Гальваническая развязка - изоляция сигналов и изоляция питания

Средняя бытовая микроволновая печь, работающая при напряжении 110/220 В переменного тока, может производить внутри нее до 2800 В, что опасно для жизни. Кроме того, он также имеет более низкое напряжение переменного тока около 3,5 В для зажигания нити накала и регулируемое напряжение постоянного тока, например 5 В / 3,3 В, для работы цифровой электронной части, такой как дисплей или таймеры. Вы когда-нибудь задумывались, что мешает высокому напряжению достигать ваших пальцев через кнопки или корпус, когда вы касаетесь духовки? Ответ на ваш вопрос - «изоляция».. При разработке электронных продуктов, использующих более одного типа сигнала или более одного рабочего напряжения, изоляция используется для предотвращения искажения одного сигнала другим. Он также играет жизненно важную роль в обеспечении безопасности, предотвращая отказы в промышленных изделиях. Эта изоляция обычно называется гальванической изоляцией. Почему термин «гальванический»? Это связано с тем, что гальваника представляет собой ток, возникающий в результате какого-либо химического воздействия, и поскольку мы изолируем этот ток, размыкая контакт проводника, это называется гальванической изоляцией.

Существует несколько типов методов гальванической развязки, и выбор подходящего зависит от типа изоляции, выдерживаемой мощности, требований приложения и, очевидно, от фактора стоимости. В этой статье мы узнаем о различных типах изоляции, о том, как они работают и где их использовать в наших проектах.

Типы гальванической развязки

• Изоляция сигнала
• Изоляция уровня мощности
• Конденсаторы как изолятор

Изоляция сигнала

Изоляция уровня сигнала требуется, когда две цепи разной природы связываются друг с другом с помощью сигнала определенного типа. Например, две схемы, использующие независимый источник питания и работающие на разных уровнях напряжения. В таких случаях для изоляции отдельного заземления двух независимых источников питания и для связи между этими двумя цепями требуется изоляция уровня сигнала.

Изоляция сигналов осуществляется с помощью изоляторов разных типов. Оптические и электромагнитные изоляторы в основном используются в целях изоляции сигналов. Оба этих изолятора защищают различные источники заземления от объединения вместе. Каждый изолятор имеет свой уникальный принцип работы и применение, которые обсуждаются ниже.

1. Оптические изоляторы

Оптический изолятор использует свет для связи между двумя независимыми цепями. Как правило, оптические изоляторы, известные как оптопара, состоят из двух компонентов внутри одного кремниевого кристалла: светоизлучающего диода и фототранзистора. Светодиод управляется одной схемой, а сторона транзистора соединена с другой схемой. Следовательно, светодиод и транзистор электрически не соединены. Связь осуществляется только с помощью света, оптически.

Рассмотрим изображение выше. Популярный оптоизолятор PC817 изолирует две независимые цепи. Цепь 1 - это источник питания с переключателем, цепь 2 - это выход логического уровня, подключенный к другому источнику питания 5 В. Логическое состояние контролируется левой схемой. Когда переключатель замыкается, светодиод внутри оптопары загорается и включает транзистор. Логическое состояние изменится с Высокого на Низкое.

Цепь 1 и цепь 2 изолированы с помощью указанной выше цепи. Гальваническая развязка очень полезна для вышеуказанной схемы. Есть несколько ситуаций, когда высокопотенциальный шум заземления индуцируется в низкопотенциальном заземлении и создает контур заземления, который в дальнейшем ответственен за неточные измерения. Как и в случае с PC817, существует множество типов оптопар для различных приложений.

2. Электромагнитные изоляторы.

Оптоизоляторы полезны для изоляции сигналов постоянного тока, но электромагнитные изоляторы, такие как трансформаторы малых сигналов, полезны для изоляции сигналов переменного тока. Трансформаторы, такие как звуковой трансформатор, имеют изолированную первичную и вторичную стороны, которые можно использовать для различной изоляции звукового сигнала. Другое наиболее частое использование - в сетевом оборудовании или в секции Ethernet. Импульсные трансформаторы используются для изоляции внешней проводки с внутренним оборудованием. Даже в телефонных линиях используются трансформаторные изоляторы сигналов. Но, поскольку трансформаторы изолированы электромагнитно, он работает только с переменным током.

На изображении выше показана внутренняя схема разъема RJ45 со встроенным импульсным трансформатором для изоляции части микроконтроллера от выхода.

Изоляция уровня мощности

Изоляция уровней мощности требуется для изоляции устройств, чувствительных к малой мощности, от линий с высоким уровнем шума, или наоборот. Кроме того, изоляция уровня мощности обеспечивает надлежащую безопасность от опасного линейного напряжения, изолируя линии высокого напряжения от оператора и других частей системы.

1. Трансформатор

Популярный изолятор уровня мощности снова является трансформатором. Существуют огромные области применения трансформаторов, чаще всего они используются для обеспечения низкого напряжения от источника высокого напряжения. Трансформатор не имеет соединений между первичной и вторичной обмотками, но может понижать напряжение с высокого переменного до низкого переменного напряжения без потери гальванической развязки.

На изображении выше показан понижающий трансформатор в действии, где вход первичной стороны подключен к настенной розетке, а вторичный - через резистивную нагрузку. Собственно изолирующий трансформатор имеет отношение 1: 1 витков и не изменяют напряжения или тока уровня с обеих сторон. Единственная цель изолирующего трансформатора - обеспечить изоляцию.

