- Mga uri ng Galvanic Isolation
- Paghiwalay ng Signal
- Paghiwalay ng Antas ng Lakas
- Mga Capacitor bilang isang Isolator
- Pagkahiwalay ng Galvanic - Mga Aplikasyon
- Praktikal na Halimbawa ng paghihiwalay ng Galvanic
Ang isang average na oven ng microwave ng sambahayan na tumatakbo sa 110 / 220V AC ay maaaring makagawa ng hanggang 2800V sa loob nito, na mapanganib na nakamamatay. Bukod dito mayroon din itong isang mas mababang antas ng boltahe ng AC sa paligid ng 3.5V upang magaan ang filament at isang kinokontrol na boltahe ng DC tulad ng 5V / 3.3V para sa bahagi ng digital electronics tulad ng display o timer upang gumana. Naisip mo ba kung ano ang pumipigil sa mga mataas na boltahe na ito mula sa pag-abot sa iyong mga daliri sa pamamagitan ng mga pindutan o pambalot kapag hinawakan mo ang oven? Ang sagot sa iyong katanungan ay "paghihiwalay". Kapag ang pagdidisenyo ng mga produktong electronics na kinasasangkutan ng higit sa isang uri ng signal o higit pa sa isang boltahe sa pagpapatakbo, ginagamit ang paghihiwalay upang maiwasan ang isang signal na magulo ang isa pa. Ginagampanan din nito ang isang mahalagang papel sa kaligtasan sa pamamagitan ng pag-iwas sa mga kondisyon ng kasalanan sa mga produktong pang-industriya. Ang paghihiwalay na ito ay karaniwang tinutukoy bilang paghihiwalay ng Galvanic. Bakit ang terminong "Galvanic"? Ito ay sapagkat ang galvanic ay kumakatawan sa kasalukuyang ginawa ng ilang uri ng pagkilos na kemikal, at dahil pinaghiwalay namin ang kasalukuyang ito sa pamamagitan ng paglabag sa pakikipag-ugnay sa conductor ay tinawag itong Galvanic Isolation.
Mayroong maraming mga uri ng mga diskarte ng paghihiwalay ng galvanic at ang pagpili ng tama ay nakasalalay sa uri ng paghihiwalay, walang kakayahang kakayahan, mga kinakailangan sa aplikasyon at malinaw naman, kasangkot din ang factor ng gastos. Sa artikulong ito malalaman natin ang tungkol sa iba't ibang mga uri ng paghihiwalay, kung paano ito gumagana at kung saan gamitin ang mga ito sa aming mga disenyo.
Mga uri ng Galvanic Isolation
- Paghiwalay ng Signal
- Paghiwalay ng Antas ng Lakas
- Mga Capacitor bilang isang Isolator
Paghiwalay ng Signal
Kinakailangan ang paghihiwalay sa antas ng signal kung saan ang dalawang circuit ng magkakaibang kalikasan ay nakikipag-usap sa bawat isa gamit ang ilang uri ng signal. Halimbawa, dalawang mga circuit na gumagamit ng independiyenteng mapagkukunan ng kuryente at pagpapatakbo ng iba't ibang mga antas ng boltahe. Sa mga ganitong kaso, upang ihiwalay ang indibidwal na batayan ng dalawang independiyenteng mapagkukunan ng kuryente at upang makipag-usap sa pagitan ng dalawang circuit na iyon, kinakailangan ng paghihiwalay sa antas ng signal.
Ang paghihiwalay ng signal ay ginagawa sa pamamagitan ng paggamit ng iba't ibang uri ng mga isolator. Ang mga optikal at electromagnetic isolator ay pangunahing ginagamit sa layunin ng paghihiwalay ng signal. Parehong pinagsasanggalang ng mga isolator na ito ang iba't ibang mga mapagkukunan sa lupa mula sa pagsasama-sama. Ang bawat Isolator ay may sariling natatanging prinsipyo sa pagpapatakbo at aplikasyon na tinalakay sa ibaba.
