- ประเภทของการแยกกัลวานิก
- การแยกสัญญาณ
- การแยกระดับพลังงาน
- ตัวเก็บประจุเป็นตัวแยก
- การแยกกัลวานิก - การใช้งาน
- ตัวอย่างปฏิบัติของการแยกกัลวานิก
เตาอบไมโครเวฟในครัวเรือนโดยเฉลี่ยที่ทำงานที่ 110 / 220V AC สามารถผลิตได้ถึง 2800V ภายในซึ่งเป็นอันตรายถึงชีวิต นอกจากนั้นยังมีแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ระดับต่ำกว่าประมาณ 3.5V เพื่อให้หลอดไฟสว่างขึ้นและแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ควบคุมเช่น 5V / 3.3V สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลเช่นจอแสดงผลหรือตัวจับเวลาในการทำงาน คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าอะไรที่ป้องกันไม่ให้แรงดันไฟฟ้าสูงเหล่านี้ยื่นมือผ่านปุ่มหรือปลอกเมื่อสัมผัสเตาอบ? คำตอบสำหรับคำถามของคุณคือ "ความโดดเดี่ยว". เมื่อออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณมากกว่าหนึ่งชนิดหรือมากกว่าหนึ่งแรงดันไฟฟ้าจะใช้การแยกเพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณหนึ่งไปยุ่งกับอีกสัญญาณ นอกจากนี้ยังมีบทบาทสำคัญในด้านความปลอดภัยโดยการป้องกันไม่ให้เกิดข้อผิดพลาดในผลิตภัณฑ์ระดับอุตสาหกรรม การแยกนี้โดยทั่วไปเรียกว่า การแยกด้วยกัลวานิกทำไมต้องใช้คำว่า“ กัลวานิก”? เป็นเพราะกัลวานิกแสดงถึงกระแสที่เกิดจากการกระทำทางเคมีบางประเภทและเนื่องจากเราแยกกระแสนี้โดยการทำลายหน้าสัมผัสของตัวนำจึงเรียกว่าเป็นการแยกกัลวานิก
มีเทคนิคการแยกกัลวานิกหลายประเภท และการเลือกวิธีที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับประเภทของการแยกโดยทนต่อความจุความต้องการในการใช้งานและเห็นได้ชัดว่าปัจจัยด้านต้นทุนมีส่วนเกี่ยวข้องด้วย ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับการแยกประเภทต่างๆวิธีการทำงานและตำแหน่งที่จะใช้ในการออกแบบของเรา
ประเภทของการแยกกัลวานิก
- การแยกสัญญาณ
- การแยกระดับพลังงาน
- ตัวเก็บประจุเป็นตัวแยก
การแยกสัญญาณ
จำเป็นต้องมีการแยกระดับสัญญาณที่วงจรสองวงจรที่มีลักษณะแตกต่างกันกำลังสื่อสารกันโดยใช้สัญญาณบางประเภท ตัวอย่างเช่นสองวงจรที่ใช้แหล่งจ่ายไฟอิสระและการทำงานของระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ในกรณีเช่นนี้ในการแยกกราวด์แต่ละแหล่งของแหล่งจ่ายไฟอิสระสองแหล่งและเพื่อสื่อสารระหว่างวงจรทั้งสองนั้นจำเป็นต้องมีการแยกระดับสัญญาณ
การแยกสัญญาณทำได้โดยใช้ตัวแยกประเภทต่างๆ ตัวแยกสัญญาณแสงและแม่เหล็กไฟฟ้า ส่วนใหญ่ใช้ในการแยกสัญญาณ ตัวแยกทั้งสองนี้ป้องกันแหล่งพื้นดินที่แตกต่างกันจากการรวมเข้าด้วยกัน Isolator แต่ละตัวมีหลักการทำงานและการใช้งานที่แตกต่างกันซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง
1. ตัวแยกแสง
