آموزش الکترونیکالکترونیک

ایزولاسیون گالوانیک سیگنال و قدرت (ایزوله الکتریکی)

اجاق مایکروویو خانگی متوسط  با کارکرد 110/220 ولت AC می تواند تا 2800 ولت درون آن تولید کند که به طرز خطرناکی کشنده است. علاوه بر این، ولتاژ AC متناوب در حدود 3.5 ولت برای روشن کردن رشته و ولتاژ DC تنظیم شده مانند 5 ولت / 3.3 ولت برای قسمت الکترونیکی دیجیتال مانند صفحه نمایش یا تایمرها نیز دارد. آیا تا به حال فکر کرده اید که چه عواملی مانع رسیدن این ولتاژهای بالا به انگشتان شما از طریق دکمه ها یا محفظه در هنگام لمس اجاق می شود؟ پاسخ سوال شما “ایزولاسیون” است.

دقت بفرمایید در این مقاله ایزولاسیون برابر با جداسازی و ایزولاتور برابر با جدا کننده است.

هنگام طراحی محصولات الکترونیکی که شامل بیش از یک نوع سیگنال یا بیش از یک ولتاژ اجرایی باشد، برای جلوگیری از به هم ریختن سیگنال دیگری، از ایزولاسیون استفاده می شود. همچنین با جلوگیری از بروز اشکال در محصولات رده صنعتی، نقشی حیاتی در ایمنی ایفا می کند. به طور کلی از این جداسازی به عنوان ایزوله گالوانیک یاد می شود. چرا اصطلاح “گالوانیک” ؟ به این دلیل که گالوانیک جریان تولید شده توسط نوعی عمل شیمیایی را نشان می دهد و از آنجا که ما در حال جدا کردن این جریان، با قطع تماس رسانا هستیم، آن را جداسازی گالوانیک می نامند.

انواع مختلفی از تکنیک های ایزولاسیون گالوانیک وجود دارد که انتخاب روش مناسب، به نوع ایزولاسیون ، تحمل ظرفیت، نیازهای کاربردی و مخصوصا به فاکتور هزینه نیز بستگی دارد. در این مقاله با انواع مختلف ایزولاسیون، نحوه کار آنها و مکان استفاده از آنها در طراحی های خود آشنا خواهیم شد.

انواع جداسازی (ایزوله کردن) گالوانیک :

برای یادگیری کامل آردوینو ، روی دوره آموزش آردوینو و برای یادگیری کامل الکترونیک، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.
  1. ایزولاسیون سیگنال
  2. ایزولاسیون سطح قدرت
  3. خازن ها به عنوان یک جدا کننده

ایزولاسیون سیگنال

ایزولاسیون سطح سیگنال جایی احتیاج است که دو مدار از ماهیت متفاوت با استفاده از نوعی سیگنال با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. به عنوان مثال، دو مدار با استفاده از منبع تغذیه مستقل و عملکرد سطوح مختلف ولتاژ. در چنین شرایطی، برای جدا کردن زمین جداگانه دو منبع تغذیه مستقل و برقراری ارتباط بین این دو مدار، جداسازی سطح سیگنال مورد نیاز است.

ایزولاسیون سیگنال با استفاده از انواع مختلف جدا کننده ها انجام می شود. جداکننده های نوری و الکترومغناطیسی، به طور عمده برای هدف جدا سازی سیگنال استفاده می شوند. هر دو این جداکننده  ها، منابع مختلف زمین را از ترکیب با یکدیگر محافظت می کنند. هر جدا کننده اصل عملیاتی و کاربردی خاص خود را دارد که در ادامه راجب آن بحث می شود.

1. ایزولاتور اپتیکال (جدا کننده نوری)

جدا کننده نوری از چراغ ها برای برقراری ارتباط بین دو مدار مستقل استفاده می کند. به طور معمول، جدا کننده های نوری a.k.a Optocoupler دارای دو جزء درون یک تراشه سیلیکونی منفرد، یک دیود ساطع کننده نور و یک ترانزیستور نوری هستند. LED توسط یک مدار کنترل می شود و سمت ترانزیستور با مداری دیگر متصل می شود. بنابراین، LED و ترانزیستور از نظر الکتریکی متصل نیستند. ارتباطات به صورت نوری فقط توسط چراغ انجام می شوند.

