- Types d'isolement galvanique
- Isolation du signal
- Isolation du niveau de puissance
- Condensateurs comme isolateur
- Isolation galvanique - Applications
- Exemple pratique d'isolation galvanique
Un four à micro-ondes domestique moyen fonctionnant à 110 / 220V AC peut produire jusqu'à 2800V à l'intérieur, ce qui est dangereusement mortel. En plus de cela, il a également une tension alternative de niveau inférieur d'environ 3,5 V pour allumer le filament et une tension continue régulée comme 5 V / 3,3 V pour la partie électronique numérique comme l'affichage ou les minuteries pour fonctionner. Vous êtes-vous déjà demandé ce qui empêche ces hautes tensions d'atteindre vos doigts via les boutons ou le boîtier lorsque vous touchez le four? La réponse à votre question est «isolement». Lors de la conception de produits électroniques impliquant plus d'un type de signal ou plus d'une tension de fonctionnement, l'isolation est utilisée pour empêcher un signal de perturber l'autre. Il joue également un rôle essentiel dans la sécurité en empêchant les conditions de défaut dans les produits de qualité industrielle. Cet isolement est généralement appelé isolation galvanique. Pourquoi le terme «galvanique»? C'est parce que galvanique représente le courant produit par une sorte d'action chimique, et puisque nous isolons ce courant en coupant le contact du conducteur, il est appelé isolation galvanique.
Il existe plusieurs types de techniques d'isolation galvanique et le choix de la bonne dépend du type d'isolation, de la capacité de résistance, des exigences de l'application et, bien entendu, le facteur de coût est également impliqué. Dans cet article, nous découvrirons les différents types d'isolement, leur fonctionnement et leur utilisation dans nos conceptions.
Types d'isolement galvanique
- Isolation du signal
- Isolation du niveau de puissance
- Condensateurs comme isolateur
Isolation du signal
L'isolation du niveau de signal est requise lorsque deux circuits de nature différente communiquent entre eux en utilisant un certain type de signal. Par exemple, deux circuits utilisant une source d'alimentation indépendante et fonctionnant à des niveaux de tension différents. Dans de tels cas, pour isoler la masse individuelle de deux sources d'alimentation indépendantes et pour communiquer entre ces deux circuits, une isolation au niveau du signal est nécessaire.
L'isolation du signal se fait en utilisant différents types d'isolateurs. Les isolateurs optiques et électromagnétiques sont principalement utilisés à des fins d'isolation de signal. Ces deux isolateurs empêchent les différentes sources au sol de se combiner. Chaque isolateur a son propre principe de fonctionnement et application, qui sont décrits ci-dessous.
1. Isolateurs optiques
L'isolateur optique utilise des lumières pour communiquer entre deux circuits indépendants. En règle générale, les isolateurs optiques, également appelés optocoupleurs, ont deux composants à l'intérieur d'une seule puce de silicium, une diode électroluminescente et un phototransistor. La LED est contrôlée par un circuit et le côté transistor est connecté à l'autre circuit. Par conséquent, la LED et le transistor ne sont pas connectés électriquement. La communication se fait uniquement par des lumières, optiquement.
Considérez l'image ci-dessus. Un optoisolateur PC817 populaire isole deux circuits indépendants. Le circuit 1 est la source d'alimentation avec un interrupteur, le circuit 2 est une sortie de niveau logique connectée avec une alimentation 5V différente. L'état logique est contrôlé par le circuit gauche. Lorsque l'interrupteur est fermé, la LED à l'intérieur de l'optocoupleur s'allume et allume le transistor. L'état logique passera de High à Low.
Le circuit 1 et le circuit 2 sont isolés à l'aide du circuit ci-dessus. L'isolation galvanique est très utile pour le circuit ci-dessus. Il existe plusieurs situations où le bruit de sol potentiel élevé induit dans la terre à faible potentiel et crée une boucle de masse qui est en outre responsable de mesures inexactes. Semblable au PC817, il existe de nombreux types d'optocoupleur pour différentes exigences d'application.
