- Soorten galvanische scheiding
- Signaalisolatie
- Power Level Isolatie
- Condensatoren als isolator
- Galvanische scheiding - Toepassingen
- Praktisch voorbeeld van galvanische scheiding
Een gemiddelde magnetronoven voor huishoudelijk gebruik die werkt op 110 / 220V AC kan tot 2800V erin produceren, wat gevaarlijk dodelijk is. Daarnaast heeft het ook een lagere wisselspanning van ongeveer 3,5 V om de gloeidraad te verlichten en een gereguleerde gelijkspanning zoals 5 V / 3,3 V om het digitale elektronische gedeelte zoals het display of de timers te laten werken. Heeft u zich ooit afgevraagd wat voorkomt dat deze hoge spanningen via de knoppen of de behuizing naar uw vingers reiken wanneer u de oven aanraakt? Het antwoord op uw vraag is ‘isolatie’. Bij het ontwerpen van elektronicaproducten met meer dan één type signaal of meer dan één bedrijfsspanning, wordt isolatie gebruikt om te voorkomen dat het ene signaal het andere verprutst. Het speelt ook een cruciale rol bij de veiligheid door storingen in producten van industriële kwaliteit te voorkomen. Deze scheiding wordt over het algemeen galvanische scheiding genoemd. Waarom de term "galvanisch"? Het is omdat galvanisch de stroom vertegenwoordigt die wordt geproduceerd door een of andere chemische actie, en aangezien we deze stroom isoleren door het geleidercontact te verbreken, wordt het galvanische isolatie genoemd.
Er zijn verschillende soorten galvanische isolatietechnieken en de keuze van de juiste hangt af van het type isolatie, de weerstand tegen capaciteit, toepassingsvereisten en uiteraard is ook de kostenfactor een rol. In dit artikel zullen we leren over de verschillende soorten isolatie, hoe ze werken en waar we ze in onze ontwerpen kunnen gebruiken.
Soorten galvanische scheiding
- Signaalisolatie
- Power Level Isolatie
- Condensatoren als isolator
Signaalisolatie
Signaalniveau-isolatie is vereist wanneer twee circuits van verschillende aard met elkaar communiceren via een bepaald type signaal. Bijvoorbeeld twee circuits die een onafhankelijke stroombron gebruiken en verschillende spanningsniveaus gebruiken. In dergelijke gevallen is signaalniveau-isolatie vereist om de individuele aarde van twee onafhankelijke stroombronnen te isoleren en om tussen deze twee circuits te communiceren.
Signaalisolatie wordt gedaan door verschillende soorten isolatoren te gebruiken. Optische en elektromagnetische isolatoren worden voornamelijk gebruikt voor signaalisolatiedoeleinden. Beide isolatoren beschermen de verschillende aardingsbronnen tegen samenvoegen. Elke isolator heeft zijn eigen unieke werkingsprincipe en toepassing die hieronder worden besproken.
1. Optische isolatoren
Optische isolator gebruikt lichten om te communiceren tussen twee onafhankelijke circuits. Typisch, optische isolatoren, ook wel Optocoupler genoemd, hebben twee componenten in een enkele siliciumchip, een lichtemitterende diode en een fototransistor. De LED wordt aangestuurd door het ene circuit en de transistorzijde is verbonden met het andere circuit. Daarom zijn de LED en de transistor niet elektrisch met elkaar verbonden. De communicatie gebeurt alleen door middel van licht, optisch.
Beschouw de bovenstaande afbeelding. Een populaire optoisolator PC817 isoleert twee onafhankelijke circuits. Circuit 1 is de stroombron met een schakelaar, circuit 2 is een uitgang op logisch niveau die is verbonden met een andere 5V-voeding. De logische toestand wordt bestuurd door het linker circuit. Wanneer de schakelaar wordt gesloten, gaat de LED in de optocoupler branden en wordt de transistor ingeschakeld. De logische toestand wordt gewijzigd van Hoog in Laag.
Circuit 1 en circuit 2 zijn geïsoleerd met behulp van het bovenstaande circuit. Galvanische isolatie is erg handig voor het bovenstaande circuit. Er zijn verschillende situaties waarin de hoge potentiële grondruis geïnduceerd in de lage potentiële aarde en een aardlus creëert die verder verantwoordelijk is voor onnauwkeurige metingen. Net als bij de PC817 zijn er veel soorten optocouplers voor verschillende toepassingsvereisten.
