- أنواع العزلة الجلفانية
- عزل الإشارة
- عزل مستوى الطاقة
- المكثفات كعزل
- عزل كلفاني - تطبيقات
- مثال عملي على العزلة الجلفانية
يمكن أن ينتج فرن الميكروويف المنزلي المتوسط الذي يعمل على 110/220 فولت تيار متردد ما يصل إلى 2800 فولت بداخله ، وهو أمر قاتل بشكل خطير. إلى جانب ذلك ، يحتوي أيضًا على جهد تيار متردد منخفض المستوى حوالي 3.5 فولت لإضاءة الفتيل وجهد تيار مستمر منظم مثل 5 فولت / 3.3 فولت لجزء الإلكترونيات الرقمية مثل الشاشة أو أجهزة ضبط الوقت للعمل. هل تساءلت يومًا ما الذي يمنع هذه الفولتية العالية من الوصول إلى أصابعك من خلال الأزرار أو الغلاف عند لمس الفرن؟ الجواب على سؤالك هو "العزلة".. عند تصميم منتجات إلكترونية تشتمل على أكثر من نوع واحد من الإشارات أو أكثر من جهد تشغيل واحد ، يتم استخدام العزل لمنع إحدى الإشارات من العبث بالأخرى. كما أنها تلعب دورًا حيويًا في السلامة من خلال منع حالات الأعطال في المنتجات الصناعية. يشار إلى هذه العزلة عمومًا باسم العزلة الجلفانية. لماذا مصطلح "كلفاني"؟ ذلك لأن الجلفاني يمثل التيار الناتج عن نوع من الفعل الكيميائي ، ولأننا نعزل هذا التيار عن طريق كسر ملامسة الموصل ، يُطلق عليه اسم العزل الجلفاني.
هناك عدة أنواع من تقنيات العزل الجلفاني ويعتمد اختيار الطريقة الصحيحة على نوع العزل ، وتحمل السعة ، ومتطلبات التطبيق ، ومن الواضح أن عامل التكلفة متضمن أيضًا. في هذه المقالة سوف نتعرف على الأنواع المختلفة للعزلة ، وكيف تعمل وأين نستخدمها في تصميماتنا.
أنواع العزلة الجلفانية
- عزل الإشارة
- عزل مستوى الطاقة
- المكثفات كعزل
عزل الإشارة
مطلوب عزل مستوى الإشارة حيث تتواصل دائرتان ذات طبيعة مختلفة مع بعضهما البعض باستخدام نوع من الإشارة. على سبيل المثال ، دائرتان تستخدمان مصدر طاقة مستقل وتعملان بمستويات جهد مختلفة. في مثل هذه الحالات ، لعزل الأرض الفردية لمصدري طاقة مستقلين وللتواصل بين هاتين الدائرتين ، يلزم عزل مستوى الإشارة.
يتم عزل الإشارة باستخدام أنواع مختلفة من العوازل. تستخدم العوازل البصرية والكهرومغناطيسية بشكل رئيسي في غرض عزل الإشارة. كلا العوازل تحمي المصادر الأرضية المختلفة من الاندماج معًا. كل عازل له مبدأ التشغيل الفريد الخاص به والتطبيق الذي تمت مناقشته أدناه.
1. العوازل البصرية
يستخدم المعزل البصري الأضواء للتواصل بين دائرتين مستقلتين. عادةً ما تحتوي العوازل الضوئية المعروفة باسم Optocoupler على مكونين داخل شريحة سيليكون واحدة ، وصمام ثنائي باعث للضوء ، وترانزستور ضوئي. يتم التحكم في LED بواسطة دائرة واحدة ويتم توصيل جانب الترانزستور بالدائرة الأخرى. لذلك ، لا يتم توصيل مؤشر LED والترانزستور كهربائيًا. يتم الاتصال فقط عن طريق الأضواء ، بصريًا.
النظر في الصورة أعلاه. يقوم جهاز optoisolator الشهير PC817 بعزل دائرتين مستقلتين. الدائرة 1 هي مصدر الطاقة بمفتاح ، والدائرة 2 هي خرج مستوى منطقي متصل بمصدر 5 فولت مختلف. يتم التحكم في الحالة المنطقية بواسطة الدائرة اليسرى. عند إغلاق المفتاح ، يضيء مؤشر LED الموجود داخل optocoupler ويقوم بتشغيل الترانزستور. سيتم تغيير الحالة المنطقية من عالية إلى منخفضة.
الدائرة 1 والدائرة 2 معزولة باستخدام الدائرة أعلاه. العزلة الجلفانية مفيدة جدًا للدائرة أعلاه. هناك العديد من المواقف التي يحدث فيها ضجيج أرضي عالي الإمكانات في الأرض ذات الإمكانات المنخفضة وتخلق حلقة أرضية مسؤولة أيضًا عن القياسات غير الدقيقة. على غرار PC817 ، هناك العديد من أنواع Optocoupler لمتطلبات التطبيقات المختلفة.
