- Galvanik İzolasyon Çeşitleri
- Sinyal İzolasyonu
- Güç Seviyesi İzolasyonu
- İzolatör Olarak Kondansatörler
- Galvanik izolasyon - Uygulamalar
- Pratik Galvanik izolasyon Örneği
110 / 220V AC'de çalışan ortalama bir ev tipi mikrodalga fırın, içinde 2800V'a kadar üretebilir ve bu da tehlikeli derecede ölümcüldür. Bunun yanı sıra, filamanı aydınlatmak için 3.5V civarında daha düşük bir AC voltaj seviyesine ve ekran veya zamanlayıcılar gibi dijital elektronik parçanın çalışması için 5V / 3.3V gibi regüle edilmiş bir DC voltajına sahiptir. Fırına dokunduğunuzda bu yüksek voltajların düğmelerden veya kasadan parmaklarınıza ulaşmasını neyin engellediğini hiç merak ettiniz mi? Sorunuzun cevabı "izolasyon" dur. Birden fazla sinyal türü veya birden fazla çalışma voltajı içeren elektronik ürünler tasarlanırken, bir sinyalin diğerini karıştırmasını önlemek için izolasyon kullanılır. Ayrıca endüstriyel sınıf ürünlerde arıza koşullarını önleyerek güvenlik açısından hayati bir rol oynar. Bu izolasyona genel olarak Galvanik izolasyon denir. Neden "Galvanik" terimi? Çünkü galvanik, bir tür kimyasal eylem tarafından üretilen akımı temsil eder ve bu akımı iletken kontağını keserek izole ettiğimiz için buna Galvanik İzolasyon denir.
Birkaç çeşit galvanik izolasyon tekniği vardır ve doğru olanı seçmek, izolasyon tipine, dayanma kapasitesine, uygulama gereksinimlerine bağlıdır ve tabii ki maliyet faktörü de söz konusudur. Bu yazıda farklı izolasyon türleri, nasıl çalıştıkları ve tasarımlarımızda nerede kullanılacağını öğreneceğiz.
Galvanik İzolasyon Çeşitleri
- Sinyal İzolasyonu
- Güç Seviyesi İzolasyonu
- İzolatör Olarak Kondansatörler
Sinyal İzolasyonu
Farklı yapıdaki iki devrenin bir tür sinyal kullanarak birbiriyle iletişim kurduğu durumlarda sinyal seviyesi izolasyonu gereklidir. Örneğin, bağımsız güç kaynağı kullanan ve farklı voltaj seviyelerinde çalışan iki devre. Bu gibi durumlarda, iki bağımsız güç kaynağının ayrı topraklamasını izole etmek ve bu iki devre arasında iletişim kurmak için sinyal seviyesinde izolasyon gereklidir.
Farklı tip izolatörler kullanılarak sinyal izolasyonu yapılır. Optik ve elektromanyetik izolatörler büyük ölçüde sinyal izolasyonu amacıyla kullanılır. Her iki izolatör de farklı toprak kaynaklarının bir araya gelmesini engeller. Her İzolatörün, aşağıda tartışılan kendine özgü çalışma prensibi ve uygulaması vardır.
1. Optik İzolatörler
Optik izolatör , iki bağımsız devre arasında iletişim kurmak için ışıkları kullanır. Tipik olarak, Optocoupler olarak adlandırılan optik izolatörler, tek bir silikon çip, bir ışık yayan diyot ve bir fototransistör içinde iki bileşene sahiptir. LED, bir devre tarafından kontrol edilir ve transistör tarafı diğer devreye bağlanır. Bu nedenle, LED ve transistör elektriksel olarak bağlı değildir. İletişim yalnızca ışıklarla optik olarak yapılır.
Yukarıdaki resmi düşünün. Popüler bir optoizolatör PC817, iki bağımsız devreyi izole ediyor. Devre 1, anahtarlı güç kaynağıdır; devre 2, farklı bir 5V beslemesine bağlanan mantık seviyesi çıkışıdır. Mantık durumu, sol devre tarafından kontrol edilir. Anahtar kapatıldığında, optokuplörün içindeki LED yanar ve transistörü açar. Mantık durumu Yüksek'ten Düşük'e değiştirilecektir.
Devre 1 ve devre 2, yukarıdaki devre kullanılarak izole edilir. Galvanik izolasyon yukarıdaki devre için çok kullanışlıdır. Düşük potansiyelli zeminde yüksek potansiyel toprak gürültüsünün indüklendiği ve hatalı ölçümlerden daha fazla sorumlu olan bir toprak döngüsü oluşturduğu birkaç durum vardır. PC817'ye benzer şekilde, farklı uygulama gereksinimleri için birçok Optocoupler türü vardır.