2. Elektromagnetische isolatoren
Opto-isolatoren zijn handig voor DC-signaalisolatie, maar elektromagnetische isolatoren zoals kleine signaaltransformatoren zijn nuttig voor AC-signaalisolatie. Transformatoren zoals een audiotransformator hebben hun primaire en secundaire zijden geïsoleerd die kunnen worden gebruikt voor verschillende audio-signaalisolatie. Een ander meest voorkomende gebruik is in netwerkhardware of Ethernet-sectie. Pulstransformatoren worden gebruikt om de externe bedrading met interne hardware te isoleren. Zelfs telefoonlijnen worden gebruikt op transformator gebaseerde signaalisolatoren. Maar omdat transformatoren elektromagnetisch zijn geïsoleerd, werkt het alleen met wisselstroom.
Bovenstaande afbeelding is het interne schema van de RJ45-aansluiting met geïntegreerde pulstransformator voor het isoleren van het MCU-gedeelte met de uitgang.
Power Level Isolatie
Stroomniveau-isolaties zijn vereist om apparaten die gevoelig zijn voor laag vermogen te isoleren van hoogvermogen ruislijnen of vice versa. Isolatie van het vermogensniveau biedt ook een goede beveiliging tegen gevaarlijke lijnspanningen door de hoogspanningslijnen te isoleren van de operator en andere delen van het systeem.
1. Transformator
De populaire vermogensniveau-isolator is weer een transformator. Er zijn enorme toepassingen voor transformatoren, het meest gebruikte gebruik is het leveren van laagspanning uit een hoogspanningsbron. De transformator heeft geen verbindingen tussen primair en secundair, maar kan de spanning verlagen van hoogspanning wisselstroom naar laagspanning wisselstroom zonder de galvanische isolatie te verliezen.
De bovenstaande afbeelding toont een step-down transformator in actie waarbij de primaire zij-ingang is aangesloten op het stopcontact en de secundaire is verbonden met een weerstandsbelasting. Een goede scheidingstransformator heeft een 1: 1 windingsverhouding en verandert het spannings- of stroomniveau aan beide kanten niet. Het enige doel van de scheidingstransformator is om isolatie te bieden.
2. Relais
Relais is een populaire isolator met een enorme toepassing op het gebied van elektronica en elektrisch. Er zijn veel verschillende soorten relais beschikbaar op de elektronicamarkt, afhankelijk van de toepassing. Populaire typen zijn elektromagnetische relais en halfgeleiderrelais.
Een elektromagnetisch relais werkt met elektromagnetische en mechanisch beweegbare onderdelen, vaak aangeduid als polen. Het bevat een elektromagneet die de paal beweegt en het circuit voltooit. Relais zorgt voor isolatie wanneer hoogspanningscircuits moeten worden aangestuurd vanuit een laagspanningscircuit of omgekeerd. In een dergelijke situatie zijn beide circuits geïsoleerd, maar het ene circuit kan het relais bekrachtigen om een ander te besturen.
In de bovenstaande afbeelding zijn twee circuits elektrisch onafhankelijk van elkaar. Maar door de schakelaar op Circuit-1 te gebruiken, kan de gebruiker de toestand van de belasting op circuit 2 regelen. Lees meer over hoe een relais in een circuit kan worden gebruikt.
Er is niet veel verschil tussen Solid State Relay en elektromechanisch relais in termen van werking. Halfgeleiderrelais werken precies hetzelfde, maar het elektromechanische deel is vervangen door een optisch gestuurde diode. De galvanische scheiding kan worden opgebouwd door het ontbreken van een directe verbinding tussen de in- en uitgang van de solid state relais.