مطلب پیشنهادی:  آموزش بایاس آمپلی فایر های BJT کلاس A

جداکننده نوری (اپتیکال)

تصویر بالا را در نظر بگیرید. جداکننده نوری محبوب PC817 در حال جدا کردن دو مدار مستقل است. مدار 1 منبع تغذیه با یک سوئیچ است، مدار 2 یک خروجی سطح منطقی است که به یک منبع تغذیه 5 ولت متصل می شود. حالت منطقی توسط مدار چپ کنترل می شود. هنگام بسته شدن سوئیچ، LED داخل اپتوکوپلر روشن شده و ترانزیستور را روشن می کند. حالت منطقی از زیاد به کم تغییر خواهد کرد.

مدار 1 و مدار 2 با استفاده از مدار فوق جدا شده اند. جداسازی گالوانیک برای مدار فوق بسیار مفید است. چندین موقعیت وجود دارد که نویز پتانسیل بالا در زمین با پتانسیل کم ایجاد می شود و یک حلقه زمینی ایجاد می کند که مسئول اندازه گیری های نادرست است. مشابه PC817 انواع مختلفی از اپتوکوپلر برای نیازهای مختلف برنامه وجود دارد.

2. ایزولاتور الکترومغناطیسی

جدا کننده های نوری برای ایزولاسیون سیگنال DC مفید هستند، اما جدا کننده های الکترومغناطیسی مانند ترانسفورماتور های سیگنال کوچک برای ایزولاسیون سیگنال AC مفید هستند. ترانسفورماتور هایی مانند ترانسفورماتور صوتی طرف های اولیه و ثانویه خود را جدا می کنند که می توانند برای ایزولاسیون سیگنال های صوتی مختلف استفاده شوند. یکی دیگر از رایج ترین موارد استفاده در سخت افزار شبکه یا بخش اترنت است. ترانسفورماتور های پالس برای جداسازی سیم کشی خارجی با سخت افزار داخلی استفاده می شوند. حتی خطوط تلفن نیز از جدا کننده های سیگنال مبتنی بر ترانسفورماتور استفاده می شود. اما، همانطور که ترانسفورماتور ها به صورت الکترومغناطیسی جدا می شوند، فقط با AC کار می کنند.

ایزولاتور الکترومغناطیسی 

تصویر بالا شکل نمادین داخلی جک RJ45 با ترانسفورماتور پالس یکپارچه برای ایزولاسیون قسمت MCU از خروجی است.

ایزولاسیون سطح قدرت

برای ایزولاسیون دستگاه های حساس به قدرت کم از خطوط پر سر و صدا یا بالعکس، به ایزولاسیون های سطح قدرت نیاز است. همچنین، ایزولاسیون سطح قدرت با ایزولاسیون خطوط ولتاژ بالا از اپراتور و سایر قسمتهای سیستم، ایمنی مناسبی را از ولتاژ های خطرات سهمگین فراهم می کند.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

1. ترانسفورماتور

جدا کننده محبوب سطح قدرت دوباره یک ترانسفورماتور است. برنامه های زیادی برای ترانسفورماتور ها وجود دارد که معمولاً استفاده از آنها تأمین ولتاژ کم از یک منبع ولتاژ بالا است. ترانسفورماتور، ارتباطی بین اولیه و ثانویه ندارد اما می تواند ولتاژ را از ولتاژ بالا به AC ولتاژ پایین بدون از دست دادن ایزولاسیون گالوانیک کاهش دهد.