2. Elektromanyetik İzolatörler
Optoizolatörler DC sinyal izolasyonu için kullanışlıdır, ancak küçük sinyal transformatörleri gibi elektromanyetik izolatörler AC sinyal izolasyonu için kullanışlıdır. Ses transformatörü gibi transformatörlerin, farklı ses sinyali izolasyonu için kullanılabilen birincil ve ikincil tarafları izole edilmiştir. Diğer en yaygın kullanım, ağ donanımı veya Ethernet bölümündedir. Darbe transformatörleri, harici kablolamayı dahili donanımla izole etmek için kullanılır. Telefon hatlarında bile trafo tabanlı sinyal izolatörleri kullanılmaktadır. Ancak, transformatörler elektromanyetik olarak izole edildiğinden, yalnızca AC ile çalışır.
Yukarıdaki görüntü, MCU kısmını Çıkış ile izole etmek için entegre darbe transformatörlü RJ45 jakının dahili şematiğidir.
Güç Seviyesi İzolasyonu
Düşük güce duyarlı cihazları yüksek güçlü gürültülü hatlardan veya tam tersi şekilde izole etmek için güç seviyesi izolasyonları gereklidir. Ayrıca güç seviyesi izolasyonu, yüksek gerilim hatlarını operatörden ve sistemin diğer bölümlerinden izole ederek tehlikeli hat gerilimlerine karşı uygun güvenlik sağlar.
1. Trafo
Popüler güç seviyesi izolatörü yine bir Transformatördür. Transformatörler için muazzam uygulamalar vardır, en yaygın kullanım, yüksek voltaj kaynağından düşük voltaj sağlamaktır. Transformatörün birincil ve ikincil arasında bağlantıları yoktur, ancak galvanik izolasyonu kaybetmeden voltajı yüksek voltajlı AC'den düşük voltajlı AC'ye düşürebilir.
Yukarıdaki görüntü, birincil yan girişin duvar prizine bağlandığı ve sekonderin dirençli bir yüke bağlandığı bir aşamalı transformatörün çalışmasını göstermektedir. Bir 1 döner oranı: Uygun yalıtım transformatörü 1 sahiptir ve her iki tarafta voltaj veya akım seviyesinin değiştirmez. İzolasyon transformatörünün tek amacı izolasyon sağlamaktır.
2. Röleler
Röle, elektronik ve elektrik alanında büyük bir uygulama alanına sahip popüler bir izolatördür. Uygulamaya bağlı olarak elektronik pazarında birçok farklı röle türü bulunmaktadır. Popüler türler Elektromanyetik röleler ve katı hal röleleridir.
Elektromanyetik röle, genellikle kutup olarak adlandırılan Elektromanyetik ve Mekanik olarak hareketli parçalarla çalışır. Direği hareket ettiren ve devreyi tamamlayan bir elektromıknatıs içerir. Röle, yüksek voltaj devrelerinin düşük voltajlı bir devreden kontrol edilmesi gerektiğinde veya tam tersi olduğunda izolasyon oluşturur. Böyle bir durumda her iki devre de yalıtılmıştır, ancak bir devre diğerini kontrol etmesi için röleye enerji verebilir.
Yukarıdaki görüntüde iki devre elektriksel olarak birbirinden bağımsızdır. Ancak Circuit-1 üzerindeki anahtarı kullanarak, kullanıcı devre 2 üzerindeki yükün durumunu kontrol edebilir. Bir Rölenin Devrede nasıl kullanılabileceği hakkında daha fazla bilgi edinin.
Solid State Röle ile elektromekanik röle arasında çalışma açısından pek bir fark yoktur . Katı hal röleleri tam olarak aynı şekilde çalışır, ancak elektro-mekanik kısım optik olarak kontrol edilen bir diyotla değiştirilir. Katı hal rölelerinin giriş ve çıkışı arasında doğrudan bir bağlantı olmaması nedeniyle galvanik izolasyon oluşturulabilir.
3. Hall Etkisi Sensörleri
Akım ölçümünün Elektrik ve Elektronik mühendisliğinin bir parçası olduğunu söylemeye gerek yok. Farklı tipte akım algılama yöntemleri mevcuttur. Genellikle ölçümler, Yüksek voltaj ve Yüksek akım yolları için gereklidir ve okunan değer, ölçüm devresinin bir parçası olan bir düşük voltaj devresine gönderilmelidir. Ayrıca kullanıcı açısından bakıldığında, invaziv ölçüm tehlikelidir ve uygulanması imkansızdır. Hall Effect sensörleri, temassız akım ölçümünü doğru bir şekilde sağlar ve bir iletkenden geçen akımı invazif olmayan bir şekilde ölçmeye yardımcı olur. Uygun izolasyon sağlar ve tehlikeli elektrikten güvenlik sağlar. Hall Etkisi sensörü, içinden geçen akımı tahmin etmek için iletken boyunca üretilen elektromanyetik alanı kullanır.