isolator Optical ใช้ไฟในการสื่อสารระหว่างสองวงจรอิสระโดยปกติตัวแยกแสงหรือที่เรียกว่า Optocoupler มีส่วนประกอบสองส่วนภายในชิปซิลิกอนตัวเดียวไดโอดเปล่งแสงและโฟโตทรานซิสเตอร์ LED ถูกควบคุมโดยวงจรเดียวและด้านทรานซิสเตอร์จะเชื่อมต่อกับวงจรอื่น ดังนั้น LED และทรานซิสเตอร์จึงไม่ได้เชื่อมต่อด้วยไฟฟ้า การสื่อสารทำได้โดยแสงไฟเท่านั้น
พิจารณาภาพด้านบน Optoisolator PC817ยอดนิยม กำลังแยกวงจรอิสระสองวงจร วงจร 1 เป็นแหล่งจ่ายไฟที่มีสวิตช์วงจร 2 เป็นเอาต์พุตระดับลอจิกที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ 5V อื่น สถานะลอจิกถูกควบคุมโดยวงจรด้านซ้าย เมื่อสวิตช์กำลังปิดไฟ LED ภายในออปโตคัปเปลอร์จะสว่างขึ้นและเปิดทรานซิสเตอร์ สถานะลอจิกจะเปลี่ยนจากสูงเป็นต่ำ
วงจร 1 และวงจร 2 ถูกแยกโดยใช้วงจรด้านบน การแยกกัลวานิกมีประโยชน์มากสำหรับวงจรข้างต้น มีหลายสถานการณ์ที่เสียงกราวด์ที่มีศักยภาพสูงเกิดขึ้นในพื้นดินที่มีศักย์ต่ำและสร้างวงกราวด์ซึ่งทำให้เกิดการวัดที่ไม่ถูกต้องต่อไป คล้ายกับ PC817 มี Optocoupler หลายประเภทสำหรับความต้องการใช้งานที่แตกต่างกัน
2. เครื่องแยกแม่เหล็กไฟฟ้า
Optoisolators มีประโยชน์สำหรับ DC สัญญาณแยกแต่แยกแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดเล็กเช่น หม้อแปลงสัญญาณ จะมีประโยชน์สำหรับ AC สัญญาณแยก หม้อแปลงเช่นหม้อแปลงเสียงมีฝ่ายประถมศึกษาและมัธยมศึกษาของพวกเขาแยกซึ่งสามารถใช้สำหรับการที่แตกต่างกัน แยกสัญญาณเสียงการใช้งานทั่วไปอีกอย่างคือในฮาร์ดแวร์เครือข่ายหรือส่วนอีเธอร์เน็ต หม้อแปลงพัลส์ ใช้เพื่อแยกสายไฟภายนอกด้วยฮาร์ดแวร์ภายใน แม้แต่สายโทรศัพท์ก็ใช้ตัวแยกสัญญาณตามหม้อแปลง แต่เนื่องจากหม้อแปลงถูกแยกโดยแม่เหล็กไฟฟ้าจึงใช้ได้กับ AC เท่านั้น
ภาพด้านบนเป็นแผนผังภายในของแจ็ค RJ45 พร้อมหม้อแปลงพัลส์ในตัวสำหรับการแยกส่วน MCU ด้วยเอาต์พุต
การแยกระดับพลังงาน
จำเป็นต้องมีการแยกระดับพลังงานเพื่อ แยกอุปกรณ์ที่ไวต่อพลังงานต่ำออกจากสายที่มีเสียงดังกำลังสูง หรือในทางกลับกัน นอกจากนี้การแยกระดับพลังงานยังให้ความปลอดภัยที่เหมาะสม จากแรงดันไฟฟ้าของสายที่เป็นอันตราย โดยการแยกสายไฟฟ้าแรงสูงออกจากตัวดำเนินการและส่วนอื่น ๆ ของระบบ
1. หม้อแปลงไฟฟ้า
ตัวแยกระดับพลังงานยอดนิยมเป็น Transformer อีกครั้ง มีแอพพลิเคชั่นมากมายสำหรับหม้อแปลงที่ใช้กันมากที่สุดคือการจัดหาแรงดันไฟฟ้าต่ำจากแหล่งไฟฟ้าแรงสูง หม้อแปลงไม่มีการเชื่อมต่อระหว่างหลักและรอง แต่สามารถลดแรงดันไฟฟ้าจาก AC แรงดันสูงไปยัง AC แรงดันต่ำได้โดยไม่สูญเสียการแยกไฟฟ้า
ภาพด้านบนแสดงการทำงานของหม้อแปลงแบบ step-down โดยที่อินพุตด้านหลักเชื่อมต่อเข้ากับเต้ารับบนผนังและตัวรองเชื่อมต่อผ่านโหลดตัวต้านทาน หม้อแปลงแยกที่เหมาะสมมีอัตราส่วน 1: 1 ผลัด และไม่เปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าหรือระดับปัจจุบันทั้งสองด้าน วัตถุประสงค์เดียวของหม้อแปลงแยกคือเพื่อให้เกิดการแยก
2. รีเลย์
