- Tipi di isolamento galvanico
- Isolamento del segnale
- Isolamento del livello di potenza
- Condensatori come isolatore
- Isolamento galvanico - Applicazioni
- Esempio pratico di isolamento galvanico
Un forno a microonde domestico medio funzionante a 110/220 V CA può produrre fino a 2800 V al suo interno, il che è pericolosamente letale. Oltre a ciò, ha anche una tensione CA di livello inferiore intorno a 3,5 V per illuminare il filamento e una tensione CC regolata come 5 V / 3,3 V per la parte elettronica digitale come il display o i timer per funzionare. Ti sei mai chiesto cosa impedisce a queste alte tensioni di raggiungere le tue dita attraverso i pulsanti o l'involucro quando tocchi il forno? La risposta alla tua domanda è "isolamento". Quando si progettano prodotti elettronici che coinvolgono più di un tipo di segnale o più di una tensione operativa, l'isolamento viene utilizzato per evitare che un segnale rovini l'altro. Svolge anche un ruolo fondamentale nella sicurezza prevenendo condizioni di guasto nei prodotti di livello industriale. Questo isolamento è generalmente indicato come isolamento galvanico. Perché il termine "Galvanico"? È perché galvanica rappresenta la corrente prodotta da una sorta di azione chimica, e poiché stiamo isolando questa corrente interrompendo il contatto del conduttore, viene chiamata isolamento galvanico.
Esistono diversi tipi di tecniche di isolamento galvanico e la scelta di quella giusta dipende dal tipo di isolamento, dalla capacità di resistenza, dai requisiti applicativi e, ovviamente, anche dal fattore costo. In questo articolo impareremo i diversi tipi di isolamento, come funzionano e dove usarli nei nostri progetti.
Tipi di isolamento galvanico
- Isolamento del segnale
- Isolamento del livello di potenza
- Condensatori come isolatore
Isolamento del segnale
L'isolamento del livello del segnale è necessario quando due circuiti di natura diversa comunicano tra loro utilizzando un tipo di segnale. Ad esempio, due circuiti che utilizzano una fonte di alimentazione indipendente e funzionano con diversi livelli di tensione. In tali casi, per isolare la massa individuale di due sorgenti di alimentazione indipendenti e per comunicare tra questi due circuiti, è richiesto l'isolamento del livello del segnale.
L'isolamento del segnale viene effettuato utilizzando diversi tipi di isolatori. Gli isolatori ottici ed elettromagnetici sono utilizzati principalmente a scopo di isolamento del segnale. Entrambi questi isolatori proteggono le diverse sorgenti di terra dalla combinazione. Ogni isolatore ha il proprio principio di funzionamento e applicazione unici, discussi di seguito.
1. Isolatori ottici
L'isolatore ottico utilizza le luci per comunicare tra due circuiti indipendenti. In genere, gli isolatori ottici noti come Optocoupler hanno due componenti all'interno di un singolo chip di silicio, un diodo a emissione di luce e un fototransistor. Il LED è controllato da un circuito e il lato transistor è collegato con l'altro circuito. Pertanto, il LED e il transistor non sono collegati elettricamente. La comunicazione avviene solo tramite luci, otticamente.
Considera l'immagine sopra. Un popolare optoisolatore PC817 sta isolando due circuiti indipendenti. Il circuito 1 è la fonte di alimentazione con un interruttore, il circuito 2 è un'uscita a livello logico collegata a una diversa alimentazione a 5V. Lo stato logico è controllato dal circuito sinistro. Quando l'interruttore viene chiuso, il LED all'interno del fotoaccoppiatore si accende e accende il transistor. Lo stato logico verrà modificato da Alto a Basso.
Il circuito 1 e il circuito 2 sono isolati utilizzando il circuito sopra. L'isolamento galvanico è molto utile per il circuito di cui sopra. Ci sono diverse situazioni in cui il rumore di terra ad alto potenziale indotto nella terra a basso potenziale e crea un anello di terra che è ulteriormente responsabile di misurazioni imprecise. Simile al PC817, esistono molti tipi di accoppiatore ottico per diversi requisiti applicativi.