Çekirdek halka, invazif olmayan bir şekilde bir iletkene bağlanır ve yukarıdaki resimde gösterildiği gibi elektriksel olarak izole edilmiştir.
İzolatör Olarak Kondansatörler
Devreleri izole etmek için en az popüler yöntem kapasitörler kullanmaktır. Verimsizlik ve tehlikeli arıza sonuçları nedeniyle bu artık tercih edilmiyor, ancak yine de ham bir izolatör yapmak istediğinizde kullanışlı olabileceğini bilmek. Kapasitörler DC'yi engeller ve yüksek frekanslı bir AC sinyalinin geçmesine izin verir. Bu mükemmel özellik nedeniyle, kondansatör, iki devrenin DC akımlarının bloke edilmesi gereken, ancak yine de veri aktarımına izin veren tasarımlarda izolatör olarak kullanılır.
Yukarıdaki görüntü, kondansatörlerin izolasyon amacıyla kullanıldığını göstermektedir. Verici ve alıcı izole edilmiştir, ancak veri iletişimi yapılabilir.
Galvanik izolasyon - Uygulamalar
Galvanik izolasyon çok önemlidir ve uygulama çok büyüktür. Tüketim mallarında olduğu kadar Endüstriyel, Medikal ve iletişim sektöründe de önemli bir parametredir. Bir In endüstriyel elektronik pazarında, galvanik izolasyon Güç Dağıtım sistemleri, Güç jeneratörleri, ölçüm sistemleri, motor kontrolörleri, Giriş-Çıkış mantık cihazlar, vb için gereklidir
Gelen sağlık sektöründe, izolasyon tıbbi cihazlar doğrudan hastanın organları ile bağlanabilir olarak ekipman için önemli önceliklerinden biridir. Bu tür cihazlar EKG, Endoskoplar, Defibrilatörler, farklı görüntüleme cihazlarıdır. Tüketici düzeyinde iletişim sistemleri de galvanik izolasyon kullanır. Yaygın bir örnek, Ethernet, Yönlendiriciler, Anahtarlayıcılar, Telefon anahtarları, vs.'dir. Şarj cihazları, SMPS, bilgisayarın mantık panoları gibi normal tüketim malları galvanik izolasyon kullanan en yaygın ürünlerdir.
Pratik Galvanik izolasyon Örneği
Aşağıdaki devre, mikro denetleyici ünitesiyle RS-485 iletişim hattında galvanik olarak izole edilmiş Full-duplex IC MAX14852 (500 kbps iletişim hızı için) veya MAX14854 (25 Mbps iletişim hızı için) tipik bir uygulama devresidir. IC, popüler yarı iletken üretim şirketi Maxim Integrated tarafından üretilmiştir .
Bu örnek, endüstriyel ekipmanlarda galvanik izolasyon örneğinin en iyi örneklerinden biridir. RS-485, endüstriyel ekipmanlarda kullanılan yaygın olarak kullanılan geleneksel bir iletişim protokolüdür. RS-485'in popüler kullanımı, TTL segmenti üzerinden MODBUS protokolü kullanmaktır.
Bir Yüksek voltajlı AC transformatörünün, Transformatörün içine RS-485 protokolü aracılığıyla kurulan sensör verilerini sağladığını varsayalım. Transformatörden verileri toplamak için RS-485 portlu bir PLC cihazına bağlanmak gerekir. Ancak sorun doğrudan iletişim hattında. PLC, çok düşük voltaj seviyesi kullanır ve yüksek ESD veya dalgalanma ile çok hassastır. Doğrudan bir bağlantı kullanılırsa, PLC yüksek risk altında olabilir ve galvanik olarak izole edilmesi gerekebilir.
Bu IC'ler, PLC'yi ESD veya dalgalanmalardan korumak için çok kullanışlıdır.
Veri sayfasına göre, her iki IC de +/- 35kV ESD dayanma kapasitesine sahiptir ve 2.75kVrms, 60 saniyeye kadar izolasyon gerilimine dayanabilir. Sadece bu değil, aynı zamanda bu IC'ler de 445Vrms Çalışma-izolasyon Voltajını onaylayarak, endüstriyel otomasyon ekipmanlarında kullanılmak üzere uygun bir izolatör haline getirir.