1. Mga Optical-Isolator
Ang optical isolator ay gumagamit ng mga ilaw upang makipag-usap sa pagitan ng dalawang independiyenteng mga circuit. Karaniwan, ang mga optical isolator aka Optocoupler ay may dalawang bahagi sa loob ng isang solong chip ng silikon, isang ilaw na nagpapalabas ng diode, at isang phototransistor. Ang LED ay kinokontrol ng isang circuit at ang panig ng transistor ay konektado sa iba pang circuit. Samakatuwid, ang LED at ang transistor ay hindi konektado sa electrically. Ang komunikasyon ay ginagawa lamang ng mga ilaw, optiko.
Isaalang-alang ang imahe sa itaas. Ang isang tanyag na optoisolator PC817 ay ihiwalay ang dalawang independiyenteng mga circuit. Ang circuit 1 ay ang mapagkukunan ng kuryente na may switch, circuit 2 ay isang output level ng lohika na konektado sa ibang supply ng 5V. Ang estado ng lohika ay kinokontrol ng kaliwang circuit. Kapag ang switch ay sarado, ang LED sa loob ng optocoupler ay ilaw up at i-on ang transistor. Ang estado ng lohika ay mababago mula Mataas hanggang Mababa.
Ang circuit 1 at circuit 2 ay nakahiwalay gamit ang circuit sa itaas. Ang paghihiwalay ng galvanic ay lubhang kapaki-pakinabang para sa itaas na circuit. Mayroong maraming mga sitwasyon kung saan ang mataas na potensyal na ingay sa lupa na sapilitan sa mababang potensyal na lupa at lumilikha ng isang ground loop na kung saan karagdagang responsable para sa mga hindi tumpak na sukat. Katulad ng PC817 maraming uri ng Optocoupler para sa iba't ibang mga kinakailangan sa aplikasyon.
2. Mga Elektromagnetikong Isolator
Ang mga optoisolator ay kapaki-pakinabang para sa paghihiwalay ng signal ng DC, ngunit ang mga electromagnetic isolator tulad ng maliliit na signal transformer ay kapaki-pakinabang para sa paghihiwalay ng signal ng AC. Ang mga transformer tulad ng audio transpormer ay mayroong kanilang pangunahing at pangalawang panig na nakahiwalay na maaaring magamit para sa iba't ibang paghihiwalay ng signal ng audio. Ang isa pang pinakakaraniwang paggamit ay nasa seksyon ng hardware o Ethernet. Ginagamit ang mga pulso transformer upang ihiwalay ang panlabas na mga kable sa panloob na hardware. Kahit na ang mga linya ng telepono ay ginagamit ng mga paghihiwalay batay sa signal. Ngunit, dahil ang mga transformer ay nakahiwalay ng electromagnetically, gumagana lamang ito sa AC.
Ang nasa itaas na imahe ay ang panloob na eskematiko ng RJ45 jack na may isinamang pulse transpormer para sa ihiwalay na bahagi ng MCU sa Output.
Paghiwalay ng Antas ng Lakas
Kinakailangan ang mga paghihiwalay sa antas ng kuryente upang ihiwalay ang mga aparatong sensitibo sa mababang kuryente mula sa mataas na mga linya ng maingay na kuryente o kabaligtaran. Gayundin, ang paghihiwalay sa antas ng kuryente ay nagbibigay ng wastong kaligtasan mula sa mapanganib na mga voltages ng linya sa pamamagitan ng paghihiwalay ng mga linya ng mataas na boltahe mula sa operator at iba pang mga bahagi ng system.
1. Transformer
Ang popular na antas ng paghihiwalay sa antas ay muling isang Transformer. Mayroong napakalaking mga application para sa mga transformer na ang pinaka-karaniwang paggamit ay upang magbigay ng mababang boltahe mula sa isang mapagkukunan ng mataas na boltahe. Ang transpormer ay walang mga koneksyon sa pagitan ng pangunahin at pangalawang ngunit maaaring bumaba ang boltahe mula sa mataas na boltahe AC hanggang sa mababang boltahe AC nang hindi nawawala ang paghihiwalay ng galvanic.