3. Hall-effectsensoren
Het behoeft geen betoog dat stroommeting een onderdeel is van elektrotechniek en elektronica. Er zijn verschillende soorten huidige detectiemethoden beschikbaar. Vaak zijn de metingen vereist voor hoogspannings- en hoogstroompaden en moet de afgelezen waarde naar een laagspanningscircuit worden gestuurd dat deel uitmaakt van het meetcircuit. Ook vanuit het perspectief van de gebruiker is invasieve meting gevaarlijk en onmogelijk te implementeren. Hall Effect-sensoren bieden nauwkeurige contactloze stroommeting en helpen de stroom die door een geleider vloeit op een niet-invasieve manier te meten. Het zorgt voor een goede isolatie en zorgt voor veiligheid tegen gevaarlijke elektriciteit. Hall Effect-sensor gebruikt elektromagnetisch veld dat over de geleider wordt gegenereerd om de stroom die er doorheen stroomt te schatten.
De kernring wordt op een niet-invasieve manier over een geleider gehaakt en is elektrisch geïsoleerd zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding.
Condensatoren als isolator
De minst populaire methode om circuits te isoleren, is door condensatoren te gebruiken. Vanwege inefficiëntie en gevaarlijke uitkomsten heeft dit niet langer de voorkeur, maar toch kan het van pas komen als u een ruwe isolator wilt bouwen. Condensatoren blokkeren DC en laten een hoogfrequent AC-signaal door. Vanwege deze uitstekende eigenschap wordt de condensator gebruikt als isolatoren in ontwerpen waar DC-stromen van twee circuits moeten worden geblokkeerd maar toch de gegevensoverdracht mogelijk maken.
De bovenstaande afbeelding laat zien dat condensatoren worden gebruikt voor isolatiedoeleinden. Zender en ontvanger zijn beide geïsoleerd, maar de datacommunicatie is mogelijk.
Galvanische scheiding - Toepassingen
Galvanische isolatie is zeer essentieel en de toepassing is enorm. Het is een belangrijke parameter in consumptiegoederen en in de industriële, medische en communicatiesector. In een industriële elektronicamarkt is galvanische isolatie vereist voor stroomdistributiesystemen, stroomgeneratoren, meetsystemen, motorregelaars, input-output logische apparaten, enz.
In de medische sector is isolatie een van de belangrijkste prioriteiten voor de apparatuur, aangezien medische apparatuur rechtstreeks kan worden verbonden met het lichaam van de patiënt. Dergelijke apparaten zijn ECG, endoscopen, defibrillatoren, verschillende soorten beeldapparatuur. Communicatiesystemen op consumentenniveau maken ook gebruik van galvanische isolatie. Een bekend voorbeeld is Ethernet, routers, switchers, telefoonschakelaars, enz. Normale consumptiegoederen, zoals laders, SMPS, computerprintplaten zijn de meest voorkomende producten die galvanische isolatie gebruiken.
Praktisch voorbeeld van galvanische scheiding
Het onderstaande circuit is een typisch toepassingscircuit van galvanisch geïsoleerde Full-duplex IC MAX14852 (voor communicatiesnelheid van 500 kbps) of MAX14854 (voor communicatiesnelheid van 25 Mbps) op de RS-485-communicatielijn met de microcontroller. De IC is vervaardigd door het populaire halfgeleiderfabrikant Maxim Integrated.
Dit voorbeeld is een van de beste voorbeelden van galvanische isolatie op industriële apparatuur. RS-485 is een veelgebruikt traditioneel communicatieprotocol dat wordt gebruikt in industriële apparatuur. Het populaire gebruik van RS-485 is het gebruik van het MODBUS- protocol over het TTL-segment.
Stel dat een hoogspanningswisselstroomtransformator sensorgegevens levert die via het RS-485-protocol in de transformator zijn geïnstalleerd. Men moet een PLC-apparaat met een RS-485-poort verbinden om de gegevens van de transformator te oogsten. Maar het probleem zit in de directe communicatielijn. PLC gebruikt een zeer laag spanningsniveau en is erg gevoelig met de hoge ESD of piekspanning. Als een directe verbinding wordt gebruikt, kan de PLC een groot risico lopen en moet deze galvanisch worden geïsoleerd.
Die IC's zijn erg handig om de PLC te beschermen tegen ESD of pieken.
Volgens het gegevensblad hebben beide IC's een weerstandsvermogen van +/- 35 kV ESD en zijn ze bestand tegen een isolatiespanning tot 60 seconden. Niet alleen dit, maar die IC's bevestigen ook 445Vrms Working-isolation Voltage, waardoor het een geschikte isolator is voor gebruik in industriële automatiseringsapparatuur.