รีเลย์เป็นไอโซเลเตอร์ยอดนิยมที่มีการใช้งานมากมายในด้านอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า มีรีเลย์ประเภทต่างๆมากมายในตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้าขึ้นอยู่กับการใช้งาน ประเภทที่นิยม ได้แก่ รีเลย์แม่เหล็กไฟฟ้าและรีเลย์สถานะของแข็ง
รีเลย์แม่เหล็กไฟฟ้าทำงานร่วมกับชิ้นส่วนแม่เหล็กไฟฟ้าและชิ้นส่วนที่เคลื่อนย้ายได้ซึ่งมักเรียกว่าเสา ประกอบด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าที่เคลื่อนย้ายเสาและทำให้วงจรเสร็จสมบูรณ์ รีเลย์สร้างการแยกเมื่อต้องควบคุมวงจรไฟฟ้าแรงสูงจากวงจรไฟฟ้าแรงต่ำหรือในทางกลับกัน ในสถานการณ์เช่นนี้วงจรทั้งสองจะถูกแยกออก แต่วงจรหนึ่งสามารถกระตุ้นรีเลย์เพื่อควบคุมอีกวงจรหนึ่งได้
ในภาพด้านบนวงจรสองวงจรเป็นอิสระจากกันทางไฟฟ้า แต่ด้วยการใช้สวิตช์บน Circuit-1 ผู้ใช้สามารถควบคุมสถานะของโหลดในวงจร 2 เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีใช้รีเลย์ในวงจร
โซลิดสเตตรีเลย์และรีเลย์ไฟฟ้ามีความแตกต่างกัน ไม่มาก ในแง่ของการทำงาน โซลิดสเตตรีเลย์ทำงานเหมือนกันทุกประการ แต่ชิ้นส่วนกลไกไฟฟ้าจะถูกแทนที่ด้วยไดโอดที่ควบคุมด้วยแสง การแยกไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นได้เนื่องจากไม่มีการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างอินพุตและเอาต์พุตของโซลิดสเตตรีเลย์
3. เซ็นเซอร์ Hall Effect
ไม่จำเป็นต้องบอกว่าการวัดกระแสเป็นส่วนหนึ่งของวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ มีวิธีการตรวจจับปัจจุบันหลายประเภท บ่อยครั้งที่ต้องใช้การวัดสำหรับเส้นทางไฟฟ้าแรงสูงและกระแสสูงและค่าที่อ่านได้จะต้องส่งไปยังวงจรไฟฟ้าแรงต่ำซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงจรการวัด จากมุมมองของผู้ใช้การวัดแบบรุกรานเป็นสิ่งที่อันตรายและไม่สามารถนำไปใช้ได้ เซ็นเซอร์ Hall Effect ให้ การวัดกระแสแบบไม่สัมผัส อย่างแม่นยำและช่วยในการวัดกระแสที่ไหลผ่านตัวนำในลักษณะที่ไม่รุกราน ให้การแยกที่เหมาะสมและรับประกันความปลอดภัยจากไฟฟ้าอันตราย เซ็นเซอร์ Hall Effect ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นบนตัวนำเพื่อประมาณกระแสที่ไหลผ่าน
วงแหวนแกนยึดติดกับตัวนำในลักษณะที่ไม่เป็นอันตรายและถูกแยกออกด้วยไฟฟ้าดังแสดงในภาพด้านบน
ตัวเก็บประจุเป็นตัวแยก
วิธีที่ได้รับความนิยมน้อยที่สุดในการแยกวงจรคือการใช้ตัวเก็บประจุ เนื่องจากความไม่มีประสิทธิภาพและผลลัพธ์ความล้มเหลวที่เป็นอันตรายจึงไม่เป็นที่ต้องการอีกต่อไป แต่ก็ยังรู้ว่ามันอาจมีประโยชน์เมื่อคุณต้องการสร้างเครื่องแยกน้ำมันดิบ ตัวเก็บประจุบล็อก DC และอนุญาตให้ส่งสัญญาณ AC ความถี่สูง เนื่องจากคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมนี้จึงใช้ตัวเก็บประจุเป็นตัวแยกในการออกแบบที่ต้องปิดกั้นกระแส DC ของวงจรสองวงจร แต่ยังคงอนุญาตให้ส่งข้อมูลได้
