- Tipos de isolamento galvânico
- Isolamento de Sinal
- Isolamento de nível de potência
- Capacitores como isoladores
- Isolamento galvânico - Aplicações
- Exemplo prático de isolamento galvânico
Um forno de micro-ondas doméstico comum operando a 110/220 V CA pode produzir até 2800 V dentro dele, o que é perigosamente letal. Além disso, ele também tem uma tensão CA de nível inferior em torno de 3,5 V para iluminar o filamento e uma tensão CC regulada como 5 V / 3,3 V para a parte eletrônica digital como o display ou temporizadores para operar. Você já se perguntou o que impede que essas altas tensões cheguem aos seus dedos através dos botões ou da caixa quando você toca no forno? A resposta à sua pergunta é “isolamento”. Ao projetar produtos eletrônicos envolvendo mais de um tipo de sinal ou mais de uma tensão de operação, o isolamento é usado para evitar que um sinal atrapalhe o outro. Ele também desempenha um papel vital na segurança, evitando condições de falha em produtos de nível industrial. Este isolamento é geralmente referido como isolamento galvânico. Por que o termo “galvânico”? É porque galvânico representa a corrente produzida por algum tipo de ação química, e como estamos isolando esta corrente interrompendo o contato do condutor, ela é chamada de isolamento galvânico.
Existem vários tipos de técnicas de isolamento galvânico e a escolha da correta depende do tipo de isolamento, capacidade de resistência, requisitos de aplicação e, obviamente, o fator de custo também está envolvido. Neste artigo, aprenderemos sobre os diferentes tipos de isolamento, como funcionam e onde usá-los em nossos projetos.
Tipos de isolamento galvânico
- Isolamento de Sinal
- Isolamento de nível de potência
- Capacitores como isoladores
Isolamento de Sinal
O isolamento do nível de sinal é necessário quando dois circuitos de natureza diferente estão se comunicando usando algum tipo de sinal. Por exemplo, dois circuitos usando fonte de alimentação independente e operando em diferentes níveis de tensão. Nesses casos, para isolar o aterramento individual de duas fontes de alimentação independentes e para se comunicar entre esses dois circuitos, é necessário isolar o nível do sinal.
O isolamento do sinal é feito usando diferentes tipos de isoladores. Os isoladores ópticos e eletromagnéticos são usados principalmente para fins de isolamento de sinal. Ambos os isoladores protegem as diferentes fontes de aterramento da combinação. Cada isolador tem seu próprio princípio de operação e aplicação exclusivos, que são discutidos abaixo.
1. Isoladores ópticos
O isolador óptico usa luzes para se comunicar entre dois circuitos independentes. Normalmente, os isoladores ópticos também conhecidos como optoacoplador têm dois componentes dentro de um único chip de silício, um diodo emissor de luz e um fototransistor. O LED é controlado por um circuito e o lado do transistor é conectado ao outro circuito. Portanto, o LED e o transistor não estão eletricamente conectados. A comunicação é feita apenas por luzes, opticamente.
Considere a imagem acima. Um optoisolador PC817 popular está isolando dois circuitos independentes. O circuito 1 é a fonte de alimentação com uma chave, o circuito 2 é uma saída de nível lógico conectada a uma fonte de 5V diferente. O estado lógico é controlado pelo circuito esquerdo. Quando a chave está sendo fechada, o LED dentro do optoacoplador acende e liga o transistor. O estado lógico será alterado de Alto para Baixo.
O circuito 1 e o circuito 2 são isolados usando o circuito acima. O isolamento galvânico é muito útil para o circuito acima. Existem várias situações onde o ruído de terra de alto potencial é induzido no solo de baixo potencial e cria um loop de terra que ainda é responsável por medições imprecisas. Semelhante ao PC817, existem muitos tipos de optoacoplador para diferentes requisitos de aplicação.
2. Isoladores eletromagnéticos
Optoisolators são úteis para isolamento de sinal DC, mas isoladores eletromagnéticos, como pequenos transformadores de sinal, são úteis para isolamento de sinal AC. Os transformadores, como o transformador de áudio, têm seus lados primário e secundário isolados, que podem ser usados para diferentes isolamentos de sinal de áudio. Outro uso mais comum é em hardware de rede ou seção Ethernet. Transformadores de pulso são usados para isolar a fiação externa com hardware interno. Mesmo as linhas telefônicas são usadas como isoladores de sinal baseados em transformador. Mas, como os transformadores são isolados por eletromagnética, ele só funciona com CA.
A imagem acima é o esquema interno do conector RJ45 com transformador de pulso integrado para isolar a parte MCU com a saída.
Isolamento de nível de potência
Os isolamentos de nível de energia são necessários para isolar dispositivos sensíveis de baixa energia de linhas ruidosas de alta energia ou vice-versa. Além disso, o isolamento do nível de energia fornece segurança adequada contra tensões de linha perigosas, isolando as linhas de alta tensão do operador e de outras partes do sistema.
1. Transformador
O popular isolador de nível de potência é novamente um Transformer. Existem enormes aplicações para transformadores, o uso mais comum é fornecer baixa tensão de uma fonte de alta tensão. O transformador não tem conexões entre o primário e o secundário, mas pode reduzir a tensão de CA de alta tensão para CA de baixa tensão sem perder o isolamento galvânico.
A imagem acima mostra um transformador abaixador em ação, onde a entrada lateral primária é conectada à tomada da parede e a secundária é conectada através de uma carga resistiva. Um transformador de isolamento adequado tem uma relação de espiras de 1: 1 e não altera a tensão ou o nível de corrente em ambos os lados. O único objetivo do transformador de isolamento é fornecer isolamento.