Ang imaheng nasa itaas ay nagpapakita ng isang step-down na transpormer sa aksyon kung saan ang pangunahing pag-input ng gilid ay konektado sa wall socket at ang pangalawa ay konektado sa isang resistive load. Ang isang tamang transpormer ng paghihiwalay ay may 1: 1 na liko ratio at huwag baguhin ang boltahe o kasalukuyang antas sa magkabilang panig. Ang nag-iisang layunin ng isolation transpormer ay upang magbigay ng paghihiwalay.
2. Relay
Ang relay ay isang tanyag na isolator na may malaking aplikasyon sa larangan ng electronics at electrical. Mayroong maraming iba't ibang mga uri ng relay na magagamit sa merkado ng electronics depende sa application. Ang mga tanyag na uri ay mga electromagnetic relay at solid state relay.
Ang isang electromagnetic relay ay gumagana sa mga bahagi ng Electromagnetic at mekanikal na palipat-lipat na madalas na tinutukoy bilang mga poste. Naglalaman ito ng isang electromagnet na gumagalaw sa poste at nakumpleto ang circuit. Lumilikha ang relay ng paghihiwalay kapag ang mga mataas na boltahe na circuit ay kailangang makontrol mula sa isang mababang boltahe na circuit o kabaligtaran. Sa ganitong sitwasyon ang parehong mga circuit ay nakahiwalay ngunit ang isang circuit ay maaaring pasiglahin ang relay upang makontrol ang isa pa.
Sa imahe sa itaas, ang dalawang mga circuit ay electrically independent sa bawat isa. Ngunit sa pamamagitan ng paggamit ng switch sa Circuit-1, maaaring makontrol ng gumagamit ang estado ng pagkarga sa circuit 2. Matuto nang higit pa tungkol sa kung paano magagamit ang isang relay sa isang Circuit.
Walang gaanong pagkakaiba sa pagitan ng Solid State Relay at electromekanical relay sa mga tuntunin ng pagtatrabaho. Ang mga relay ng solidong estado ay gumagana nang eksakto pareho ngunit ang bahagi ng electro-mechanical ay pinalitan ng isang diode na kontrolado ng optiko. Ang pagkakahiwalay ng galvanic ay maaaring maitayo dahil sa kawalan ng isang direktang koneksyon sa pagitan ng input at output ng solidong relay ng estado.
3. Mga Sensor ng Epekto ng Hall
Hindi na kailangang sabihin na ang kasalukuyang pagsukat ay isang bahagi ng Electrical at Electronics engineering. Mayroong iba't ibang mga uri ng kasalukuyang mga pamamaraan ng sensing magagamit. Kadalasan ang mga sukat ay kinakailangan para sa Mataas na boltahe at Mataas na kasalukuyang mga landas at ang binasang halagang kailangang ipadala sa isang mababang boltahe na circuitry na bahagi ng pagsukat ng circuit. Mula din sa pananaw ng gumagamit, mapanganib at imposibleng ipatupad ang nagsasalakay na pagsukat. Ang mga sensor ng Hall Effect ay nagbibigay ng tumpak na kasalukuyang pagsukat na tumpak at makakatulong upang masukat ang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng isang conductor sa isang hindi nagsasalakay na paraan. Nagbibigay ito ng wastong paghihiwalay at tinitiyak ang kaligtasan mula sa mapanganib na elektrisidad. Ang sensor ng Hall Effect ay gumagamit ng patlang na electromagnetic na nabuo sa buong konduktor upang matantya ang kasalukuyang dumadaloy dito.
Ang pangunahing singsing ay naka-hook sa isang konduktor sa isang hindi nakakaakit na paraan at ito ay nakahiwalay ng kuryente tulad ng ipinakita sa larawan sa itaas.
Mga Capacitor bilang isang Isolator
Ang hindi gaanong tanyag na pamamaraan para sa paghihiwalay ng mga circuit ay sa pamamagitan ng paggamit ng mga capacitor. Dahil sa kawalan ng husay at mapanganib na mga kinalabasan ng pagkabigo na ito ay hindi na ginusto, ngunit alam pa rin na maaaring magamit ito kapag nais mong bumuo ng isang crude isolator. Bina-block ng mga capacitor ang DC at pinapayagan ang pagpasa ng isang mataas na dalas ng signal ng AC. Dahil sa mahusay na pag-aari na ito, ang capacitor ay ginagamit bilang mga isolator sa mga disenyo kung saan ang mga alon ng DC ng dalawang mga circuit ay kailangang ma-block ngunit pinapayagan pa rin ang paghahatid ng data.
Ang imahe sa itaas ay nagpapakita ng mga capacitor ay ginagamit para sa mga layunin ng paghihiwalay. Ang transmiter at ang tatanggap ay parehong nakahiwalay, ngunit maaaring gawin ang komunikasyon sa data.
Pagkahiwalay ng Galvanic - Mga Aplikasyon
Napakahalaga ng paghihiwalay ng galvanic at ang application ay napakalaking. Ito ay isang mahalagang parameter sa mga kalakal ng consumer pati na rin sa sektor ng Industrial, Medical, at komunikasyon. Sa isang pang - industriya na pamilihan ng electronics, kinakailangan ng paghihiwalay ng galvanic para sa mga system ng Pamamahagi ng Lakas, mga generator ng kuryente, mga sistema ng pagsukat, mga kumokontrol sa Motor, mga aparato ng lohika na Input-Output, atbp.
Sa sektor ng medikal, ang paghihiwalay ay isa sa mga pangunahing priyoridad para sa kagamitan dahil ang mga aparatong medikal ay maaaring direktang konektado sa mga katawan ng pasyente. Ang mga nasabing aparato ay ECG, Endoscope, Defibrillator, iba't ibang mga uri ng imahinasyong aparato. Ang mga sistema ng komunikasyon sa antas ng consumer ay gumagamit din ng paghihiwalay ng galvanic. Ang isang karaniwang halimbawa ay Ethernet, Routers, Switchers, switch ng Telepono, atbp. Karaniwang mga kalakal ng consumer, tulad ng mga charger, SMPS, mga board ng lohika ng computer ang pinakakaraniwang mga produkto na gumagamit ng paghihiwalay ng galvanic.
Praktikal na Halimbawa ng paghihiwalay ng Galvanic
Ang circuit sa ibaba ay isang tipikal na circuit ng aplikasyon ng galvanically isolated Full-duplex IC MAX14852 (Para sa 500 kbps na bilis ng komunikasyon) o MAX14854 (Para sa 25 Mbps na bilis ng komunikasyon) sa linya ng komunikasyon ng RS-485 kasama ang unit ng micro-controller. Ang IC ay gawa ng sikat na semiconductor manufacturing company na Maxim Integrated.
Ang halimbawang ito ay isa sa mga pinakamahusay na halimbawa ng halimbawa ng paghihiwalay ng galvanic sa kagamitan sa industriya. Ang RS-485 ay isang malawakang ginagamit na tradisyunal na protocol ng komunikasyon na ginagamit sa kagamitan pang-industriya. Ang tanyag na paggamit ng RS-485 ay upang gamitin ang MODBUS na protokol sa segment na TTL.
Ipagpalagay na ang isang High boltahe AC transpormer ay nagbibigay ng data ng mga sensor na naka-install sa loob ng Transformer sa pamamagitan ng RS-485 protocol. Kailangang ikonekta ng isang aparato ang PLC gamit ang isang port na RS-485 upang anihin ang data mula sa transpormer. Ngunit ang problema ay nasa direktang linya ng komunikasyon. Gumagamit ang PLC ng napakababang antas ng boltahe at napaka-sensitibo sa mataas na ESD o paggulong ng alon. Kung ang isang direktang koneksyon ay nagtatrabaho, ang PLC ay maaaring nasa mataas na peligro at kailangang ihiwalay.
Ang mga IC na iyon ay lubhang kapaki-pakinabang upang maprotektahan ang PLC mula sa ESD o mga pagtaas.
Alinsunod sa datasheet, ang Parehong mga IC ay may kakayahang makatiis ng +/- 35kV ESD at 2.75kVrms makatiis ng boltahe ng paghihiwalay hanggang sa 60 segundo. Hindi lamang ito, ngunit kinumpirma din ng mga IC na iyon ang 445Vrms Working-isolation Voltage, ginagawa itong isang angkop na isolator na gagamitin sa kagamitan sa industriya na awtomatiko.