2. Isolatori elettromagnetici
Optoisolatori sono utili per l'isolamento segnale continuo, ma isolatori elettromagnetici come piccoli trasformatori di segnale sono utili per l'isolamento segnale AC. I trasformatori come il trasformatore audio hanno i lati primario e secondario isolati che possono essere utilizzati per un diverso isolamento del segnale audio. Un altro utilizzo più comune è nell'hardware di rete o nella sezione Ethernet. I trasformatori di impulsi vengono utilizzati per isolare il cablaggio esterno con l'hardware interno. Anche le linee telefoniche vengono utilizzate isolatori di segnale basati su trasformatore. Ma, poiché i trasformatori sono isolati elettromagneticamente, funziona solo con AC.
L'immagine sopra è lo schema interno del jack RJ45 con trasformatore di impulsi integrato per isolare la parte MCU con l'uscita.
Isolamento del livello di potenza
Gli isolamenti del livello di potenza sono necessari per isolare i dispositivi sensibili a bassa potenza da linee rumorose ad alta potenza o viceversa. Inoltre, l'isolamento del livello di alimentazione fornisce un'adeguata sicurezza dalle tensioni di linea pericolose isolando le linee ad alta tensione dall'operatore e da altre parti del sistema.
1. Trasformatore
Il popolare isolatore del livello di potenza è ancora un trasformatore. Esistono enormi applicazioni per i trasformatori, l'uso più comune è fornire bassa tensione da una sorgente ad alta tensione. Il trasformatore non ha connessioni tra primario e secondario ma potrebbe abbassare la tensione da alta tensione AC a bassa tensione AC senza perdere l'isolamento galvanico.
L'immagine sopra mostra un trasformatore step-down in azione in cui l'ingresso del lato primario è collegato alla presa a muro e il secondario è collegato attraverso un carico resistivo. Un trasformatore di isolamento adeguato ha un rapporto di 1: 1 e non altera il livello di tensione o corrente su entrambi i lati. L'unico scopo del trasformatore di isolamento è fornire l'isolamento.
2. Relè
Relay è un isolatore popolare con una vasta applicazione nel campo dell'elettronica e dell'elettricità. Esistono molti tipi diversi di relè disponibili nel mercato dell'elettronica a seconda dell'applicazione. I tipi popolari sono relè elettromagnetici e relè a stato solido.
Un relè elettromagnetico funziona con parti elettromagnetiche e meccanicamente mobili spesso denominate poli. Contiene un elettromagnete che muove il polo e completa il circuito. Il relè crea isolamento quando i circuiti ad alta tensione devono essere controllati da un circuito a bassa tensione o viceversa. In una tale situazione entrambi i circuiti sono isolati ma un circuito potrebbe eccitare il relè per controllarne un altro.
Nell'immagine sopra, due circuiti sono elettricamente indipendenti l'uno dall'altro. Ma utilizzando l'interruttore sul circuito 1, l'utente può controllare lo stato del carico sul circuito 2. Ulteriori informazioni su come un relè può essere utilizzato in un circuito.
Non ci sono molte differenze tra relè a stato solido e relè elettromeccanico in termini di funzionamento. I relè a stato solido funzionano esattamente allo stesso modo, ma la parte elettromeccanica viene sostituita con un diodo controllato otticamente. L'isolamento galvanico può essere costruito a causa dell'assenza di una connessione diretta tra l'ingresso e l'uscita dei relè a stato solido.
3. Sensori ad effetto Hall
Inutile dire che la misurazione della corrente fa parte dell'ingegneria elettrica ed elettronica. Sono disponibili diversi tipi di metodi di rilevamento della corrente. Spesso le misurazioni sono richieste per percorsi ad alta tensione e alta corrente e il valore letto deve essere inviato a un circuito a bassa tensione che fa parte del circuito di misurazione. Anche dal punto di vista dell'utente, la misurazione invasiva è pericolosa e impossibile da implementare. I sensori a effetto Hall forniscono misurazioni accurate della corrente senza contatto e aiutano a misurare la corrente che scorre attraverso un conduttore in modo non invasivo. Fornisce un isolamento adeguato e garantisce la sicurezza dall'elettricità pericolosa. Il sensore ad effetto Hall utilizza il campo elettromagnetico generato attraverso il conduttore per stimare la corrente che lo attraversa.
L'anello centrale è agganciato su un conduttore in modo non invasivo ed è isolato elettricamente come mostrato nella figura sopra.
Condensatori come isolatore
Il metodo meno popolare per isolare i circuiti è usare i condensatori. A causa dell'inefficienza e dei pericolosi esiti di guasto, questo non è più preferito, ma si sa ancora che potrebbe tornare utile quando si desidera costruire un isolatore grezzo. I condensatori bloccano la CC e consentono il passaggio di un segnale CA ad alta frequenza. A causa di questa eccellente proprietà, il condensatore viene utilizzato come isolatore in progetti in cui le correnti CC di due circuiti devono essere bloccate ma consentendo comunque la trasmissione dei dati.
L'immagine sopra mostra i condensatori utilizzati per scopi di isolamento. Il trasmettitore e il ricevitore sono entrambi isolati, ma la comunicazione dei dati può essere eseguita.
Isolamento galvanico - Applicazioni
L'isolamento galvanico è molto essenziale e l'applicazione è enorme. È un parametro importante nei beni di consumo così come nel settore industriale, medico e delle comunicazioni. In un mercato dell'elettronica industriale, l'isolamento galvanico è richiesto per i sistemi di distribuzione dell'alimentazione, i generatori di corrente, i sistemi di misura, i controller del motore, i dispositivi logici di ingresso-uscita, ecc.
Nel settore medico, l'isolamento è una delle principali priorità per le apparecchiature in quanto i dispositivi medici possono essere collegati direttamente al corpo del paziente. Tali dispositivi sono ECG, endoscopi, defibrillatori, diversi tipi di dispositivi di immaginazione. Anche i sistemi di comunicazione a livello di consumatore utilizzano l'isolamento galvanico. Un esempio comune è Ethernet, router, switcher, interruttori telefonici, ecc. I normali beni di consumo, come caricabatterie, SMPS, schede logiche di computer sono i prodotti più comuni che utilizzano l'isolamento galvanico.
Esempio pratico di isolamento galvanico
Il circuito seguente è un tipico circuito di applicazione di IC Full-duplex MAX14852 (per velocità di comunicazione di 500 kbps) o MAX14854 (per velocità di comunicazione di 25 Mbps) isolato galvanicamente sulla linea di comunicazione RS-485 con l'unità del microcontrollore. L'IC è prodotto dalla famosa azienda produttrice di semiconduttori Maxim Integrated.
Questo esempio è uno dei migliori esempi di isolamento galvanico su apparecchiature industriali. RS-485 è un protocollo di comunicazione tradizionale ampiamente utilizzato nelle apparecchiature industriali. L'uso popolare di RS-485 è quello di impiegare il protocollo MODBUS sul segmento TTL.
Si supponga che un trasformatore CA ad alta tensione fornisca i dati dei sensori installati all'interno del trasformatore tramite il protocollo RS-485. È necessario collegare un dispositivo PLC con una porta RS-485 per raccogliere i dati dal trasformatore. Ma il problema è nella linea di comunicazione diretta. Il PLC utilizza un livello di tensione molto basso e molto sensibile con l'elevata ESD o sovratensione. Se viene utilizzata una connessione diretta, il PLC può essere ad alto rischio e deve essere isolato galvanicamente.
Questi circuiti integrati sono molto utili per proteggere il PLC da ESD o sovratensioni.
Come da scheda tecnica, entrambi i circuiti integrati hanno una capacità di resistenza di +/- 35 kV ESD e 2,75 kVrms resistono alla tensione di isolamento fino a 60 secondi. Non solo questo, ma questi circuiti integrati confermano anche la tensione di isolamento di lavoro di 445 Vrms, rendendolo un isolatore adatto da utilizzare nelle apparecchiature di automazione industriale.