ภาพด้านบนแสดงตัวเก็บประจุที่ใช้เพื่อการแยก ตัวส่งและตัวรับทั้งสองแยกกัน แต่การสื่อสารข้อมูลสามารถทำได้
การแยกกัลวานิก - การใช้งาน
การแยกกัลวานิกเป็นสิ่งสำคัญมากและการใช้งานมีขนาดใหญ่มาก เป็นตัวแปรสำคัญในสินค้าอุปโภคบริโภคเช่นเดียวกับในภาคอุตสาหกรรมการแพทย์และการสื่อสาร ใน ตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้าอุตสาหกรรมจำเป็นต้องมีการแยกไฟฟ้าสำหรับระบบจำหน่ายไฟฟ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าระบบการวัดตัวควบคุมมอเตอร์อุปกรณ์ลอจิกอินพุต - เอาท์พุตเป็นต้น
ใน ภาคการแพทย์การแยกตัวเป็นหนึ่งในความสำคัญของอุปกรณ์เนื่องจากอุปกรณ์ทางการแพทย์สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับร่างกายของผู้ป่วย อุปกรณ์ดังกล่าว ได้แก่ คลื่นไฟฟ้าหัวใจเอนโดสโคปเครื่องกระตุ้นหัวใจอุปกรณ์จินตนาการประเภทต่างๆ ระบบการสื่อสารระดับผู้บริโภค ยังใช้การแยกไฟฟ้า ตัวอย่างหนึ่งที่พบบ่อย ได้แก่ อีเธอร์เน็ตเราเตอร์สวิตช์โทรศัพท์ ฯลฯ สินค้าอุปโภคบริโภคทั่วไปเช่นที่ชาร์จ SMPS บอร์ดลอจิกของคอมพิวเตอร์เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้กันทั่วไปซึ่งใช้การแยกไฟฟ้า
ตัวอย่างปฏิบัติของการแยกกัลวานิก
วงจรด้านล่างนี้เป็นวงจรแอพพลิเคชั่นทั่วไปของ Full-duplex IC MAX14852 ที่แยกด้วยกัลวานิก (สำหรับความเร็วในการสื่อสาร 500 kbps) หรือ MAX14854 (สำหรับความเร็วในการสื่อสาร 25 Mbps) บนสายสื่อสาร RS-485 พร้อมชุดไมโครคอนโทรลเลอร์ IC ผลิตโดย บริษัท ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ยอดนิยม Maxim Integrated
ตัวอย่างนี้เป็นหนึ่งในตัวอย่างที่ดีที่สุดของตัวอย่างการแยกกัลวานิกในอุปกรณ์อุตสาหกรรม RS-485 เป็นโปรโตคอลการสื่อสารแบบดั้งเดิมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อุตสาหกรรม การใช้ RS-485 ที่เป็นที่นิยมคือการใช้ โปรโตคอลMODBUS ผ่านส่วน TTL
สมมติว่าหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับแรงสูงกำลังให้ข้อมูลเซ็นเซอร์ซึ่งติดตั้งภายในหม้อแปลงผ่านโปรโตคอล RS-485 จำเป็นต้องเชื่อมต่ออุปกรณ์ PLC กับพอร์ต RS-485 เพื่อเก็บเกี่ยวข้อมูลจากหม้อแปลง แต่ปัญหาอยู่ที่สายสื่อสารโดยตรง. PLC ใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำมากและไวต่อ ESD สูงหรือไฟกระชาก หากใช้การเชื่อมต่อโดยตรง PLC อาจมีความเสี่ยงสูงและจำเป็นต้องแยกด้วยไฟฟ้า
IC เหล่านี้มีประโยชน์อย่างมากในการป้องกัน PLC จาก ESD หรือไฟกระชาก
ตามแผ่นข้อมูล IC ทั้งสองมีความสามารถในการทนต่อ +/- 35kV ESD และ 2.75kVrms ทนต่อแรงดันไฟฟ้าแยกได้สูงสุด 60 วินาที ไม่เพียงแค่นี้ แต่ IC เหล่านี้ยังยืนยันแรงดันไฟฟ้าแยกการทำงาน 445Vrms ทำให้เป็นตัวแยกที่เหมาะสมที่จะใช้ในอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม