- Arten der galvanischen Isolierung
- Signalisolation
- Leistungspegelisolation
- Kondensatoren als Isolator
- Galvanische Trennung - Anwendungen
- Praktisches Beispiel für galvanische Trennung
Ein durchschnittlicher Haushaltsmikrowellenherd, der mit 110 / 220V AC betrieben wird, kann bis zu 2800V in ihm erzeugen, was gefährlich tödlich ist. Außerdem hat es eine niedrigere Wechselspannung um 3,5 V zum Aufleuchten des Filaments und eine geregelte Gleichspannung wie 5 V / 3,3 V für den Teil der digitalen Elektronik wie das Display oder die Timer. Haben Sie sich jemals gefragt, was verhindert, dass diese hohen Spannungen beim Berühren des Ofens durch die Knöpfe oder das Gehäuse zu Ihren Fingern gelangen? Die Antwort auf Ihre Frage lautet "Isolation".. Bei der Entwicklung von Elektronikprodukten mit mehr als einem Signaltyp oder mehr als einer Betriebsspannung wird durch Isolation verhindert, dass ein Signal das andere durcheinander bringt. Es spielt auch eine wichtige Rolle für die Sicherheit, indem es Fehlerzustände in Industrieprodukten verhindert. Diese Isolation wird allgemein als galvanische Isolation bezeichnet. Warum der Begriff "galvanisch"? Dies liegt daran, dass Galvanik den Strom darstellt, der durch eine chemische Einwirkung erzeugt wird, und da wir diesen Strom durch Unterbrechen des Leiterkontakts isolieren, wird er als Galvanische Isolation bezeichnet.
Es gibt verschiedene Arten von galvanischen Isolationstechniken, und die Auswahl der richtigen Art hängt von der Art der Isolation, der Kapazität, den Anwendungsanforderungen und natürlich auch vom Kostenfaktor ab. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten der Isolation, wie sie funktionieren und wo sie in unseren Entwürfen verwendet werden.
Arten der galvanischen Isolierung
- Signalisolation
- Leistungspegelisolation
- Kondensatoren als Isolator
Signalisolation
Eine Signalpegelisolierung ist erforderlich, wenn zwei Schaltungen unterschiedlicher Art unter Verwendung eines Signaltyps miteinander kommunizieren. Zum Beispiel zwei Schaltkreise, die eine unabhängige Stromquelle verwenden und mit unterschiedlichen Spannungspegeln arbeiten. In solchen Fällen ist eine Isolation des Signalpegels erforderlich, um die einzelne Masse zweier unabhängiger Stromquellen zu isolieren und zwischen diesen beiden Schaltkreisen zu kommunizieren.
Die Signalisolierung erfolgt mithilfe verschiedener Isolatortypen. Optische und elektromagnetische Isolatoren werden hauptsächlich zur Signalisolierung verwendet. Beide Isolatoren schützen die verschiedenen Erdquellen vor dem Zusammenfügen. Jeder Isolator hat sein eigenes Funktionsprinzip und seine eigene Anwendung, die im Folgenden erläutert werden.
1. Optische Isolatoren
Der optische Isolator verwendet Lichter, um zwischen zwei unabhängigen Schaltkreisen zu kommunizieren. Typischerweise haben optische Isolatoren, auch Optokoppler genannt, zwei Komponenten in einem einzelnen Siliziumchip, eine Leuchtdiode und einen Fototransistor. Die LED wird von der einen Schaltung gesteuert und die Transistorseite ist mit der anderen Schaltung verbunden. Daher sind die LED und der Transistor nicht elektrisch verbunden. Die Kommunikation erfolgt optisch nur über Licht.
Betrachten Sie das obige Bild. Ein beliebter Optoisolator PC817 isoliert zwei unabhängige Schaltkreise. Schaltung 1 ist die Stromquelle mit einem Schalter, Schaltung 2 ist ein Logikpegelausgang, der mit einer anderen 5-V-Versorgung verbunden ist. Der logische Zustand wird von der linken Schaltung gesteuert. Wenn der Schalter geschlossen wird, leuchtet die LED im Optokoppler auf und schaltet den Transistor ein. Der logische Zustand wird von Hoch auf Niedrig geändert.
Die Schaltung 1 und die Schaltung 2 sind unter Verwendung der obigen Schaltung isoliert. Die galvanische Trennung ist für die obige Schaltung sehr nützlich. Es gibt verschiedene Situationen, in denen das Erdpotential mit hohem Potential in der Masse mit niedrigem Potential induziert wird und eine Erdschleife erzeugt, die ferner für ungenaue Messungen verantwortlich ist. Ähnlich wie bei PC817 gibt es viele Arten von Optokopplern für unterschiedliche Anwendungsanforderungen.