ایزولاسیون سطح قدرت

تصویر بالا نشان دهنده یک ترانسفورماتور کاهنده است که در آن ورودی سمت اصلی به پریز دیواری و ثانویه از طریق یک بار مقاومت متصل می شوند. یک ترانسفورماتور ایزولاسیون مناسب نسبت دور 1: 1 دارد و ولتاژ یا سطح جریان را در دو طرف تغییر نمی دهد. تنها هدف از ترانسفورماتور جداسازی، تأمین عایق است. پیشنهاد میکنم با انواع ترانسفورماتور آشنا شوید.

2. رله ها

رله یک ایزوله کننده محبوب با کاربرد بسیار زیاد در زمینه برق و الکترونیک است. بسته به نوع کاربرد، انواع مختلفی از رله ها در بازار الکترونیک موجود است. انواع محبوب رله ها، رله های الکترومغناطیسی و رله های حالت جامد هستند.

مطلب پیشنهادی:  ساخت مبدل ولتاژ به فرکانس (تبدیل کننده با IC AD654)

رله الکترومغناطیسی با قطعات متحرک الکترو مغناطیسی و مکانیکی کار می کند که اغلب به آنها قطب گفته می شود. آن شامل یک آهنربای الکتریکی است که قطب را حرکت می دهد و مدار را کامل می کند. وقتی مدارهای ولتاژ بالا باید از مدار ولتاژ پایین کنترل شوند یا برعکس، رله باعث ایجاد ایزولاسیون می شود. در چنین شرایطی هر دو مدار جدا هستند اما یک مدار می تواند به رله انرژی بدهد تا مدار دیگر را کنترل کند.

ایزولاسیون سطح قدرت با رله

در تصویر بالا، دو مدار از نظر الکتریکی مستقل از یکدیگر هستند. اما با استفاده از کلید روشن شده در مدار 1، کاربر می تواند وضعیت بار مدار را کنترل کند. در مورد نحوه استفاده از یک رله در مدار اطلاعات بیشتری کسب کنید.

از نظر عملکرد تفاوت زیادی بین رله حالت جامد و رله الکترو مکانیکی وجود ندارد. رله های حالت جامد دقیقاً مشابه کار می کنند اما قسمت الکترو مکانیکی با دیود کنترل شده نوری جایگزین می شود. جداسازی گالوانیک می تواند به دلیل عدم وجود اتصال مستقیم بین ورودی و خروجی رله های حالت جامد ایجاد شود.

3. سنسورهای اثر هال

نیازی به گفتن نیست که اندازه گیری جریان، بخشی از مهندسی برق و الکترونیک است. انواع مختلفی از روش های سنجش جریان وجود دارند. غالباً اندازه گیری ها برای مسیرهایی با ولتاژ بالا و جریان زیاد لازم است و مقدار خوانده شده باید به مدار ولتاژ پایین که بخشی از مدار اندازه گیری است ارسال شود. همچنین از دیدگاه کاربر، اندازه گیری هجومی خطرناک است و اجرای آن غیرممکن است. سنسور های اثر هال، اندازه گیری جریان بدون تماس را به طور دقیق ارائه می دهند و به اندازه گیری جریان عبوری از رسانا به روشی غیر هجومی کمک می کنند. این یک جدا سازی مناسبی را ایجاد می کند و ایمنی از برق خطرناک را تضمین می کند. سنسور اثر هال از میدان الکترو مغناطیسی تولید شده در سراسر رسانا برای تخمین جریان عبوری از آن استفاده می کند.

حلقه اصلی به صورت غیر هجومی از طریق یک رسانا قلاب دار می شود و همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، از نظر الکتریکی جدا می شود.استفاده از اثر هال برای ایزوله کردن

 

خازن به عنوان ایزولاتور

کم استفاده ترین روش برای ایزولاسیون مدار ها استفاده از خازن ها است. به دلیل ناکارآمدی و نتایج خرابی خطرناک، این مورد دیگر ترجیح داده نمی شود، اما با این وجود، دانستن آن ممکن است در ساختن یک عایق خام مفید باشد. خازن ها DC را مسدود کرده و اجازه عبور سیگنال AC با فرکانس بالا را می دهند. به دلیل این خاصیت عالی، خازن به عنوان عایق در طراحی هایی استفاده می شود که جریان های DC دو مدار باید مسدود شوند اما همچنان امکان انتقال داده ها وجود دارند.

