Cách ly Galvanic là gì

0
113

Cách ly Galvanic là gì : Một lò vi sóng gia đình trung bình hoạt động ở 110 / 220V AC có thể tạo ra tới 2800V bên trong nó, điều này rất nguy hiểm gây chết người. Bên cạnh đó, nó cũng có điện áp AC mức thấp hơn   khoảng 3.5V để thắp sáng dây tóc và điện áp DC được điều chỉnh như 5V / 3.3V cho phần điện tử kỹ thuật số như màn hình hoặc bộ hẹn giờ hoạt động. Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì ngăn những điện áp cao này tiếp cận với ngón tay của bạn thông qua các nút hoặc vỏ khi bạn chạm vào lò? Câu trả lời cho câu hỏi của bạn là  “cách ly”. Khi thiết kế các sản phẩm điện tử liên quan đến nhiều loại tín hiệu hoặc nhiều hơn một điện áp hoạt động, cách ly được sử dụng để ngăn tín hiệu này làm rối loạn tín hiệu kia. Nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong an toàn bằng cách ngăn ngừa các tình trạng lỗi trong các sản phẩm cấp công nghiệp. Sự cách ly này thường được gọi là cách ly Galvanic . Tại sao lại có thuật ngữ “Galvanic”? Đó là bởi vì galvanic đại diện cho dòng điện được tạo ra bởi một số loại tác động hóa học, và vì chúng ta cách ly dòng điện này bằng cách ngắt tiếp xúc dây dẫn nên nó được gọi là Galvanic Isolation.

Có một số loại  kỹ thuật cách ly điện  và việc lựa chọn loại phù hợp phụ thuộc vào loại cách ly, khả năng chịu đựng, yêu cầu ứng dụng và rõ ràng, yếu tố chi phí cũng liên quan. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại cách ly khác nhau, cách chúng hoạt động và sử dụng chúng ở đâu trong các thiết kế của chúng tôi.

Các loại cách ly Galvanic

  • Cách ly tín hiệu
  • Cách ly mức công suất
  • Tụ điện như một bộ cách ly

Cách ly tín hiệu

Cách ly mức tín hiệu được yêu cầu khi hai mạch có bản chất khác nhau đang giao tiếp với nhau bằng một số loại tín hiệu. Ví dụ, hai mạch sử dụng nguồn điện độc lập và hoạt động ở các mức điện áp khác nhau. Trong những trường hợp như vậy, để cách ly đất riêng của hai nguồn điện độc lập và giao tiếp giữa hai mạch đó, cần phải cách ly mức tín hiệu.

Cách ly tín hiệu được thực hiện bằng cách sử dụng các loại bộ cách ly khác nhau. Bộ cách ly quang học và điện từ  chủ yếu được sử dụng trong mục đích cách ly tín hiệu. Cả hai bộ cách ly này đều bảo vệ các nguồn nối đất khác nhau kết hợp với nhau. Mỗi Isolator có nguyên tắc hoạt động và ứng dụng độc đáo của riêng nó sẽ được thảo luận bên dưới.

1. Bộ cách ly quang học

Bộ cách ly quang  sử dụng đèn để giao tiếp giữa hai mạch độc lập . Thông thường, bộ cách ly quang học hay còn gọi là  Optocoupler  có hai thành phần bên trong một chip silicon duy nhất, một  điốt phát sáng và một điện trở quang. Đèn LED được điều khiển bởi một mạch và phía bóng bán dẫn được kết nối với mạch khác. Do đó, đèn LED và bóng bán dẫn không được kết nối điện. Việc liên lạc chỉ được thực hiện bằng đèn, về mặt quang học.

Cach-ly-Galvanic-la-gi Cách ly Galvanic là gì

Hãy xem xét hình ảnh trên. Bộ  tách quang phổ biến  PC817 là cách ly hai mạch độc lập. Mạch 1 là nguồn điện có công tắc, mạch 2 là đầu ra mức logic kết nối với nguồn 5V khác. Trạng thái logic được điều khiển bởi mạch bên trái. Khi công tắc đang được đóng, đèn LED bên trong optocoupler sáng lên và bật bóng bán dẫn. Trạng thái logic sẽ được thay đổi từ Cao xuống Thấp.

Đoạn mạch 1 và đoạn mạch 2 được cách ly sử dụng đoạn mạch trên. Cách ly Galvanic rất hữu ích cho mạch trên. Có một số tình huống mà tiếng ồn mặt đất tiềm năng cao gây ra trong nền đất tiềm năng thấp và tạo ra một vòng lặp tiếp đất gây ra các phép đo không chính xác. Tương tự như PC817 có nhiều  loại Optocoupler  cho các yêu cầu ứng dụng khác nhau.

2. Bộ cách ly điện từ

Bộ cách ly quang rất hữu ích để  cách ly tín hiệu DC , nhưng bộ cách ly điện từ như máy biến áp tín hiệu nhỏ   lại hữu ích cho việc  cách ly tín hiệu AC . Các máy biến áp giống như  máy biến áp âm thanh  có mặt chính và phụ cách ly, có thể được sử dụng để cách ly tín hiệu âm thanh khác nhau  . Một cách sử dụng phổ biến nhất khác là trong phần cứng mạng hoặc phần Ethernet. Máy biến áp xung  được sử dụng để cách ly hệ thống dây điện bên ngoài với phần cứng bên trong. Ngay cả đường dây điện thoại cũng được sử dụng bộ cách ly tín hiệu dựa trên máy biến áp. Tuy nhiên, vì máy biến áp được cách ly bằng điện từ, nên nó chỉ hoạt động với AC.

Bo-cach-ly-dien-tu Cách ly Galvanic là gì

Hình trên là sơ đồ bên trong của giắc RJ45 với biến áp xung tích hợp để cách ly phần MCU với Đầu ra.

Cách ly mức công suất

Cần có cách ly mức công suất để  cách ly các thiết bị nhạy cảm với công suất thấp khỏi các đường nhiễu công suất cao  hoặc ngược lại. Ngoài ra, cách ly mức điện cung cấp sự an toàn thích hợp  khỏi điện áp đường dây nguy hiểm  bằng cách cách ly đường dây điện áp cao với người vận hành và các bộ phận khác của hệ thống.

1. Máy biến áp

Bộ cách ly mức công suất phổ biến lại là Máy biến áp. Có những ứng dụng to lớn  đối với máy biến áp  , cách sử dụng phổ biến nhất là cung cấp điện áp thấp từ nguồn điện áp cao. Máy biến áp không có kết nối giữa sơ cấp và thứ cấp nhưng có thể giảm điện áp từ điện áp cao xoay chiều xuống xoay chiều điện áp thấp mà không làm mất cách ly điện.

Cach-ly-muc-cong-suat Cách ly Galvanic là gì

Hình ảnh trên cho thấy một máy biến áp hạ áp đang hoạt động trong đó đầu vào phía sơ cấp được kết nối với ổ cắm trên tường và đầu vào thứ cấp được kết nối qua tải điện trở. Một  máy biến áp cách ly thích hợp có tỷ lệ vòng quay 1: 1  và không làm thay đổi mức điện áp hoặc dòng điện ở cả hai phía. Mục đích duy nhất của máy biến áp cách ly là cung cấp cách ly.

2. Rơle

Rơ le là thiết bị cách ly phổ biến có ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực điện tử. Có nhiều loại rơ le khác  nhau  có sẵn trên thị trường điện tử tùy thuộc vào ứng dụng. Các loại phổ biến là Rơle điện từ và Rơle trạng thái rắn.

Một rơ le điện từ hoạt động với các bộ phận có thể chuyển động Điện từ và Cơ học thường được gọi là cực. Nó chứa một nam châm điện di chuyển cực và hoàn thành mạch. Rơ le tạo ra sự cách ly khi mạch điện áp cao cần được điều khiển từ mạch điện áp thấp hoặc ngược lại. Trong tình huống như vậy, cả hai mạch đều bị cách ly nhưng một mạch có thể cung cấp năng lượng cho rơle để điều khiển một mạch khác.

cach-ly-bang-ro-le Cách ly Galvanic là gì

Trong hình trên, hai mạch điện độc lập với nhau. Nhưng bằng cách sử dụng công tắc trên Mạch 1, người dùng có thể kiểm soát trạng thái của tải trên mạch 2. Tìm hiểu thêm về  cách một rơle có thể được sử dụng trong Mạch .

Không có nhiều  sự khác biệt giữa Rơle trạng thái rắn và rơle cơ điện  về cách làm việc. Rơ le trạng thái rắn hoạt động giống hệt nhau nhưng phần cơ điện được thay thế bằng một diode điều khiển quang học. Sự cách ly điện có thể được hình thành do không có kết nối trực tiếp giữa đầu vào và đầu ra của rơle trạng thái rắn.

3. Cảm biến Hiệu ứng Hall

Không cần phải nói rằng đo dòng điện là một phần của kỹ thuật Điện và Điện tử. Có nhiều loại phương pháp cảm biến hiện tại khác  nhau  . Thông thường, các phép đo được yêu cầu đối với các đường dẫn Điện áp cao và Dòng điện cao và giá trị được đọc phải được gửi đến mạch điện áp thấp là một phần của mạch đo lường. Cũng từ góc độ người dùng, phép đo xâm lấn rất nguy hiểm và không thể thực hiện được. Cảm biến Hall cung cấp  phép đo dòng điện không tiếp xúc  một cách chính xác và giúp đo dòng điện chạy qua dây dẫn một cách không xâm lấn. Nó cung cấp cách ly thích hợp và đảm bảo an toàn khỏi điện nguy hiểm. Cảm biến Hall Effect sử dụng trường điện từ được tạo ra trên dây dẫn để ước tính dòng điện chạy qua nó.