2. العوازل الكهرومغناطيسية
تعد Optoisolators مفيدة لعزل إشارة التيار المستمر ، لكن العوازل الكهرومغناطيسية مثل محولات الإشارة الصغيرة مفيدة لعزل إشارة التيار المتردد. المحولات مثل المحولات الصوتية لها جوانبها الأولية والثانوية معزولة والتي يمكن استخدامها لعزل إشارة صوتية مختلفة. الاستخدام الأكثر شيوعًا هو في أجهزة الشبكة أو قسم Ethernet. تستخدم محولات النبض لعزل الأسلاك الخارجية بالأجهزة الداخلية. حتى خطوط الهاتف تستخدم عوازل إشارة تعتمد على المحولات. ولكن بما أن المحولات معزولة بالكهرومغناطيسية ، فإنها تعمل فقط مع التيار المتردد
الصورة أعلاه هي التخطيط الداخلي لمقبس RJ45 مع محول نبضي متكامل لعزل جزء MCU مع الإخراج.
عزل مستوى الطاقة
يلزم عزل مستوى الطاقة لعزل الأجهزة الحساسة للطاقة المنخفضة عن الخطوط الصاخبة عالية الطاقة أو العكس. أيضًا ، يوفر عزل مستوى الطاقة أمانًا مناسبًا من الفولتية الخطرة عن طريق عزل خطوط الجهد العالي عن المشغل وأجزاء أخرى من النظام.
1. محول
عازل مستوى الطاقة المشهور هو محول مرة أخرى. هناك تطبيقات هائلة للمحولات ، الاستخدام الأكثر شيوعًا هو توفير جهد منخفض من مصدر جهد عالٍ. لا يحتوي المحول على وصلات بين الابتدائي والثانوي ولكن يمكن أن ينزل الجهد من التيار المتردد عالي الجهد إلى التيار المتردد المنخفض الجهد دون أن يفقد العزل الجلفاني.
تُظهر الصورة أعلاه محولًا متدرجًا أثناء العمل حيث يتم توصيل المدخلات الجانبية الأولية بمقبس الحائط ويتم توصيل الثانوية عبر حمل مقاوم. و عزل المحول الصحيح لديه نسبة 1: 1 المنعطفات ولا يغير من الجهد أو المستوى الحالي من كلا الجانبين. الغرض الوحيد من محول العزل هو توفير العزلة.
2. التبديلات
Relay هو عازل شائع مع تطبيق ضخم في مجال الإلكترونيات والكهرباء. هناك العديد من أنواع المرحلات المختلفة المتاحة في سوق الإلكترونيات حسب التطبيق. الأنواع الشائعة هي المرحلات الكهرومغناطيسية ومرحلات الحالة الصلبة.
يعمل التتابع الكهرومغناطيسي مع الأجزاء المتحركة الكهرومغناطيسية والميكانيكية التي يشار إليها غالبًا بالأعمدة. يحتوي على مغناطيس كهربائي يحرك القطب ويكمل الدائرة. ينشئ الترحيل عزلة عندما تحتاج دوائر الجهد العالي إلى التحكم فيها من دائرة جهد منخفض أو العكس. في مثل هذه الحالة ، يتم عزل كلتا الدائرتين ولكن يمكن لدائرة واحدة تنشيط التتابع للتحكم في دائرة أخرى.
في الصورة أعلاه ، دائرتان مستقلتان كهربائياً عن بعضهما البعض. ولكن باستخدام المفتاح الموجود على الدائرة -1 ، يمكن للمستخدم التحكم في حالة الحمل على الدائرة 2. تعرف على المزيد حول كيفية استخدام المرحل في الدائرة.
لا يوجد فرق كبير بين مرحل الحالة الصلبة والتتابع الكهروميكانيكي من حيث العمل. تعمل مرحلات الحالة الصلبة بنفس الطريقة تمامًا ولكن يتم استبدال الجزء الكهروميكانيكي بصمام ثنائي متحكم فيه بصريًا. يمكن بناء العزلة الجلفانية بسبب عدم وجود اتصال مباشر بين مدخلات ومخرجات مرحلات الحالة الصلبة.
3. مجسات تأثير هول
وغني عن القول أن القياس الحالي هو جزء من الهندسة الكهربائية والإلكترونية. تتوفر أنواع مختلفة من طرق الاستشعار الحالية. غالبًا ما تكون القياسات مطلوبة لمسارات الجهد العالي والتيار العالي ويجب إرسال القيمة المقروءة إلى دائرة الجهد المنخفض والتي تعد جزءًا من دائرة القياس. من وجهة نظر المستخدم أيضًا ، يعد القياس الجراحي خطيرًا ويستحيل تنفيذه. توفر مستشعرات Hall Effect قياس التيار غير التلامسي بدقة وتساعد على قياس التيار المتدفق عبر موصل بطريقة غير جراحية. يوفر عزلًا مناسبًا ويضمن السلامة من الكهرباء الخطرة. يستخدم مستشعر Hall Effect المجال الكهرومغناطيسي المتولد عبر الموصل لتقدير التيار المتدفق خلاله.