2. Elektromagnetische Isolatoren
Optoisolatoren sind nützlich für die DC-Signalisolation, aber elektromagnetische Isolatoren wie kleine Signaltransformatoren sind nützlich für die AC-Signalisolation. Transformatoren wie Audiotransformatoren haben ihre Primär- und Sekundärseite isoliert, was für unterschiedliche Audiosignalisolationen verwendet werden kann. Eine andere häufigste Verwendung ist die Netzwerkhardware oder der Ethernet-Bereich. Impulstransformatoren werden verwendet, um die externe Verkabelung mit interner Hardware zu isolieren. Sogar Telefonleitungen werden transformatorbasierte Signalisolatoren verwendet. Da Transformatoren jedoch elektromagnetisch isoliert sind, funktioniert dies nur mit Wechselstrom.
Das obige Bild zeigt das interne Schema der RJ45-Buchse mit integriertem Impulstransformator zum Isolieren des MCU-Teils mit dem Ausgang.
Leistungspegelisolation
Leistungspegelisolierungen sind erforderlich, um Geräte mit geringer Leistungsempfindlichkeit von verrauschten Leitungen mit hoher Leistung zu isolieren oder umgekehrt. Die Isolation des Leistungspegels bietet außerdem eine angemessene Sicherheit vor gefährlichen Netzspannungen, indem die Hochspannungsleitungen vom Bediener und anderen Teilen des Systems getrennt werden.
1. Transformator
Der beliebte Leistungspegelisolator ist wieder ein Transformator. Es gibt enorme Anwendungen für Transformatoren. Die häufigste Verwendung besteht darin, Niederspannung von einer Hochspannungsquelle bereitzustellen. Der Transformator hat keine Verbindungen zwischen Primär- und Sekundärstrom, kann jedoch die Spannung von Hochspannungswechselstrom auf Niederspannungswechselstrom senken, ohne die galvanische Trennung zu verlieren.
Das obige Bild zeigt einen Abwärtstransformator in Aktion, bei dem der primärseitige Eingang in die Wandsteckdose und der sekundäre Eingang über eine ohmsche Last angeschlossen ist. Ein geeigneter Trenntransformator hat ein Übersetzungsverhältnis von 1: 1 und ändert weder den Spannungs- noch den Strompegel auf beiden Seiten. Der einzige Zweck des Trenntransformators besteht darin, eine Isolation bereitzustellen.
2. Relais
Relais ist ein beliebter Isolator mit einer großen Anwendung auf dem Gebiet der Elektronik und Elektrik. Je nach Anwendung gibt es auf dem Elektronikmarkt viele verschiedene Arten von Relais. Beliebte Typen sind elektromagnetische Relais und Halbleiterrelais.
Ein elektromagnetisches Relais arbeitet mit elektromagnetischen und mechanisch beweglichen Teilen, die oft als Pole bezeichnet werden. Es enthält einen Elektromagneten, der den Pol bewegt und den Stromkreis vervollständigt. Das Relais erzeugt eine Isolation, wenn Hochspannungskreise von einem Niederspannungskreis gesteuert werden müssen oder umgekehrt. In einer solchen Situation sind beide Stromkreise isoliert, aber ein Stromkreis könnte das Relais erregen, um einen anderen zu steuern.
In dem obigen Bild sind zwei Schaltungen elektrisch unabhängig voneinander. Mit dem Schalter an Schaltung 1 kann der Benutzer den Lastzustand auf Schaltung 2 steuern. Erfahren Sie mehr darüber, wie ein Relais in einer Schaltung verwendet werden kann.
Es gibt keinen großen Unterschied zwischen Halbleiterrelais und elektromechanischem Relais in Bezug auf die Arbeitsweise. Halbleiterrelais funktionieren genauso, aber der elektromechanische Teil wird durch eine optisch gesteuerte Diode ersetzt. Die galvanische Trennung kann aufgrund des Fehlens einer direkten Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Halbleiterrelais aufgebaut werden.
3. Hall-Effekt-Sensoren
Selbstverständlich gehört die Strommessung zur Elektrotechnik und Elektronik. Es stehen verschiedene Arten von Stromerfassungsmethoden zur Verfügung. Oft sind die Messungen für Hochspannungs- und Hochstrompfade erforderlich, und der gelesene Wert muss an eine Niederspannungsschaltung gesendet werden, die Teil der Messschaltung ist. Auch aus Anwendersicht ist eine invasive Messung gefährlich und unmöglich durchzuführen. Hall-Effekt-Sensoren ermöglichen eine genaue Messung des berührungslosen Stroms und helfen dabei, den durch einen Leiter fließenden Strom nicht-invasiv zu messen. Es bietet eine ordnungsgemäße Isolierung und gewährleistet die Sicherheit vor gefährlichem Strom. Der Hall-Effekt-Sensor verwendet ein über den Leiter erzeugtes elektromagnetisches Feld, um den durch ihn fließenden Strom abzuschätzen.