خازن به عنوان ایزوله کننده

تصویر فوق نشان می دهد که خازن ها برای اهداف جدا سازی استفاده می شوند. فرستنده و گیرنده هر دو جدا هستند، اما ارتباط داده می تواند انجام شود.

کاربرد ایزولاسیون گالوانیک

جداسازی گالوانیک بسیار ضروری است و کاربرد آن بسیار زیاد است. این یک پارامتر مهم در کالاهای مصرفی و همچنین در بخشهای صنعتی، پزشکی و ارتباطات است. در یک بازار الکترونیکی صنعتی، سیستم های توزیع برق، ژنراتورهای برق، سیستم های اندازه گیری، کنترل کننده های موتور، دستگاه های منطقی خروجی ورودی و غیره به جداسازی گالوانیک نیاز دارند.

مطلب پیشنهادی:  تفاوت الکتریک و الکترونیک (تفاوت وسایل الکترونیکی و الکتریکی)

در بخش پزشکی، ایزولاسیون یکی از اولویت های اصلی تجهیزات است زیرا دستگاه های پزشکی می توانند مستقیماً به بدن بیمار متصل شوند. دستگاه های نوار قلب، آندوسکوپ، دفیبریلاتور، انواع مختلف دستگاه تصور هستند. سیستم های ارتباطی در سطح مصرف کننده نیز از ایزولاسیون گالوانیک استفاده می کنند. یک مثال متداول، اترنت، روترها، سوئیچرها، سوئیچ های تلفنی و غیره هستند. کالاهای عادی مصرفی، مانند شارژرها، SMPS، تابلوهای منطقی رایج ترین محصولاتی هستند که از جداسازی گالوانیک استفاده می کنند.

نمونه عملی جداسازی گالوانیک

مدار زیر یک مدار کاربردی عادی است که از نوع دو جداره کامل دو قطبی IC MAX14852 (برای سرعت ارتباطی 500 کیلوبیت بر ثانیه) یا MAX14854 (برای سرعت ارتباطی 25 مگابیت بر ثانیه) در گالوانیزه جدا شده در خط ارتباطی RS 485 با واحد میکروکنترلر وجود دارد. این IC توسط کمپانی معروف تولید کننده نیمه رسانا Maxim Integrated تولید شده است.

نمونه عملی جداسازی گالوانیک

این مثال یکی از بهترین مثال های نمونه ایزولاسیون گالوانیک بر روی تجهیزات صنعتی است. RS 485 یک پروتکل ارتباطی سنتی است که به طور گسترده ای در تجهیزات صنعتی استفاده می شود. کاربرد رایج RS 485 استفاده از پروتکل MODBUS در بخش TTL است.

فرض کنید یک ترانسفورماتور AC ولتاژ بالا داده های سنسورهایی را که از طریق پروتکل RS 485 درون ترانسفورماتور نصب شده اند، فراهم می کند. برای برداشتن داده ها از ترانسفورماتور، باید یک دستگاه PLC را به یک درگاه RS 485 متصل کنید. اما مشکل در خط ارتباط مستقیم است. PLC از سطح ولتاژ بسیار پایین و بسیار حساس به ESD یا موج برخورد بالا استفاده می کند. در صورت استفاده مستقیم از اتصال، PLC می تواند در معرض خطر بالایی قرار گیرد و نیاز به ایزولاسیون گالوانیک دارد.

IC ها برای محافظت از PLC در برابر ESD یا موج برخورد بسیار مفید هستند.

طبق دیتاشیت، هر دو IC ظرفیت تحمل / 35kV ESD و 2.75kVrms مقاومت در برابر ولتاژ ایزولاسیون تا 60 ثانیه را دارند. نه تنها این، بلکه این IC ها ولتاژ ایزولاسیون 445Vrms را نیز تأیید می کنند و آن را به یک عایق مناسب برای استفاده در تجهیزات اتوماسیون صنعتی تبدیل می کنند.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *