בידוד גלווני - בידוד אותות ובידוד כוח

תנור מיקרוגל ביתי ממוצע הפועל ב -110 / 220 וולט AC יכול לייצר בתוכו עד 2800 וולט, וזה קטלני בצורה מסוכנת. חוץ מזה יש לו גם מתח AC ברמה נמוכה יותר סביב 3.5 וולט להאיר את הלהט ומתח DC מוסדר כמו 5 וולט / 3.3 וולט לחלק האלקטרוניקה הדיגיטלית כמו התצוגה או טיימרים להפעלה. האם אי פעם תהיתם מה מונע ממתחים גבוהים אלה להגיע לאצבעותיכם דרך הכפתורים או המעטפת כשאתם נוגעים בתנור? התשובה לשאלתך היא "בידוד". בעת תכנון מוצרי אלקטרוניקה הכוללים יותר מסוג אחד של אותות או יותר ממתח הפעלה אחד, משתמשים בבידוד על מנת למנוע מאותו אות לבלגן את השני. זה גם ממלא תפקיד חיוני בבטיחות על ידי מניעת תנאי תקלה במוצרים ברמה תעשייתית. בידוד זה מכונה בדרך כלל בידוד גלווני. מדוע המונח "גלווני"? הסיבה לכך היא שגלווני מייצג את הזרם המיוצר על ידי פעולה כימית כלשהי, ומכיוון שאנו מבודדים זרם זה על ידי שבירת מגע מול המוליך הוא נקרא בידוד גלווני.

ישנם מספר סוגים של טכניקות בידוד גלווני, ובחירה נכונה תלויה בסוג הבידוד, תוך עמידה ביכולת, דרישות היישום וברור, גורם העלות מעורב גם כן. במאמר זה נלמד על סוגי הבידוד השונים, כיצד הם עובדים והיכן להשתמש בהם בעיצובים שלנו.

סוגי בידוד גלווני

• בידוד אותות
• בידוד מפלס כוח
• קבלים כמבודד

בידוד אותות

יש צורך בבידוד ברמת האות כאשר שני מעגלים בעלי אופי שונה מתקשרים זה עם זה באמצעות אות כלשהו. לדוגמא, שני מעגלים המשתמשים במקור כוח עצמאי והפעלת רמות מתח שונות. במקרים כאלה, כדי לבודד את הקרקע האינדיבידואלית של שני מקורות כוח עצמאיים ולתקשר בין שני המעגלים, נדרש בידוד ברמת האות.

בידוד האותות נעשה באמצעות בידודים מסוגים שונים. מבודדים אופטיים ואלקטרומגנטיים משמשים בעיקר למטרת בידוד אותות. שני המבודדים הללו מגנים על מקורות הקרקע השונים מפני שילוב יחד. לכל מבודד יש את עקרון ההפעלה היישומי והיישום הייחודיים עליהם נדון להלן.

1. מבודדים אופטיים

מבודד אופטי משתמש באורות כדי לתקשר בין שני מעגלים עצמאיים. בדרך כלל, מבודדים אופטיים המכונים מצמד אופטי כוללים שני רכיבים בתוך שבב סיליקון יחיד, דיודת פולטת אור ופוטו טרנזיסטור. הנורית נשלטת על ידי המעגל האחד וצד הטרנזיסטור מחובר למעגל השני. לכן, ה- LED והטרנזיסטור אינם מחוברים לחשמל. התקשורת נעשית רק באמצעות אורות, באופן אופטי.

שקול את התמונה לעיל. PC817 אופטואזולטור פופולרי מבודד שני מעגלים עצמאיים. מעגל 1 הוא מקור החשמל עם מתג, מעגל 2 הוא פלט ברמה לוגית המחובר עם ספק 5V אחר. מצב ההיגיון נשלט על ידי המעגל השמאלי. כאשר המתג נסגר, נורית הנורית בתוך מצמד האופטי נדלקת ומדליקה את הטרנזיסטור. מצב ההיגיון ישתנה מ- High ל- Low.

המעגל 1 והמעגל 2 מבודדים באמצעות המעגל הנ"ל. בידוד גלווני שימושי מאוד למעגל הנ"ל. ישנם מספר מצבים בהם רעש הקרקע בעל הפוטנציאל הגבוה המושרה בקרקע הפוטנציאלית הנמוכה ויוצר לולאת קרקע האחראית נוספת למדידות לא מדויקות. בדומה ל- PC817 ישנם סוגים רבים של מצמד אופטי לדרישות יישום שונות.

2. מבודדים אלקטרומגנטיים

מבטרי אופטיקה שימושיים לבידוד אותות DC, אך מבודדים אלקטרומגנטיים כמו שנאי אות קטנים שימושיים לבידוד אות AC. רובוטריקים כמו שנאי שמע מבודדים את הצדדים הראשוניים והמשניים שלהם אשר יכולים לשמש לבידוד אותות שמע שונים. שימוש נפוץ נוסף הוא בחומרת הרשת או בסעיף אתרנט. שנאי דופק משמשים לבידוד החיווט החיצוני עם חומרה פנימית. אפילו קווי טלפון משמשים מבודדי אותות מבוססי שנאי. אבל, מכיוון שנאים מבודדים באמצעות אלקטרומגנטיות, זה עובד רק עם AC.

מעל התמונה נמצא הסכימה הפנימית של שקע RJ45 עם שנאי דופק משולב לבידוד חלק MCU עם הפלט.

בידוד מפלס כוח

בידוד ברמת הספק נדרש לבודד התקנים רגישים לחשמל מקווים רועשים בעוצמה גבוהה או להיפך. כמו כן, בידוד מפלס הספק מספק בטיחות נאותה ממתחי קו מסוכנים על ידי בידוד קווי המתח הגבוה מהמפעיל ומחלקים אחרים של המערכת.

1. שנאי

מבודד רמת הכוח הפופולרי הוא שוב שנאי. ישנם יישומים עצומים עבור שנאים. השימוש הנפוץ ביותר הוא לספק מתח נמוך ממקור מתח גבוה. לשנאי אין חיבורים בין ראשוני למשני, אך הוא יכול להוריד את המתח מזרם מתח גבוה לזרם מתח נמוך מבלי לאבד את הבידוד הגלווני.

התמונה שלמעלה מציגה שנאי מדרגות בפעולה שבו הקלט הצדדי הראשי מחובר לשקע הקיר והמשני מחובר על פני עומס התנגדות. שנאי בידוד נאים יש יחס של 1: 1 פניות ואינם משנים את המתח או רמה נוכחית משני הצדדים. מטרתו הבלעדית של שנאי הבידוד היא לספק בידוד.

2. ממסרים

ממסר הוא מבודד פופולרי עם יישום ענק בתחום האלקטרוניקה והחשמל. ישנם סוגים רבים ושונים של ממסרים הזמינים בשוק האלקטרוניקה בהתאם ליישום. סוגים פופולריים הם ממסרים אלקטרומגנטיים וממסרי מצב מוצק.

ממסר אלקטרומגנטי עובד עם חלקים אלקטרומגנטיים ונעים מכנית המכונים לעתים קרובות קטבים. הוא מכיל אלקטרומגנט שמניע את הקוטב ומשלים את המעגל. ממסר יוצר בידוד כאשר יש לשלוט על מעגלי מתח גבוה ממעגל מתח נמוך או להיפך. במצב כזה שני המעגלים מבודדים אך מעגל אחד יכול להניע את הממסר לשליטה במעגל אחר.

בתמונה שלעיל, שני מעגלים אינם תלויים זה בזה. אך באמצעות המתג במעגל -1, המשתמש יכול לשלוט במצב העומס במעגל 2. למידע נוסף על אופן השימוש בממסר במעגל.

אין הבדל גדול בין ממסר מצב מוצק לממסר אלקטרומכני מבחינת העבודה. ממסרי מצב מוצק עובדים זהים לחלוטין אך החלק האלקטרו-מכני מוחלף בדיודה נשלטת אופטית. ניתן לבנות את הבידוד הגלווני בגלל היעדר קשר ישיר בין הקלט והפלט של ממסרי מצב מוצק.

3. חיישני אפקט הול

מיותר לציין שמדידת הזרם היא חלק מהנדסת חשמל ואלקטרוניקה. ישנם סוגים שונים של שיטות חישה נוכחיות. לעיתים קרובות המדידות נדרשות לנתיבי מתח גבוה וזרם גבוה והערך הנקרא צריך להישלח למעגלי מתח נמוך המהווים חלק ממעגל המדידה. גם מנקודת מבט המשתמש, מדידה פולשנית מסוכנת ובלתי אפשרית ליישום. חיישני הול אפקט מספקים מדידת זרם ללא מגע בצורה מדויקת ועוזרים למדוד את הזרם הזורם דרך מוליך בצורה לא פולשנית. הוא מספק בידוד תקין ומבטיח בטיחות מפני חשמל מסוכן. חיישן אפקט הול משתמש בשדה אלקטרומגנטי שנוצר על פני המוליך כדי לאמוד את הזרם הזורם דרכו.