Der Kernring wird nichtinvasiv über einen Leiter eingehängt und wie in der Abbildung oben gezeigt elektrisch isoliert.
Kondensatoren als Isolator
Die am wenigsten verbreitete Methode zum Trennen von Schaltkreisen ist die Verwendung von Kondensatoren. Aufgrund von Ineffizienz und gefährlichen Ausfallergebnissen wird dies nicht mehr bevorzugt, aber Sie wissen immer noch, dass es nützlich sein kann, wenn Sie einen groben Isolator bauen möchten. Kondensatoren blockieren Gleichstrom und ermöglichen das Weiterleiten eines hochfrequenten Wechselstromsignals. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaft wird der Kondensator als Isolator in Konstruktionen verwendet, bei denen Gleichströme von zwei Schaltkreisen blockiert werden müssen, aber dennoch die Datenübertragung ermöglichen.
Das obige Bild zeigt, dass Kondensatoren zu Isolationszwecken verwendet werden. Sender und Empfänger sind beide isoliert, aber die Datenkommunikation kann erfolgen.
Galvanische Trennung - Anwendungen
Die galvanische Trennung ist sehr wichtig und die Anwendung ist riesig. Es ist ein wichtiger Parameter in Konsumgütern sowie im Industrie-, Medizin- und Kommunikationssektor. In einem Markt für Industrieelektronik ist eine galvanische Trennung für Stromverteilungssysteme, Stromerzeuger, Messsysteme, Motorsteuerungen, Eingabe-Ausgabe-Logikgeräte usw. erforderlich.
Im medizinischen Bereich ist die Isolation eine der Hauptprioritäten für die Ausrüstung, da medizinische Geräte direkt mit dem Körper des Patienten verbunden werden können. Solche Geräte sind EKG, Endoskope, Defibrillatoren und verschiedene Arten von Bildgebungsgeräten. Kommunikationssysteme auf Verbraucherebene verwenden ebenfalls eine galvanische Trennung. Ein häufiges Beispiel sind Ethernet, Router, Switches, Telefon-Switches usw. Normale Konsumgüter wie Ladegeräte, SMPS und Computerplatinen sind die am häufigsten verwendeten Produkte mit galvanischer Trennung.
Praktisches Beispiel für galvanische Trennung
Die folgende Schaltung ist eine typische Anwendungsschaltung eines galvanisch isolierten Vollduplex-IC MAX14852 (für eine Kommunikationsgeschwindigkeit von 500 kbit / s) oder eines MAX14854 (für eine Kommunikationsgeschwindigkeit von 25 Mbit / s) auf einer RS-485-Kommunikationsleitung mit der Mikrocontrollereinheit. Der IC wird vom beliebten Halbleiterhersteller Maxim Integrated hergestellt.
Dieses Beispiel ist eines der besten Beispiele für die galvanische Trennung von Industrieanlagen. RS-485 ist ein weit verbreitetes traditionelles Kommunikationsprotokoll, das in Industrieanlagen verwendet wird. Die beliebte Verwendung von RS-485 ist die Verwendung des MODBUS- Protokolls über das TTL-Segment.
Angenommen, ein Hochspannungs-Wechselstromtransformator liefert Sensordaten, die über das RS-485-Protokoll im Transformator installiert sind. Man muss ein SPS-Gerät mit einem RS-485-Port verbinden, um die Daten vom Transformator zu sammeln. Das Problem liegt jedoch in der direkten Kommunikationsleitung. Die SPS verwendet einen sehr niedrigen Spannungspegel und ist sehr empfindlich gegenüber hoher ESD oder Überspannung. Wenn eine direkte Verbindung verwendet wird, kann die SPS einem hohen Risiko ausgesetzt sein und muss galvanisch isoliert werden.
Diese ICs sind sehr nützlich, um die SPS vor ESD oder Überspannungen zu schützen.
Gemäß Datenblatt haben beide ICs eine Widerstandskapazität von +/- 35 kV ESD und 2,75 kVeff halten einer Isolationsspannung von bis zu 60 Sekunden stand. Nicht nur das, sondern diese ICs bestätigen auch die Arbeitssperrspannung von 445 Veff, was sie zu einem geeigneten Isolator für industrielle Automatisierungsgeräte macht.