- Galvaanisen eristämisen tyypit
- Signaalin eristäminen
- Tehotason eristäminen
- Kondensaattorit eristäjänä
- Galvaaninen eristys - Sovellukset
- Käytännön esimerkki galvaanisesta eristyksestä
Keskimääräinen kotitalouksien mikroaaltouuni, joka toimii 110/220 V AC: llä, voi tuottaa jopa 2800 V: n sen sisällä, mikä on vaarallisen tappavaa. Sen lisäksi sillä on myös alhaisempi vaihtovirtajännite noin 3,5 V hehkulangan sytyttämiseksi ja säädelty tasajännite, kuten 5 V / 3,3 V, digitaalisen elektroniikan osalle, kuten näytölle tai ajastimille, toimiakseen. Oletko koskaan miettinyt, mikä estää näitä korkeita jännitteitä ulottumasta sormiin painikkeiden tai kotelon läpi, kun kosketat uunia? Vastaus kysymykseesi on "eristäminen". Suunnitellessa elektroniikkatuotteita, joissa on useampi kuin yksi signaalityyppi tai useampi kuin yksi käyttöjännite, eristystä käytetään estämään yksi signaali sekoittamasta toista. Sillä on myös tärkeä rooli turvallisuudessa estämällä teollisuustuotteiden vikaolosuhteet. Tätä eristystä kutsutaan yleisesti galvaaniseksi eristykseksi. Miksi termi "galvaaninen"? Se johtuu siitä, että galvaaninen edustaa jonkinlaisen kemiallisen toiminnan tuottamaa virtaa, ja koska eristämme tämän virran katkaisemalla johtimen kosketuksen, sitä kutsutaan galvaaniseksi eristykseksi.
Galvaanisia eristystekniikoita on useita, ja oikean valitseminen riippuu eristystyypistä, kapasiteetin kestosta, käyttötarpeista ja tietysti myös kustannustekijästä. Tässä artikkelissa opit erityyppisistä eristyksistä, miten ne toimivat ja missä niitä käytetään suunnitelmissamme.
Galvaanisen eristämisen tyypit
- Signaalin eristäminen
- Tehotason eristäminen
- Kondensaattorit eristäjänä
Signaalin eristäminen
Signaalitason eristäminen vaaditaan, kun kaksi erilaista virtapiiriä on yhteydessä toisiinsa jonkin tyyppistä signaalia käyttäen. Esimerkiksi kaksi piiriä, jotka käyttävät erillistä virtalähdettä ja toimivat eri jännitetasoilla. Tällaisissa tapauksissa tarvitaan signaalitason eristäminen kahden itsenäisen virtalähteen yksittäisen maadoituksen eristämiseksi ja näiden kahden piirin välisen viestinnän toteuttamiseksi.
Signaalin eristäminen tapahtuu käyttämällä erityyppisiä eristimiä. Optisia ja sähkömagneettisia eristimiä käytetään pääasiassa signaalin eristämiseen. Molemmat eristimet suojaavat eri maaperän lähteitä yhdistymiseltä. Jokaisella eristimellä on oma ainutlaatuinen toimintaperiaate ja sovellus, joita käsitellään jäljempänä.
1. Optiset eristimet
Optinen eristin käyttää valoja kommunikoimaan kahden itsenäisen piirin välillä. Tyypillisesti optisilla erottimilla, alias Optocoupler, on kaksi komponenttia yhden piisirun sisällä, valodiodi ja fototransistori. LEDiä ohjaa yksi piiri ja transistorin puoli on kytketty toiseen piiriin. Siksi LEDiä ja transistoria ei ole kytketty sähköisesti. Viestintä tapahtuu vain valoilla, optisesti.
Harkitse yllä olevaa kuvaa. Suosittu optoisolaattori PC817 eristää kaksi erillistä piiriä. Piiri 1 on virtalähde kytkimellä, piiri 2 on loogisen tason lähtö, joka on kytketty eri 5 V: n syöttöön. Logiikkatilaa ohjaa vasen piiri. Kun kytkintä suljetaan, optoerottimen sisällä oleva LED syttyy ja kytkee transistorin päälle. Logiikkatila muuttuu korkeasta matalaksi.
Piiri 1 ja piiri 2 eristetään käyttämällä yllä olevaa piiriä. Galvaaninen eristys on erittäin hyödyllinen yllä olevalle piirille. On olemassa useita tilanteita, joissa matalan potentiaalin maaperässä indusoitu korkea potentiaalinen maamelu luo maasilmukan, joka edelleen vastaa epätarkoista mittauksista. PC817: n tapaan on olemassa useita erityyppisiä Optocoupler-sovelluksia erilaisille sovellusvaatimuksille.
