό παράδειγμα γαλβανικής απομόνωσης
Το παρακάτω κύκλωμα είναι ένα τυπικό κύκλωμα εφαρμογής με γαλβανικά απομονωμένο Full-duplex IC MAX14852 (Για ταχύτητα επικοινωνίας 500 kbps) ή MAX14854 (Για ταχύτητα επικοινωνίας 25 Mbps) στη γραμμή επικοινωνίας RS-485 με τη μονάδα μικροελεγκτή. Το IC κατασκευάζεται από τη δημοφιλή εταιρεία κατασκευής ημιαγωγών Maxim Integrated.
Αυτό το παράδειγμα είναι ένα από τα καλύτερα παραδείγματα γαλβανικού παραδείγματος απομόνωσης σε βιομηχανικό εξοπλισμό. Το RS-485 είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο παραδοσιακό πρωτόκολλο επικοινωνίας που χρησιμοποιείται σε βιομηχανικό εξοπλισμό. Η δημοφιλής χρήση του RS-485 είναι η χρήση πρωτοκόλλου MODBUS σε σχέση με το τμήμα TTL.
Ας υποθέσουμε ότι ένας μετασχηματιστής υψηλής τάσης παρέχει δεδομένα αισθητήρων που είναι εγκατεστημένοι μέσα στον μετασχηματιστή μέσω του πρωτοκόλλου RS-485. Κάποιος πρέπει να συνδέσει μια συσκευή PLC με μια θύρα RS-485 για να συλλέξει τα δεδομένα από τον μετασχηματιστή. Αλλά το πρόβλημα είναι στη γραμμή άμεσης επικοινωνίας. Το PLC χρησιμοποιεί πολύ χαμηλό επίπεδο τάσης και πολύ ευαίσθητο με το υψηλό ESD ή το κύμα. Εάν χρησιμοποιείται άμεση σύνδεση, το PLC μπορεί να διατρέχει υψηλό κίνδυνο και πρέπει να απομονωθεί γαλβανικά.
Αυτά τα IC είναι πολύ χρήσιμα για την προστασία του PLC από ESD ή υπερτάσεις.
Σύμφωνα με το δελτίο δεδομένων, και τα δύο IC έχουν ικανότητα αντοχής +/- 35kV ESD και 2.75kVrms αντέχουν στην τάση απομόνωσης έως 60 δευτερόλεπτα. Όχι μόνο αυτό, αλλά και αυτά τα IC επιβεβαιώνουν επίσης τάση απομόνωσης εργασίας 445Vrms, καθιστώντας την κατάλληλη συσκευή απομόνωσης για χρήση σε εξοπλισμό βιομηχανικού αυτοματισμού.