2. Relés
O relé é um isolador popular com grande aplicação no campo da eletrônica e elétrica. Existem muitos tipos diferentes de relés disponíveis no mercado de eletrônicos, dependendo da aplicação. Os tipos populares são relés eletromagnéticos e relés de estado sólido.
Um relé eletromagnético funciona com peças eletromagnéticas e mecanicamente móveis, geralmente chamadas de pólos. Ele contém um eletroímã que move o pólo e completa o circuito. O relé cria isolamento quando os circuitos de alta tensão precisam ser controlados a partir de um circuito de baixa tensão ou vice-versa. Em tal situação, os dois circuitos são isolados, mas um circuito pode energizar o relé para controlar outro.
Na imagem acima, dois circuitos são eletricamente independentes um do outro. Mas, usando a chave no circuito-1, o usuário pode controlar o estado da carga no circuito 2. Saiba mais sobre como um relé pode ser usado em um circuito.
Não há muita diferença entre o relé de estado sólido e o relé eletromecânico em termos de funcionamento. Os relés de estado sólido funcionam exatamente da mesma forma, mas a parte eletromecânica é substituída por um diodo opticamente controlado. O isolamento galvânico pode ser construído devido à ausência de uma conexão direta entre a entrada e a saída dos relés de estado sólido.
3. Sensores de efeito Hall
Nem é preciso dizer que a medição de corrente faz parte da engenharia elétrica e eletrônica. Existem diferentes tipos de métodos de detecção de corrente disponíveis. Freqüentemente, as medições são necessárias para caminhos de alta tensão e alta corrente e o valor lido deve ser enviado a um circuito de baixa tensão que faz parte do circuito de medição. Também do ponto de vista do usuário, a medição invasiva é perigosa e impossível de implementar. Os sensores de efeito Hall fornecem medição de corrente sem contato com precisão e ajudam a medir a corrente que flui através de um condutor de forma não invasiva. Ele fornece isolamento adequado e garante a segurança contra eletricidade perigosa. O sensor de efeito Hall usa o campo eletromagnético gerado através do condutor para estimar a corrente que flui através dele.
O anel central é enganchado sobre um condutor de forma não invasiva e é isolado eletricamente como mostrado na imagem acima.
Capacitores como isoladores
O método menos popular para isolar circuitos é usando capacitores. Devido à ineficiência e resultados de falha perigosos, isso não é mais preferido, mas ainda sabendo que pode ser útil quando você quiser construir um isolador bruto. Os capacitores bloqueiam a CC e permitem a passagem de um sinal CA de alta frequência. Devido a esta excelente propriedade, o capacitor é utilizado como isolador em projetos onde as correntes CC de dois circuitos precisam ser bloqueadas, mas ainda permitindo a transmissão de dados.
A imagem acima mostra que os capacitores são usados para fins de isolamento. O transmissor e o receptor são isolados, mas a comunicação de dados pode ser feita.
Isolamento galvânico - Aplicações
O isolamento galvânico é muito essencial e a aplicação é enorme. É um parâmetro importante tanto em bens de consumo como no setor industrial, médico e de comunicação. Em um mercado de eletrônica industrial, o isolamento galvânico é necessário para sistemas de distribuição de energia, geradores de energia, sistemas de medição, controladores de motor, dispositivos lógicos de entrada-saída, etc.
No setor médico, o isolamento é uma das grandes prioridades dos equipamentos, pois os dispositivos médicos podem ser conectados diretamente ao corpo do paciente. Esses dispositivos são ECG, endoscópios, desfibriladores, diferentes tipos de dispositivos de imagem. Os sistemas de comunicação ao nível do consumidor também usam isolamento galvânico. Um exemplo comum é Ethernet, roteadores, switches, switches de telefone, etc. Bens de consumo normais, como carregadores, SMPS, placas lógicas de computador são os produtos mais comuns que usam isolamento galvânico.
Exemplo prático de isolamento galvânico
O circuito abaixo é um circuito de aplicação típico de IC MAX14852 Full-duplex galvanicamente isolado (para velocidade de comunicação de 500 kbps) ou MAX14854 (para velocidade de comunicação de 25 Mbps) na linha de comunicação RS-485 com a unidade de microcontrolador. O IC é fabricado pela popular empresa de fabricação de semicondutores Maxim Integrated.
Este exemplo é um dos melhores exemplos de isolamento galvânico em equipamentos industriais. RS-485 é um protocolo de comunicação tradicional amplamente utilizado em equipamentos industriais. O uso popular do RS-485 é empregar o protocolo MODBUS sobre o segmento TTL.
Suponha que um transformador CA de alta tensão esteja fornecendo dados de sensores que são instalados dentro do transformador via protocolo RS-485. É necessário conectar um dispositivo PLC com uma porta RS-485 para coletar os dados do transformador. Mas o problema está na linha de comunicação direta. O PLC usa nível de tensão muito baixo e muito sensível a ESD alto ou surto. Se uma conexão direta for empregada, o PLC pode estar em alto risco e precisa ser isolado galvanicamente.
Esses ICs são muito úteis para proteger o PLC de ESD ou surtos.
De acordo com a ficha técnica, ambos os ICs têm capacidade de resistência de +/- 35kV ESD e 2,75kVrms de tensão de isolamento de até 60 segundos. Além disso, esses ICs também confirmam a tensão de isolamento de trabalho de 445Vrms, tornando-o um isolador adequado para ser usado em equipamentos de automação industrial.