110 / 220V ACで動作する平均的な家庭用電子レンジは、その内部で最大2800Vを生成する可能性があり、これは危険なほど致命的です。それに加えて、フィラメントを点灯させるための約3.5Vの低レベルAC電圧と、ディスプレイやタイマーなどのデジタル電子部品が動作するための5V /3.3Vなどの安定化DC電圧もあります。オーブンに触れたときに、これらの高電圧がボタンやケーシングを介して指に届くのを防ぐのはなぜだろうと思ったことはありませんか？あなたの質問への答えは 「隔離」です。複数のタイプの信号または複数の動作電圧を含む電子製品を設計する場合、一方の信号が他方の信号を台無しにするのを防ぐために絶縁が使用されます。また、工業用グレードの製品の故障状態を防止することにより、安全性において重要な役割を果たします。この絶縁は、一般にガルバニック絶縁と呼ばれ ます。なぜ「ガルバニック」という用語なのですか？これは、ガルバニックが何らかの化学作用によって生成される電流を表すためであり、導体の接触を切断することによってこの電流を絶縁しているため、ガルバニック絶縁と呼ばれます。
ガルバニック絶縁技術にはいくつかのタイプがあり 、適切なものを選択することは、絶縁のタイプ、 耐容量、アプリケーション要件に依存し、明らかにコスト要因も関係します。この記事では、さまざまなタイプの分離、それらがどのように機能するか、および設計のどこでそれらを使用するかについて学習します。
ガルバニック絶縁の種類
- 信号分離
- 電力レベルの分離
- アイソレータとしてのコンデンサ
信号分離
異なる性質の2つの回路が何らかのタイプの信号を使用して相互に通信している場合、信号レベルの分離が必要です。たとえば、独立した電源を使用し、異なる電圧レベルで動作する2つの回路。このような場合、2つの独立した電源の個々のグランドを分離し、それら2つの回路間で通信するには、信号レベルの分離が必要です。
信号の分離は、さまざまなタイプのアイソレータを使用して行われます。 光および電磁アイソレータ は、主に信号分離の目的で使用されます。これらのアイソレータは両方とも、異なる接地源が結合するのを防ぎます。各アイソレータには、以下で説明する独自の動作原理とアプリケーションがあります。
1.光アイソレータ
光アイソレータ は、ライトを使用して2つの独立した回路間で通信します。通常、オプトカプラーとも呼ばれる光アイソレーターは、単一のシリコンチップ内に2つのコンポーネント、発光ダイオード、およびフォトトランジスターを備えています。LEDは一方の回路で制御され、トランジスタ側はもう一方の回路に接続されています。したがって、LEDとトランジスタは電気的に接続されていません。通信は、光学的に、ライトによってのみ行われます。
上の画像を考えてみましょう。人気のある オプトアイソレータPC817 は、2つの独立した回路を絶縁しています。回路1はスイッチ付きの電源で、回路2は別の5V電源に接続されたロジックレベル出力です。論理状態は左側の回路によって制御されます。スイッチを閉じると、フォトカプラ内部のLEDが点灯し、トランジスタがオンになります。論理状態がHighからLowに変更されます。
回路1と回路2は、上記の回路を使用して絶縁されています。ガルバニック絶縁は、上記の回路に非常に役立ちます。高電位のグランドノイズが低電位のグランドに誘導され、グランドループが発生して、測定が不正確になる状況がいくつかあります。PC817と同様に、さまざまなアプリケーション要件に対応する多くのタイプのオプトカプラーがあります。
2.電磁アイソレータ
光アイソレータは DC信号の絶縁に 役立ちますが、小信号トランスなどの電磁アイソレータ はAC信号の絶縁に役立ち ます。オーディオトランスのようなトランスフォーマーは、一次側と二次側が分離されており、さまざまなオーディオ信号の分離に使用できます 。もう1つの最も一般的な用途は、ネットワークハードウェアまたはイーサネットセクションです。 パルストランス は、外部配線を内部ハードウェアで分離するために使用されます。電話回線でさえ、変圧器ベースの信号アイソレータが使用されています。ただし、変圧器は電磁的に絶縁されているため、ACでのみ機能します。
上の画像は、MCU部分を出力で絶縁するための統合パルストランスを備えたRJ45ジャックの内部回路図です。
電力レベルの分離
低電力に敏感なデバイスを高電力のノイズの多い回線から分離するに は、またはその逆に、電力レベルの分離が必要です 。また、電力レベルの分離は 、オペレーターおよびシステムの他の部分から高電圧ラインを分離することにより、危険なライン電圧から適切な安全性を提供 します。
1.トランス
人気のある電力レベルアイソレータもトランスです。変圧器には膨大な用途があり、最も一般的な使用法は、高電圧源から低電圧を供給することです。変圧器には一次側と二次側の間に接続がありませんが、ガルバニック絶縁を失うことなく、電圧を高電圧ACから低電圧ACに降圧できます。
上の画像は、一次側の入力が壁のコンセントに接続され、二次側が抵抗性負荷の両端に接続されている、動作中の降圧変圧器を示しています。 1つの巻数比：適切な絶縁トランス1を有し、 両側の電圧または電流レベルを変化させません。絶縁トランスの唯一の目的は、絶縁を提供することです。