2. Реле

Реле - популярный изолятор с огромным применением в области электроники и электротехники. На рынке электроники доступно множество различных типов реле в зависимости от области применения. Популярными типами являются электромагнитные реле и твердотельные реле.

Электромагнитное реле работает с электромагнитными и механически подвижными частями, часто называемыми полюсами. Он содержит электромагнит, который перемещает полюс и замыкает цепь. Реле создает изоляцию, когда цепи высокого напряжения должны управляться от цепи низкого напряжения или наоборот. В такой ситуации обе цепи изолированы, но одна цепь может активировать реле для управления другим.

На изображении выше две схемы электрически независимы друг от друга. Но с помощью переключателя на контуре 1 пользователь может управлять состоянием нагрузки контура 2. Узнайте больше о том, как реле можно использовать в контуре.

Особой разницы в работе твердотельного реле и электромеханического реле нет . Твердотельные реле работают точно так же, но электромеханическая часть заменена диодом с оптическим управлением. Гальваническую развязку можно создать из-за отсутствия прямого соединения между входом и выходом твердотельных реле.

3. Датчики на эффекте Холла

Излишне говорить, что измерение тока является частью электротехники и электроники. Доступны различные типы методов измерения тока. Часто измерения требуются для цепей высокого напряжения и высокого тока, и считанное значение должно быть отправлено в схему низкого напряжения, которая является частью схемы измерения. Также с точки зрения пользователя инвазивные измерения опасны и невозможны. Датчики на эффекте Холла обеспечивают точное бесконтактное измерение тока и помогают измерять ток, протекающий через проводник, неинвазивным образом. Он обеспечивает надлежащую изоляцию и защиту от опасного электричества. Датчик эффекта Холла использует электромагнитное поле, генерируемое поперек проводника, для оценки тока, протекающего по нему.

Кольцо с сердечником навешивается на проводник безопасным образом и электрически изолировано, как показано на рисунке выше.

Конденсаторы как изолятор

Наименее популярный метод изоляции цепей - использование конденсаторов. Из-за неэффективности и опасных последствий отказов это больше не является предпочтительным, но мы все еще знаем, что это может пригодиться, когда вы хотите построить грубый изолятор. Конденсаторы блокируют постоянный ток и позволяют пропускать высокочастотный сигнал переменного тока. Благодаря этому превосходному свойству конденсатор используется в качестве изоляторов в конструкциях, где необходимо блокировать постоянные токи двух цепей, но при этом обеспечивать передачу данных.

На изображении выше показано, что конденсаторы используются для изоляции. Передатчик и приемник изолированы, но передача данных возможна.

Гальваническая развязка - Применение

Гальваническая развязка очень важна и область применения огромна. Это важный параметр в потребительских товарах, а также в промышленном, медицинском и коммуникационном секторах. На рынке промышленной электроники гальваническая развязка требуется для систем распределения питания, генераторов энергии, измерительных систем, контроллеров двигателей, логических устройств ввода-вывода и т. Д.

В медицинском секторе изоляция является одним из основных приоритетов оборудования, поскольку медицинские устройства могут быть напрямую связаны с телом пациента. К таким устройствам относятся ЭКГ, эндоскопы, дефибрилляторы, различные устройства воображения. В системах связи на бытовом уровне также используется гальваническая развязка. Одним из распространенных примеров является Ethernet, маршрутизаторы, коммутаторы, телефонные коммутаторы и т. Д. Обычные потребительские товары, такие как зарядные устройства, SMPS, материнские платы компьютеров, являются наиболее распространенными продуктами, в которых используется гальваническая развязка.

Практический пример гальванической развязки

Схема ниже представляет собой типичную схему применения гальванически изолированной полнодуплексной ИС MAX14852 (для скорости связи 500 кбит / с) или MAX14854 (для скорости связи 25 Мбит / с) на линии связи RS-485 с блоком микроконтроллера. ИС производится популярной компанией-производителем полупроводников Maxim Integrated.

Этот пример - один из лучших примеров гальванической развязки промышленного оборудования. RS-485 - широко используемый традиционный протокол связи, используемый в промышленном оборудовании. Популярным использованием RS-485 является использование протокола MODBUS по сегменту TTL.

Предположим, высоковольтный трансформатор переменного тока передает данные датчиков, установленных внутри трансформатора, по протоколу RS-485. Для сбора данных с трансформатора необходимо подключить устройство ПЛК с портом RS-485. Но проблема в прямой линии связи. ПЛК использует очень низкий уровень напряжения и очень чувствителен к высоким электростатическим разрядам или скачкам напряжения. Если используется прямое соединение, ПЛК может быть подвержен высокому риску и должен быть гальванически изолирован.

Эти микросхемы очень полезны для защиты ПЛК от электростатического разряда или скачков напряжения.

Согласно техническому описанию, обе ИС имеют выдерживаемую мощность +/- 35 кВ ESD и 2,75 кВ среднеквадратичного значения выдерживают напряжение изоляции до 60 секунд. Не только это, но и эти микросхемы также подтверждают рабочее напряжение изоляции 445 В среднеквадр., Что делает его подходящим изолятором для использования в оборудовании промышленной автоматизации.