2. Sähkömagneettiset eristimet
Optoisolaattorit ovat hyödyllisiä DC-signaalin eristämiseen, mutta sähkömagneettiset eristimet, kuten pienet signaalimuuntajat, ovat hyödyllisiä AC-signaalin eristämiseen. Muuntajien, kuten äänimuuntajan, pää- ja toissijaiset sivut on eristetty, joita voidaan käyttää erilaisiin äänisignaalien eristämiseen. Toinen yleisin käyttö on verkkolaitteisto tai Ethernet-osa. Pulssimuuntajia käytetään eristämään ulkoiset johdot sisäisellä laitteistolla. Jopa puhelinlinjoja käytetään muuntajapohjaisiin signaalineristimiin. Mutta koska muuntajat eristetään sähkömagneettisesti, se toimii vain vaihtovirran kanssa.
Kuvan yläpuolella on sisäinen kaavio RJ45-liittimestä, jossa on integroitu pulssimuuntaja MCU-osan eristämiseksi lähdön kanssa.
Tehotason eristäminen
Tehotason eristyksiä tarvitaan pienitehoisten herkkien laitteiden eristämiseksi suuritehoisista meluisista linjoista tai päinvastoin. Myös tehotason eristys tarjoaa asianmukaisen turvallisuuden vaarallisilta linjajännitteiltä eristämällä suurjännitelinjat käyttäjältä ja muilta järjestelmän osilta.
1. Muuntaja
Suosittu tehotason eristin on jälleen muuntaja. Muuntajille on valtavia sovelluksia, yleisimmin käyttö on matalan jännitteen tuottaminen suurjännitelähteestä. Muuntajalla ei ole yhteyksiä primäärisen ja sekundäärisen välillä, mutta se voi laskea jännitteen korkeajännitteisestä matalajännitteiseen vaihtovirtaan menettämättä galvaanista eristystä.
Yllä olevassa kuvassa näkyy alaskäynnistysmuuntaja toiminnassa, jossa ensisijainen sivutulo on kytketty seinäpistorasiaan ja toissijainen on kytketty resistiivisen kuorman poikki. Kunnollinen eristys muuntajan on 1: 1 kierrosta suhde ja eivät muuta jännitteen tai virran tason molemmin puolin. Eristysmuuntajan ainoa tarkoitus on tarjota eristys.
2. Releet
Relay on suosittu eristin, jolla on valtava sovellus elektroniikan ja sähköalan alalla. Elektroniikkamarkkinoilla on saatavana monia erityyppisiä releitä sovelluksesta riippuen. Suosittuja tyyppejä ovat sähkömagneettiset releet ja puolijohdereleet.
Sähkömagneettinen rele toimii sähkömagneettisten ja mekaanisesti liikkuvien osien kanssa, joita usein kutsutaan pylväiksi. Se sisältää sähkömagneetin, joka siirtää napaa ja täydentää piirin. Rele luo eristeen, kun suurjännitepiirejä on ohjattava pienjännitepiiristä tai päinvastoin. Tällaisessa tilanteessa molemmat piirit ovat eristettyjä, mutta yksi piiri voisi vetää releen toisen ohjaamiseksi.
Yllä olevassa kuvassa kaksi virtapiiriä ovat sähköisesti toisistaan riippumattomia. Mutta piirin 1 kytkimellä käyttäjä voi hallita piirin 2 kuormitustilaa. Lisätietoja siitä, miten releä voidaan käyttää piirissä.
Puolijohdereleen ja sähkömekaanisen releen välillä ei ole paljon eroja työskentelyn suhteen. Puolijohdereleet toimivat täsmälleen samalla tavalla, mutta sähkömekaaninen osa korvataan optisesti ohjatulla diodilla. Galvaaninen eristys voidaan muodostaa, koska kiinteän tilan releiden tulon ja lähdön välillä ei ole suoraa yhteyttä.
3. Hall-ilmiöanturit
Tarpeetonta sanoa, että virranmittaus on osa sähkö- ja elektroniikkatekniikkaa. Nykyisiä mittausmenetelmiä on erilaisia. Usein tarvitaan mittauksia suurjännite- ja suurvirta-reiteille, ja luettu arvo on lähetettävä pienjännitepiiriin, joka on osa mittauspiiriä. Myös käyttäjän näkökulmasta invasiivinen mittaus on vaarallista ja mahdotonta toteuttaa. Hall-efektianturit tarjoavat kontaktittoman virran mittauksen tarkasti ja auttavat mittaamaan johtimen läpi kulkevan virran ei-invasiivisella tavalla. Se tarjoaa asianmukaisen eristämisen ja turvallisuuden vaarallisesta sähköstä. Hall-efektianturi käyttää johtimen yli syntyvää sähkömagneettista kenttää sen läpi virtaavan virran arvioimiseksi.