يتم ربط الحلقة الأساسية بموصل بطريقة غير باضعة وهي معزولة كهربائيًا كما هو موضح في الصورة أعلاه.
المكثفات كعزل
الطريقة الأقل شيوعًا لعزل الدوائر هي استخدام المكثفات. نظرًا لعدم الكفاءة ونتائج الفشل الخطيرة ، لم يعد هذا مفضلاً ، ولكن لا تزال تعلم أنه قد يكون مفيدًا عندما تريد بناء عازل خام. تحجب المكثفات التيار المستمر وتسمح بتمرير إشارة تيار متردد عالية التردد. نظرًا لهذه الخاصية الممتازة ، يتم استخدام المكثف كعوازل في التصميمات حيث يلزم حظر تيارات التيار المستمر لدائرتين مع السماح بنقل البيانات.
توضح الصورة أعلاه استخدام المكثفات لأغراض العزل. كل من المرسل والمستقبل معزولان ، ولكن يمكن إجراء اتصال البيانات.
عزل كلفاني - تطبيقات
العزلة الكلفانية ضرورية للغاية والتطبيق ضخم. إنها معلمة مهمة في السلع الاستهلاكية وكذلك في قطاع الصناعة والطب والاتصالات. في سوق الإلكترونيات الصناعية ، يلزم العزل الجلفاني لأنظمة توزيع الطاقة ، ومولدات الطاقة ، وأنظمة القياس ، وأجهزة التحكم في المحركات ، وأجهزة منطق الإدخال والإخراج ، إلخ.
في القطاع الطبي يعتبر العزل من الأولويات الرئيسية للمعدات حيث يمكن ربط الأجهزة الطبية بشكل مباشر بأجسام المريض. هذه الأجهزة هي ECG ، المناظير ، أجهزة تنظيم ضربات القلب ، أنواع مختلفة من أجهزة التخيل. تستخدم أنظمة الاتصال على مستوى المستهلك أيضًا العزلة الجلفانية. أحد الأمثلة الشائعة هو الإيثرنت ، والموجهات ، والمحولات ، ومفاتيح الهاتف ، وما إلى ذلك. السلع الاستهلاكية العادية ، مثل أجهزة الشحن ، و SMPS ، ولوحات منطق الكمبيوتر هي أكثر المنتجات شيوعًا التي تستخدم العزل الكهربائي.
مثال عملي على العزلة الجلفانية
الدائرة التالية عبارة عن دائرة تطبيق نموذجية لـ Full-duplex IC MAX14852 المعزول جلفانيًا (لسرعة اتصال 500 كيلوبت في الثانية) أو MAX14854 (لسرعة اتصال 25 ميجابت في الثانية) على خط اتصال RS-485 مع وحدة التحكم الدقيقة. يتم تصنيع IC من قبل شركة Maxim Integrated لتصنيع أشباه الموصلات .
هذا المثال هو أحد أفضل الأمثلة على مثال العزل الجلفاني على المعدات الصناعية. RS-485 هو بروتوكول اتصال تقليدي يستخدم على نطاق واسع في المعدات الصناعية. الاستخدام الشائع لـ RS-485 هو استخدام بروتوكول MODBUS عبر مقطع TTL.
لنفترض أن محول التيار المتردد عالي الجهد يوفر بيانات أجهزة الاستشعار المثبتة داخل المحول عبر بروتوكول RS-485. يحتاج المرء إلى توصيل جهاز PLC بمنفذ RS-485 لحصد البيانات من المحول. لكن المشكلة في خط الاتصال المباشر. يستخدم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) مستوى جهدًا منخفضًا جدًا وحساسًا جدًا مع ارتفاع ESD أو زيادة التيار. إذا تم استخدام اتصال مباشر ، يمكن أن يكون PLC في خطر كبير ويحتاج إلى عزل جلفاني.
هذه الدوائر المتكاملة مفيدة جدًا لحماية PLC من التفريغ الكهروستاتيكي أو العواصف.
وفقًا لورقة البيانات ، يتمتع كلا المرحلتين بقدرة تحمل +/- 35 كيلو فولت ESD و 2.75 كيلو فولت في الثانية يتحملان جهد العزل حتى 60 ثانية. ليس هذا فقط ، ولكن هذه الدوائر المتكاملة تؤكد أيضًا جهد عزل العمل 445Vrms ، مما يجعلها عازلًا مناسبًا لاستخدامه في معدات الأتمتة الصناعية.