טבעת הליבה מחוברת על מוליך באופן לא פולשני והיא מבודדת חשמלית כפי שמוצג בתמונה לעיל.

קבלים כמבודד

השיטה הפחות פופולרית לבידוד מעגלים היא באמצעות קבלים. בגלל חוסר יעילות ותוצאות כשל מסוכנות זה כבר לא מועדף, אך עדיין לדעת שזה עשוי להיות שימושי כשרוצים לבנות מבודד גס. קבלים חוסמים את DC ומאפשרים העברת אות AC בתדירות גבוהה. בשל מאפיין מצוין זה, הקבל משמש כמבודד בתכנונים בהם צריך לחסום זרמי DC של שני מעגלים אך עדיין מאפשרים העברת נתונים.

התמונה לעיל מציגה קבלים המשמשים למטרות בידוד. המשדר והמקלט שניהם מבודדים, אך ניתן לבצע את תקשורת הנתונים.

בידוד גלווני - יישומים

בידוד גלווני חיוני מאוד והיישום הוא עצום. זהו פרמטר חשוב במוצרי צריכה כמו גם בענף התעשייה, הרפואה והתקשורת. בראיון בשוק אלקטרוניקה תעשייתי, בידוד גלוונים נדרש עבור מערכות חלוק כוח, גנרטורים, מערכות מדידות, בקרי מנוע, מכשירי היגיון תשומה-תפוקה, וכו '

בשנות ה במגזר הרפואי, בידוד הוא אחת העדיפויות העיקריות של ציוד מכשור רפואי יכול להיות מחובר ישירות עם הגופים של המטופל. מכשירים כאלה הם א.ק.ג, אנדוסקופים, דפיברילטורים, סוגים שונים של מכשיר לדמיון. מערכות תקשורת ברמת הצרכן משתמשות גם בבידוד גלווני. דוגמה נפוצה אחת היא אתרנט, נתבים, מתגים, מתגי טלפון וכו 'מוצרי צריכה רגילים, כמו מטענים, SMPS, לוחות הלוגיקה של המחשב הם המוצרים הנפוצים ביותר המשתמשים בבידוד גלווני.

דוגמה מעשית לבידוד גלווני

המעגל שלהלן הוא מעגל יישום אופייני של IC MAX14852 (עבור מהירות תקשורת של 500 kbps) או MAX14854 (עבור מהירות תקשורת של 25 Mbps) מבודד גלוונית על קו תקשורת RS-485 עם יחידת המיקרו-בקר. ה- IC מיוצר על ידי חברת ייצור המוליכים למחצה הפופולרית Maxim Integrated.

דוגמה זו היא אחת הדוגמאות הטובות ביותר לדוגמא בידוד גלווני על ציוד תעשייתי. RS-485 הוא פרוטוקול תקשורת מסורתי בשימוש נרחב המשמש בציוד תעשייתי. השימוש הפופולרי ב- RS-485 הוא שימוש בפרוטוקול MODBUS על פני קטע TTL.

נניח ששנאי זרם מתח גבוה מספק נתוני חיישנים המותקנים בתוך השנאי באמצעות פרוטוקול RS-485. צריך לחבר מכשיר PLC עם יציאת RS-485 כדי לקצור את הנתונים מהשנאי. אך הבעיה היא בקו התקשורת הישיר. PLC משתמש ברמת מתח נמוכה מאוד ורגיש מאוד עם ESD או נחשול גבוה. אם נעשה שימוש בחיבור ישיר, ה- PLC יכול להיות בסיכון גבוה ויש לבודדו בצורה גלוונית.

מכשירי IC אלה שימושיים מאוד להגנה על ה- PLC מפני ESD או נחשולים.

בהתאם לגליון הנתונים, לשני ה- IC יש יכולת עמידה של +/- 35kV ESD ו- 2.75kVrms העמידים בפני מתח בידוד עד 60 שניות. לא רק זה, אלא גם מכשירי IC אלה מאשרים מתח בידוד עבודה 445Vrms, מה שהופך אותו לבודד מתאים לשימוש בציוד אוטומציה תעשייתי.