2.リレー
リレーは、エレクトロニクスおよび電気の分野で大きな用途を持つ人気のあるアイソレータです。エレクトロニクス市場では、用途に応じてさまざまな種類のリレーを利用できます。人気のあるタイプは、電磁リレーとソリッドステートリレーです。
電磁リレーは、ポールと呼ばれることが多い電磁および機械的に可動な部品で動作します。ポールを動かして回路を完成させる電磁石が含まれています。リレーは、高電圧回路を低電圧回路から制御する必要がある場合、またはその逆の場合に分離を作成します。このような状況では、両方の回路が分離されていますが、1つの回路がリレーに電力を供給して別の回路を制御する可能性があります。
上の画像では、2つの回路は互いに電気的に独立しています。ただし、Circuit-1のスイッチを使用することで、ユーザーはCircuit2の負荷の状態を制御できます。Circuitでリレーを使用する方法の詳細をご覧ください。
ソリッドステートリレーと電気機械式リレーの間には、動作の点で大きな違い はありません 。ソリッドステートリレーはまったく同じように機能しますが、電気機械部品は光学制御ダイオードに置き換えられています。ソリッドステートリレーの入力と出力の間に直接接続がないため、ガルバニック絶縁が構築される可能性があります。
3.ホール効果センサー
言うまでもなく、電流測定は電気電子工学の一部です。利用可能な電流検出方法にはさまざまなタイプがあります。多くの場合、測定は高電圧および高電流パスに必要であり、読み取られた値は、測定回路の一部である低電圧回路に送信される必要があります。また、ユーザーの観点からは、侵襲的な測定は危険であり、実装することは不可能です。ホール効果センサーは、非接触電流測定を 正確に提供 し、非侵襲的な方法で導体を流れる電流を測定するのに役立ちます。それは適切な隔離を提供し、危険な電気からの安全を保証します。ホール効果センサーは、導体に発生する電磁界を使用して、導体を流れる電流を推定します。
コアリングは非侵襲的な方法で導体に引っ掛けられ、上の写真に示すように電気的に絶縁されています。
アイソレータとしてのコンデンサ
回路を分離するための最も一般的でない方法は、コンデンサを使用することです。非効率性と危険な障害の結果のため、これはもはや好ましくありませんが、それでも、粗製のアイソレータを構築するときに役立つ可能性があることを知っています。コンデンサはDCを遮断し、高周波AC信号の通過を可能にします。この優れた特性により、コンデンサは、2つの回路のDC電流を遮断する必要があるが、データ伝送を可能にする設計でアイソレータとして使用されます。
上の画像は、コンデンサが絶縁目的で使用されていることを示しています。送信機と受信機はどちらも分離されていますが、データ通信は可能です。
ガルバニック絶縁–アプリケーション
ガルバニック絶縁は非常に重要であり、アプリケーションは巨大です。これは、消費財だけでなく、産業、医療、通信の分野でも重要なパラメータです。では 産業用エレクトロニクス市場、ガルバニック絶縁は、配電システム、発電機、計測システム、モータコントローラ、入出力ロジック・デバイスなどのために必要とされます
で 医療分野の医療機器は、直接、患者の体に接続することができるよう、アイソレーションは、機器のための主要な優先事項の一つです。そのようなデバイスは、ECG、内視鏡、除細動器、さまざまな種類の想像デバイスです。 消費者レベルの通信システム もガルバニック絶縁を使用します。一般的な例の1つは、イーサネット、ルーター、スイッチャー、電話交換機などです。充電器、SMPS、コンピューターのロジックボードなどの通常の消費財は、ガルバニック絶縁を使用する最も一般的な製品です。
ガルバニック絶縁の実用例
以下の回路は 、マイクロコントローラユニットとのRS-485通信回線での電気的に絶縁された全二重IC MAX14852 （500 kbps通信速度の場合）または MAX14854（25 Mbps通信速度の場合）の典型的なアプリケーション回路です 。このICは、人気のある半導体製造会社MaximIntegratedによって製造されてい ます。
この例は、産業機器のガルバニック絶縁の例の最良の例の1つです。RS-485は、産業機器で使用される広く使用されている従来の通信プロトコルです。RS-485の一般的な使用法は 、TTLセグメント上でMODBUS プロトコルを採用すること です。
高電圧AC変圧器が、RS-485プロトコルを介して変圧器内に設置されたセンサーデータを提供しているとします。変圧器からデータを収集するには、PLCデバイスをRS-485ポートに接続する必要があります。しかし、問題は直接通信回線にあります。PLCは非常に低い電圧レベルを使用し、高いESDまたはサージに対して非常に敏感です。直接接続を使用する場合、PLCはリスクが高くなる可能性があり、電気的に絶縁する必要があります。
これらのICは、PLCをESDやサージから保護するのに非常に役立ちます。
データシートによると、両方のICの耐容量は+/- 35kV ESDであり、2.75kVrmsは最大60秒の絶縁電圧に耐えます。これだけでなく、これらのICは445Vrmsの動作絶縁電圧も確認するため、産業用オートメーション機器で使用するのに適したアイソレータになります。