Fórum

Galvanická izolácia - izolácia signálu a izolácia výkonu

Galvanická izolácia - izolácia signálu a izolácia výkonu
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  201 zobrazení
2
 0
Rádioamatérov almanach

Priemerný vysokonapäťový transformátor v mikrovlnej rúre pracuje zo striedavým napätím 220 V a môže na sekundárnej strane vyprodukovať napätie až 2 800 V a viac, čo už je napätie nebezpečné a smrteľné.

Zamysleli ste sa však niekedy nad tým, čo bráni tomu, aby vám toto vysoké napätie pri dotyku na teleso rúry neprivodilo úraz? Odpoveďou na túto otázku je "izolácia". Pri navrhovaní elektronických výrobkov obsahujúcich viac ako jeden typ signálu alebo viac ako jedno prevádzkové napätie sa používa izolácia, aby sa zabránilo rušeniu jedného signálu druhým. Izolácia rovnako zohráva veľmi zásadnú úlohu v bezpečnosti tým, že zabraňuje vzniknutým poruchovým stavom výrobkov prierazu napätia na miesta, kde by mohlo vzniknúť nebezpečenstvo dotyku obsluhou. Táto izolácia sa všeobecne nazýva galvanická izolácia.

Existuje niekoľko techník galvanického izolovania a výber tej správnej závisí od typu izolácie, odolnosti voči kapacite, požiadavkám na aplikáciu a samozrejme musíme počítať aj s nákladovým faktorom. V tomto článku sa pozrieme na niekoľko základných druhoch izolácie, povieme si o tom, ako fungujú a kde je ich vhodné použiť.

Typy galvanickej izolácie :

  • Izolácia signálu
  • Izolácia úrovne výkonu
  • Kapacitná izolácia

Izolácia signálu

Izolácia  sa vyžaduje tam, kde dva obvody rôzneho charakteru navzájom komunikujú pomocou určitého typu signálu. Napríklad dva obvody, ktoré používajú nezávislý zdroj napájania a pracujú s rôznymi úrovňami napätia. V takýchto prípadoch je na izoláciu individuálneho uzemnenia dvoch nezávislých zdrojov energie a na komunikáciu medzi týmito dvoma obvodmi potrebná izolácia úrovne signálu.

Izolácia signálu sa vykonáva pomocou rôznych typov izolátorov. Optické a elektromagnetické izolátory sa používajú hlavne na účely izolácie signálov. Každý izolátor má svoj vlastný jedinečný prevádzkový princíp a aplikáciu, o ktorej si povieme nižšie.

1. Optické izolátory

Optický izolátor používa na komunikáciu medzi dvoma nezávislými obvodmi. Optický izolátor tiež označovaný ako optočlen má obvykle v kompaktnom púzdre dva komponenty vo vnútri jedného kremíkového čipu, svetlo emitujúcu diódu LED a fototranzistor. LED je riadená jedným obvodom a strana tranzistora je spojená s druhým obvodom. LED a tranzistor preto nie sú elektricky spojené. Komunikácia sa vykonáva iba emitovaným svetlom na fotocitlivú plochu fototranzistora teda opticky.

Veľmi často používaný optoizolátor PC817 izoluje dva nezávislé obvody. Obvod 1 je zdroj energie s vypínačom, obvod 2 je výstup logickej úrovne spojený s iným napájaním 5V. Logický stav je riadený ľavým obvodom "Obvod 1". Keď je spínač v zapnutom stave, LED vo vnútri optočlenu sa rozsvieti a zapne tranzistor. Logický stav sa zmení z vysokého H na nízky L.

Obvod 1 a obvod 2 sú izolované pomocou vyššie uvedeného obvodu. Pre uvedený obvod je veľmi užitočná galvanická izolácia. Existuje niekoľko situácií, keď vysoký šum indukovaný na GND (zem) s nízkym potenciálom vytvára zemnú slučku, ktorá ďalej zodpovedá za nepresnosti merania, alebo iné abnormálne stavy. Podobne ako v prípade PC817 existuje veľa typov optočlenov pre rôzne aplikačné požiadavky.

2. Elektromagnetické izolátory

Optoizolátory sú užitočné na izoláciu jednosmerného signálu, ale elektromagnetické izolátory, ako sú malé signálne transformátory, ktoré sú užitočné na izoláciu striedavého signálu. Tieto transformátory tak ako je tomu u bežného transformátora majú svoju primárnu a sekundárnu stranu izolovanú, ktorú je možné použiť na vzájomné oddelenie rôznych signálov. Ďalšie najbežnejšie použitie je v sieťovom hardvéri alebo v sieti Ethernet. Impulzné transformátory sa používajú na izoláciu externého vedenia s vnútorným hardvérom. Napríklad aj telefónne linky používajú transformátorové signálne izolátory. Pretože sú transformátory izolované elektromagneticky, fungujú iba so striedavým prúdom.

Obrázok hore je vnútorná schéma konektora RJ45 s integrovaným impulzným transformátorom na izoláciu časti MCU od výstupu.

Izolácia úrovne výkonu

Na izoláciu zariadení na nízky výkon od rušných vedení s vysokým výkonom alebo naopak sú potrebné izolácie úrovne výkonu. Izolácia úrovne výkonu tiež poskytuje primeranú bezpečnosť pred nebezpečnými napätiami vedenia izolovaním vedení vysokého napätia od operátora a ostatných častí systému.

1. Transformátor

Populárnym izolátorom úrovne výkonu je opäť klasický transformátor. Existuje obrovské množstvo rôznych aplikácií pre transformátory, ktoré sa najčastejšie používajú na zabezpečenie nízkeho napätia zo zdroja vysokého napätia. Transformátor nemá žiadne prepojenia medzi primárnou a sekundárnou stranou, ale znižuje napätie z vysokého na nízke napätie bez straty galvanickej izolácie.

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje redukčný transformátor v akcii, keď je vstup primárnej strany zapojený do zásuvky v stene a sekundárny je pripojený cez odporovú záťaž. Správny izolačný - oddeľovací transformátor má pomer závitov 1 : 1 a nemení výšku napätia ani prúdu na oboch stranách. Jediným účelom izolačného transformátora je poskytnúť izoláciu - galvanické oddelenie od siete.

2. Relé

Relé je často používaný izolátor s obrovským uplatnením v oblasti elektroniky, elektrotechniky a automatizácie riadenia výrobných procesov. Na trhu s elektronikou existuje veľa rôznych typov relé v závislosti od ich požiadaviek na aplikáciu. Populárne typy sú elektromagnetické relé a polovodičové relé, známe aj ako Solid State Relay (SSR).

Elektromagnetické relé pracuje s elektromagnetickými a mechanicky pohyblivými časťami, ktoré sa často označujú ako kontakty. Relé obsahuje elektromagnet, ktorý posúva mechanický kotakt a dotvára obvod. Relé vytvára izoláciu, keď je potrebné riadiť obvody vysokého napätia z obvodu nízkeho napätia alebo naopak. V takejto situácii sú oba obvody izolované.

Na vyššie uvedenom obrázku sú dva obvody navzájom elektricky nezávislé. Ale pomocou spínača na okruhu 1 môže užívateľ ovládať stav záťaže v okruhu 2. Získajte viac informácií o tom, ako je možné v relé použiť relé.

Z hľadiska fungovania nie je veľký rozdiel medzi polovodičovým relé a elektromechanickým relé. Polovodičové relé pracujú úplne rovnako, ale elektromechanická časť je nahradená opticky riadenou diódou. Galvanické oddelenie je možné vytvoriť z dôvodu absencie priameho spojenia medzi vstupom a výstupom polovodičových relé.

3. Hallov senzor

Netreba dodávať, že meranie prúdu je základnou súčasťou elektrotechniky a elektroniky. K dispozícii sú rôzne typy metód merania. Merania sú často potrebné pre cesty vysokého napätia a vysokého prúdu a načítaná hodnota sa musí odosielať do nízkonapäťových obvodov, ktoré sú súčasťou meracieho obvodu. Aj z pohľadu používateľa je invazívne meranie nebezpečné a je nemožné ho často krát implementovať. Hallove senzory poskytujú pomerne presné bezkontaktné meranie prúdu a pomáhajú neinvazívnym spôsobom merať prúd pretekajúci vodičom. Poskytujú správnu izoláciu a zaisťujú vysokú bezpečnosť pred nebezpečným dotykom. Hallov senzor využíva elektromagnetické pole generované cez vodič na odhad prúdu, ktorý ním preteká.

Krúžok jadra je nasunutý na vodič neinvazívnym spôsobom a je tak dokonale elektricky izolovaný tak, ako je to znázornené na obrázku vyššie.

Kapacitná izolácia

Najmenej populárnou metódou na izoláciu obvodov je použitie kondenzátorov. Kvôli neefektívnosti a nebezpečným výsledkom, ktoré môžu viesť k zlyhaniu nie sú tak často používané ako popisované metódy vyššie. Avšak patrí sa o nich aspoň čo to spomenúť pokiaľ chcete zostaviť "surový" izolátor. Kondenzátory blokujú jednosmerný prúd a umožňujú prechod vysokofrekvenčného striedavého signálu. Kvôli tejto vynikajúcej vlastnosti sa kondenzátor používa ako izolátor v situáciách, kde je potrebné blokovať jednosmerné prúdy dvoch obvodov, ale tak, aby bol pritom stále umožený prenos signálov.

Obrázok vyššie ukazuje, ako sa kondenzátory používajú na účely izolácie. Vysielač aj prijímač sú izolované, dá sa však vykonať plnohodnotná dátová komunikácia.

Galvanické oddelenie - Aplikácie

Galvanická izolácia je veľmi dôležitá a jej použitie je obrovské. Je to dôležitý parameter v spotrebnej elektronike, ako aj v priemyselnom, lekárskom a komunikačnom sektore. Na trhu s priemyselnou elektronikou je galvanické oddelenie potrebné pre systémy distribúcie energie, generátory energie, meracie systémy, ovládače motorov, logické zariadenia vstupno-výstupné zariadenia atď.

V lekárskom sektore je izolácia jednou z hlavných priorít vybavenia, pretože zdravotnícke pomôcky môžu byť priamo spojené s telom pacienta. Takéto zariadenia sú napr. EKG, endoskopy, defibrilátory, rôzne druhy zobrazovacích zariadení. Komunikačné systémy na úrovni spotrebiteľa tiež používajú galvanické oddelenie. Jedným z bežných príkladov je komunikačná sieť  Ethernet, smerovače, prepínače, telefónne prepínače, bežný spotrebný tovar, ako sú nabíjačky, SMPS, logické dosky počítačov, sú najbežnejšími produktmi, ktoré používajú galvanické oddelenie.

Praktický príklad galvanickej izolácie

Nižšie uvedený obvod je typickým aplikačným obvodom galvanicky izolovaného Full-duplex IC MAX14852 (pre komunikačnú rýchlosť 500 kbps) alebo MAX14854 (pre komunikačnú rýchlosť 25 Mbps) na komunikačnej linke RS-485 s jednotkou mikrokontroléra. Integrovaný obvod vyrába spoločnosť na výrobu polovodičov Maxim Integrated.

Tento príklad je jedným z najlepších príkladov galvanického oddelenia priemyselných zariadení. RS-485 je široko používaný komunikačný protokol používaný v priemyselných zariadeniach. Populárnym použitím RS-485 je použitie protokolu MODBUS v segmente TTL.

Predpokladajme, že vysokonapäťový striedavý transformátor poskytuje údaje senzorov, ktoré sú nainštalované vo vnútri transformátora, prostredníctvom protokolu RS-485. Aby bolo možné zozbierať údaje z transformátora, je potrebné pripojiť zariadenie PLC k portu RS-485. Ale problém je v priamej komunikačnej linke. PLC používa veľmi nízke napätie a je veľmi citlivé na vysoké ESD alebo prepätie. Ak je použité priame pripojenie, môže byť PLC vystavené vysokému riziku a musí byť galvanicky izolované.

Tieto integrované obvody sú veľmi užitočné na ochranu PLC pred ESD alebo prepätím.

Podľa údajového listu majú obidva integrované obvody výdržnú kapacitu +/- 35 kV ESD a 2.75 kVrms výdržné izolačné napätie až 60 sekúnd. Nielen to, ale tieto integrované obvody tiež potvrdzujú pracovné izolačné napätie 445 Vrms, čo z neho robí vhodný izolátor na použitie v zariadeniach priemyselnej automatizácie.

 



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.
Webwiki ButtonSeo servis Diallix.net VN-Experimenty Hatiar.eu