Ydinrengas on koukussa johtimen päällä ei-invasiivisella tavalla ja se on sähköisesti eristetty yllä olevan kuvan mukaisesti.
Kondensaattorit eristäjänä
Vähiten suosittu menetelmä piirien eristämiseksi on kondensaattoreiden käyttö. Tehottomuuden ja vaarallisten vikatulosten vuoksi tätä ei enää suositella, mutta silti sen tietäminen voi olla hyödyllistä, kun haluat rakentaa raakaa eristintä. Kondensaattorit estävät tasavirran ja sallivat suurtaajuisen vaihtosignaalin välittämisen. Tämän erinomaisen ominaisuuden ansiosta kondensaattoria käytetään erottimina malleissa, joissa kahden piirin DC-virrat on estettävä, mutta sallivat kuitenkin tiedonsiirron.
Yllä olevassa kuvassa kondensaattoreita käytetään eristystarkoituksiin. Lähetin ja vastaanotin ovat molemmat eristettyjä, mutta tiedonsiirto voidaan tehdä.
Galvaaninen eristys - Sovellukset
Galvaaninen eristys on erittäin tärkeää ja sovellus on valtava. Se on tärkeä parametri sekä kulutushyödykkeissä että teollisuuden, lääketieteen ja viestinnän alalla. Kun teollisuuselektroniikan markkinoilla, galvaaninen erotus tarvitaan sähkönjakelujärjestelmien, generaattoreita mittausjärjestelmiä, Moottorisäätimet, panos-tuotos logiikkapiirit, jne
Vuonna lääketieteen alalla, eristäminen on yksi tärkeimmistä painopisteistä laitteiden lääkinnällisiä laitteita voidaan liittää suoraan potilaan elimiä. Tällaisia laitteita ovat EKG, endoskoopit, defibrillaattorit, erilaiset kuvantamislaitteet. Kuluttajatason viestintäjärjestelmät käyttävät myös galvaanista eristystä. Yksi yleinen esimerkki on Ethernet, reitittimet, kytkimet, puhelinkytkimet jne. Normaalit kulutustavarat, kuten laturit, SMPS, tietokoneen logiikkakortit ovat yleisimpiä tuotteita, joissa käytetään galvaanista eristystä.
Käytännön esimerkki galvaanisesta eristyksestä
Alla oleva piiri on tyypillinen galvaanisesti erotetun kaksisuuntaisen IC: n MAX14852 (500 kbps tiedonsiirtonopeus) tai MAX14854 (25 Mbps tiedonsiirtonopeus) sovelluspiiri RS-485-tiedonsiirtolinjassa mikro-ohjainyksikön kanssa. IC: n valmistaa suosittu puolijohdetehdasyritys Maxim Integrated.
Tämä esimerkki on yksi parhaista esimerkeistä galvaanisesta eristysesimerkistä teollisuuslaitteissa. RS-485 on laajasti käytetty perinteinen viestintäprotokolla, jota käytetään teollisuuslaitteissa. RS-485: n suosittu käyttö on käyttää MODBUS- protokollaa TTL-segmentin yli.
Oletetaan, että suurjännitemuuntaja toimittaa anturitietoja, jotka on asennettu muuntajaan RS-485-protokollan kautta. PLC-laite on liitettävä RS-485-porttiin datan keräämiseksi muuntajalta. Mutta ongelma on suorassa tiedonsiirtolinjassa. PLC käyttää erittäin matalaa jännitetasoa ja erittäin herkkä korkealla ESD: llä tai ylijännitteellä. Jos käytetään suoraa yhteyttä, PLC voi olla suuressa vaarassa ja se on eristettävä galvaanisesti.
Nämä IC: t ovat erittäin hyödyllisiä suojaamaan PLC: tä ESD: ltä tai ylijännitteiltä.
Datalehden mukaan molempien IC-laitteiden kestokyky on +/- 35 kV ESD ja 2,75 kVrms kestää eristysjännitteen 60 sekuntiin saakka. Tämän lisäksi nämä piirit vahvistavat myös 445 Vrms-työeristysjännitteen, mikä tekee siitä sopivan eristimen käytettäväksi teollisuusautomaatiolaitteissa.