Cach-ly-Cam-bien-Hieu-ung-Hall Cách ly Galvanic là gì

Vòng lõi được nối với một dây dẫn theo cách không xâm lấn và nó được cách ly về điện như trong hình trên.

Tụ điện như một bộ cách ly

Phương pháp cách ly mạch ít phổ biến nhất là sử dụng  tụ điện . Do không hiệu quả và các kết quả thất bại nguy hiểm, điều này không còn được ưa thích, nhưng vẫn biết nó có thể hữu ích khi bạn muốn xây dựng một bộ cách ly thô. Tụ điện chặn DC và cho phép truyền tín hiệu AC tần số cao. Do đặc tính tuyệt vời này, tụ điện được sử dụng làm vật cách ly trong các thiết kế cần chặn dòng điện một chiều của hai mạch nhưng vẫn cho phép truyền dữ liệu.

Tu-dien-nhu-mot-bo-cach-ly Cách ly Galvanic là gì

Hình ảnh trên cho thấy tụ điện được sử dụng cho mục đích cách ly. Cả máy phát và máy thu đều bị cách ly, nhưng việc truyền dữ liệu có thể được thực hiện.

Ứng dụng của Cách ly Galvanic

Cách ly Galvanic là rất cần thiết và ứng dụng là rất lớn. Nó là một tham số quan trọng trong hàng tiêu dùng cũng như trong lĩnh vực công nghiệp, y tế và truyền thông. Trong  thị trường điện tử công nghiệp , cách ly điện là cần thiết cho hệ thống phân phối điện, máy phát điện, hệ thống đo lường, bộ điều khiển động cơ, thiết bị logic đầu vào-đầu ra, v.v.

Trong  lĩnh vực y tế , cách ly là một trong những ưu tiên chính của thiết bị vì các thiết bị y tế có thể kết nối trực tiếp với cơ thể bệnh nhân. Những thiết bị đó là ECG, Nội soi, Máy khử rung tim, các loại thiết bị tưởng tượng khác nhau. Hệ thống thông tin liên lạc ở cấp độ người tiêu dùng  cũng sử dụng cách ly điện. Một ví dụ phổ biến là Ethernet, Bộ định tuyến, Bộ chuyển mạch, Bộ chuyển mạch điện thoại, v.v. Hàng tiêu dùng thông thường, như bộ sạc, SMPS, bảng logic của máy tính là những sản phẩm phổ biến nhất sử dụng cách ly điện.

Ví dụ thực tế về cách ly Galvanic

Mạch dưới đây là mạch ứng dụng điển hình của IC song công toàn phần cách ly bằng điện  MAX14852  (Đối với tốc độ truyền thông 500 kbps) hoặc  MAX14854  (Đối với tốc độ truyền thông 25 Mbps) trên đường truyền RS-485 với bộ điều khiển vi mô. IC được sản xuất bởi công ty sản xuất chất bán dẫn nổi tiếng  Maxim Integrated.

Vi-du-thuc-te-ve-cach-ly-Galvanic Cách ly Galvanic là gì

Ví dụ này là một trong những ví dụ điển hình nhất về ví dụ cách ly galvanic trên thiết bị công nghiệp. RS-485 là một giao thức truyền thông truyền thống được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp. Việc sử dụng phổ biến của RS-485 là sử dụng   giao thức MODBUS  trên phân đoạn TTL.

Giả sử một Máy biến áp xoay chiều điện áp cao đang cung cấp dữ liệu cảm biến được cài đặt bên trong Máy biến áp thông qua  giao thức RS-485 . Người ta cần kết nối thiết bị PLC với cổng RS-485 để thu thập dữ liệu từ máy biến áp. Nhưng vấn đề là ở đường liên lạc trực tiếp. PLC sử dụng mức điện áp rất thấp và rất nhạy cảm với ESD cao hoặc tăng đột biến. Nếu kết nối trực tiếp được sử dụng, PLC có thể gặp rủi ro cao và cần được cách ly về mặt điện.

Các IC này rất hữu ích để bảo vệ PLC khỏi ESD hoặc các đợt tăng áp.

Theo bảng thông số, Cả hai IC đều có khả năng chịu đựng là +/- 35kV ESD và 2.75kVrms chịu được điện áp cách ly lên đến 60 giây. Không chỉ vậy, các IC đó còn xác nhận Điện áp cách ly làm việc 445Vrms, làm cho nó trở thành bộ cách ly thích hợp được sử dụng trong các thiết bị tự động hóa công nghiệp.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here