- Tipus d’aïllament galvànic
- Aïllament del senyal
- Aïllament del nivell de potència
- Condensadors com a aïllant
- Aïllament galvànic - Aplicacions
- Exemple pràctic d’aïllament galvànic
Un forn de microones domèstic mitjà que funciona a 110 / 220V CA pot produir fins a 2800V al seu interior, que és perillosament letal. A més, també té un voltatge de CA de nivell inferior al voltant de 3,5 V per il·luminar el filament i una tensió de CC regulada com 5V / 3,3V per a la part de l’electrònica digital, com ara la pantalla o els temporitzadors. Us heu preguntat mai què impedeix que aquestes altes tensions arribin als dits a través dels botons o de la carcassa quan toqueu el forn? La resposta a la vostra pregunta és "aïllament". Quan es dissenyen productes electrònics que impliquen més d’un tipus de senyal o més d’un voltatge de funcionament, s’utilitza l’aïllament per evitar que un senyal confongui l’altre. També juga un paper vital en la seguretat en prevenir les falles en productes de qualitat industrial. Aquest aïllament es coneix generalment com a aïllament galvànic. Per què el terme "galvànic"? Es deu al fet que el galvànic representa el corrent produït per algun tipus d'acció química i, ja que estem aïllant aquest corrent trencant el contacte del conductor, es denomina aïllament galvànic.
Hi ha diversos tipus de tècniques d’aïllament galvànic i l’elecció de la correcta depèn del tipus d’aïllament, de la capacitat de suport, dels requisits d’aplicació i, òbviament, també intervé el factor de cost. En aquest article coneixerem els diferents tipus d’aïllament, com funcionen i on utilitzar-los en els nostres dissenys.
Tipus d’aïllament galvànic
- Aïllament del senyal
- Aïllament del nivell de potència
- Condensadors com a aïllant
Aïllament del senyal
Es requereix un aïllament del nivell de senyal quan dos circuits de diferent naturalesa es comuniquen entre si mitjançant algun tipus de senyal. Per exemple, dos circuits que utilitzen una font d'alimentació independent i que funcionen amb diferents nivells de tensió. En aquests casos, per aïllar la terra individual de dues fonts d'alimentació independents i comunicar-se entre aquests dos circuits, es requereix un aïllament del nivell de senyal.
L'aïllament del senyal es fa mitjançant diferents tipus d'aïlladors. Els aïlladors òptics i electromagnètics s’utilitzen principalment per a propòsits d’aïllament de senyals. Aquests aïlladors protegeixen les diferents fonts del sòl de combinar-se. Cada aïllador té el seu propi principi de funcionament i aplicació, que es descriuen a continuació.
1. Aïlladors òptics
L'aïllador òptic utilitza llums per comunicar-se entre dos circuits independents. Normalment, els aïlladors òptics també coneguts com Optocoupler tenen dos components dins d’un sol xip de silici, un díode emissor de llum i un fototransistor. El LED està controlat per un circuit i el costat del transistor està connectat amb l’altre circuit. Per tant, el LED i el transistor no estan connectats elèctricament. La comunicació només es fa mitjançant llums, òpticament.
Penseu en la imatge anterior. Un popular optoisolador PC817 aïlla dos circuits independents. El circuit 1 és la font d'alimentació amb un commutador, el circuit 2 és una sortida de nivell lògic connectada amb una font de 5V diferent. L'estat lògic està controlat pel circuit esquerre. Quan es tanca l’interruptor, el LED de l’interior de l’optocoplador s’encén i encén el transistor. L'estat lògic canviarà d'Alt a Baix.
El circuit 1 i el circuit 2 s’aïllen mitjançant el circuit anterior. L'aïllament galvànic és molt útil per al circuit anterior. Hi ha diverses situacions en què l’alt soroll potencial del sòl induït al sòl baix potencial crea un bucle de terra que és responsable de mesures inexactes. Similar a PC817, hi ha molts tipus d’optocopladors per a diferents requisits d’aplicació.
2. Aïlladors electromagnètics
Els optoisoladors són útils per a l' aïllament del senyal de CC, però els aïlladors electromagnètics com els transformadors de senyal petits són útils per a l' aïllament del senyal de corrent altern. Els transformadors com el transformador d’àudio tenen els costats primari i secundari aïllats que es poden utilitzar per a diferents aïllaments de senyals d’àudio. Un altre ús més comú és el maquinari de xarxa o la secció Ethernet. Els transformadors de pols s’utilitzen per aïllar el cablejat extern amb el maquinari intern. Fins i tot les línies telefòniques s’utilitzen aïlladors de senyal basats en transformadors. Però, com que els transformadors estan aïllats electromagnèticament, només funciona amb corrent altern.
A la imatge superior es mostra l’esquema intern de la presa RJ45 amb transformador d’impulsos integrat per aïllar la porció MCU amb la sortida.
Aïllament del nivell de potència
Es requereixen aïllaments de nivell de potència per aïllar dispositius sensibles a baixa potència de línies sorolloses d’alta potència o viceversa. A més, l’aïllament del nivell de potència proporciona una seguretat adequada contra tensions de línia perilloses aïllant les línies d’alta tensió de l’operador i d’altres parts del sistema.
1. Transformador
El popular aïllador de nivell de potència torna a ser un transformador. Hi ha enormes aplicacions per a transformadors; l’ús més habitual és proporcionar baixa tensió a partir d’una font d’alta tensió. El transformador no té connexions entre primària i secundària, però podria reduir el voltatge de CA d'alta tensió a CA baixa tensió sense perdre l'aïllament galvànic.
La imatge anterior mostra un transformador reductor en acció on l’entrada lateral principal està connectada a la presa de paret i la secundària es connecta a través d’una càrrega resistiva. Un transformador d’aïllament adequat té una relació de girs d’1: 1 i no modifica la tensió ni el nivell de corrent per ambdues cares. L’únic propòsit del transformador d’aïllament és proporcionar aïllament.
2. Relleus
Relay és un popular aïllador amb una gran aplicació en el camp de l’electrònica i l’electrònica. Hi ha molts tipus diferents de relés disponibles al mercat de l'electrònica en funció de l'aplicació. Els tipus més populars són els relés electromagnètics i els relés d’estat sòlid.
Un relé electromagnètic funciona amb peces electromagnètiques i mecàniques que sovint es coneixen com a pols. Conté un electroimant que mou el pol i completa el circuit. El relé crea aïllament quan cal controlar els circuits d’alta tensió des d’un circuit de baixa tensió o viceversa. En aquesta situació, ambdós circuits estan aïllats, però un circuit podria dinamitzar el relé per controlar-ne un altre.
A la imatge anterior, dos circuits són elèctricament independents entre si. Però mitjançant l’interruptor del Circuit-1, l’usuari pot controlar l’estat de la càrrega del circuit 2. Més informació sobre com es pot utilitzar un relé en un Circuit.
No hi ha molta diferència entre el relé d’estat sòlid i el relé electromecànic pel que fa al funcionament. Els relés d’estat sòlid funcionen exactament igual, però la part electromecànica es substitueix per un díode controlat òpticament. L'aïllament galvànic es pot acumular a causa de l'absència d'una connexió directa entre l'entrada i la sortida dels relés d'estat sòlid.
3. Sensors d'efecte Hall
No cal dir que la mesura de corrent forma part de l’enginyeria elèctrica i electrònica. Hi ha diferents tipus de mètodes de detecció actuals disponibles. Sovint les mesures són necessàries per a trajectòries d’alta i alta tensió i el valor llegit s’ha d’enviar a un circuit de baixa tensió que forma part del circuit de mesura. També des de la perspectiva de l’usuari, la mesura invasiva és perillosa i impossible d’implementar. Els sensors d’efecte Hall proporcionen una mesura de corrent sense contacte amb precisió i ajuden a mesurar el corrent que circula a través d’un conductor d’una manera no invasiva. Proporciona un aïllament adequat i garanteix la seguretat contra l’electricitat perillosa. El sensor d’efecte Hall utilitza un camp electromagnètic generat a través del conductor per estimar el corrent que hi circula.
L'anell del nucli està enganxat sobre un conductor d'una manera no invasiva i està aïllat elèctricament tal com es mostra a la imatge superior.
Condensadors com a aïllant
El mètode menys popular per aïllar circuits és utilitzar condensadors. A causa de la ineficiència i els resultats de fallades perilloses, això ja no es prefereix, però, tot i saber-ho, pot ser útil quan es vulgui construir un aïllant cru. Els condensadors bloquegen CC i permeten passar un senyal de CA d'alta freqüència. A causa d’aquesta excel·lent propietat, el condensador s’utilitza com a aïlladors en dissenys on cal bloquejar corrents de CC de dos circuits però que permetin la transmissió de dades.
La imatge superior mostra els condensadors que s’utilitzen amb finalitats d’aïllament. El transmissor i el receptor estan aïllats, però es pot fer la comunicació de dades.
Aïllament galvànic - Aplicacions
L’aïllament galvànic és molt essencial i l’aplicació és enorme. És un paràmetre important en els béns de consum, així com en el sector industrial, mèdic i de la comunicació. En un mercat d’electrònica industrial, l’aïllament galvànic és necessari per als sistemes de distribució d’energia, generadors d’energia, sistemes de mesura, controladors de motors, dispositius lògics d’entrada-sortida, etc.
En el sector mèdic, l'aïllament és una de les principals prioritats dels equips, ja que els dispositius mèdics es poden connectar directament amb els cossos del pacient. Aquests dispositius són ECG, endoscopis, desfibril·ladors, diferents tipus de dispositius d’imaginació. Els sistemes de comunicació a nivell de consumidor també utilitzen l'aïllament galvànic. Un exemple comú és Ethernet, routers, commutadors, commutadors de telèfon, etc. Els productes de consum normal, com ara carregadors, SMPS, les plaques lògiques de l'ordinador, són els productes més habituals que utilitzen l'aïllament galvànic.
Exemple pràctic d’aïllament galvànic
El següent circuit és un circuit d’aplicació típic d’IC Full-duplex aïllat galvànicament MAX14852 (per a velocitat de comunicació de 500 kbps) o MAX14854 (per a velocitat de comunicació de 25 Mbps) a la línia de comunicació RS-485 amb la unitat de microcontrolador. El CI és fabricat per la popular empresa de fabricació de semiconductors Maxim Integrated.
Aquest exemple és un dels millors exemples d’aïllament galvànic en equips industrials. RS-485 és un protocol de comunicació tradicional àmpliament utilitzat utilitzat en equips industrials. L'ús popular del RS-485 és utilitzar el protocol MODBUS sobre el segment TTL.
Suposem que un transformador de CA d'alta tensió proporciona dades de sensors que s'instal·len a l'interior del transformador mitjançant el protocol RS-485. Cal connectar un dispositiu PLC amb un port RS-485 per recollir les dades del transformador. Però el problema està en la línia de comunicació directa. El PLC utilitza un nivell de voltatge molt baix i molt sensible amb l’alta ESD o la sobretensió. Si s’utilitza una connexió directa, el PLC pot tenir un risc elevat i s’ha d’aïllar galvànicament.
Aquests circuits integrats són molt útils per protegir el PLC contra ESD o sobretensions.
Segons el full de dades, ambdós circuits integrats tenen una capacitat de resistència de +/- 35kV ESD i 2,75kVrms suporten un voltatge d’aïllament de fins a 60 segons. No només això, sinó que aquests CI també confirmen la tensió d’aïllament de treball de 445Vrms, cosa que el converteix en un aïllador adequat per utilitzar en equips d’automatització industrial.