2. Isolateurs électromagnétiques
Opto - isolateurs sont utiles pour l' isolement du signal de courant continu, mais isolateurs électromagnétiques tels que les petits transformateurs de signaux sont utiles pour l' isolement du signal de courant alternatif. Les transformateurs comme le transformateur audio ont leurs côtés primaire et secondaire isolés qui peuvent être utilisés pour différentes isolations de signaux audio. Une autre utilisation la plus courante est dans le matériel réseau ou la section Ethernet. Les transformateurs d'impulsions sont utilisés pour isoler le câblage externe avec le matériel interne. Même les lignes téléphoniques sont des isolateurs de signaux à base de transformateurs. Mais, comme les transformateurs sont isolés électromagnétiquement, cela ne fonctionne qu'avec du courant alternatif.
L'image ci-dessus est le schéma interne de la prise RJ45 avec transformateur d'impulsions intégré pour isoler la partie MCU avec la sortie.
Isolation du niveau de puissance
Des isolements de niveau de puissance sont nécessaires pour isoler les appareils sensibles à faible puissance des lignes bruyantes à haute puissance ou vice versa. En outre, l'isolation du niveau de puissance offre une sécurité adéquate contre les tensions de ligne dangereuses en isolant les lignes haute tension de l'opérateur et d'autres parties du système.
1. Transformateur
L'isolateur de niveau de puissance populaire est à nouveau un transformateur. Il existe d'énormes applications pour les transformateurs dont l'utilisation la plus courante consiste à fournir une basse tension à partir d'une source haute tension. Le transformateur n'a pas de connexions entre le primaire et le secondaire mais pourrait abaisser la tension du courant alternatif haute tension au courant alternatif basse tension sans perdre l'isolation galvanique.
L'image ci-dessus montre un transformateur abaisseur en action où l'entrée côté primaire est connectée dans la prise murale et le secondaire est connecté à travers une charge résistive. Un transformateur d'isolement approprié a un rapport de tours de 1: 1 et ne modifie pas la tension ou le niveau de courant des deux côtés. Le seul but du transformateur d'isolement est de fournir une isolation.
2. Relais
Relay est un isolateur populaire avec une énorme application dans le domaine de l'électronique et de l'électricité. Il existe de nombreux types de relais disponibles sur le marché de l'électronique en fonction de l'application. Les types populaires sont les relais électromagnétiques et les relais à semi-conducteurs.
Un relais électromagnétique fonctionne avec des pièces électromagnétiques et mobiles mécaniquement souvent appelées pôles. Il contient un électroaimant qui déplace le pôle et complète le circuit. Le relais crée une isolation lorsque les circuits haute tension doivent être contrôlés à partir d'un circuit basse tension ou vice-versa. Dans une telle situation, les deux circuits sont isolés mais un circuit pourrait alimenter le relais pour en contrôler un autre.
Dans l'image ci-dessus, deux circuits sont électriquement indépendants l'un de l'autre. Mais en utilisant le commutateur sur le circuit 1, l'utilisateur peut contrôler l'état de la charge sur le circuit 2. En savoir plus sur la façon dont un relais peut être utilisé dans un circuit.
Il n'y a pas beaucoup de différence entre le relais statique et le relais électromécanique en termes de fonctionnement. Les relais statiques fonctionnent exactement de la même manière, mais la partie électromécanique est remplacée par une diode à commande optique. L'isolation galvanique peut être créée en raison de l'absence de connexion directe entre l'entrée et la sortie des relais statiques.
3. Capteurs à effet Hall
Inutile de dire que la mesure du courant fait partie de l'ingénierie électrique et électronique. Il existe différents types de méthodes de détection de courant disponibles. Souvent, les mesures sont nécessaires pour les chemins à haute tension et à courant élevé et la valeur lue doit être envoyée à un circuit basse tension qui fait partie du circuit de mesure. Du point de vue de l'utilisateur également, la mesure invasive est dangereuse et impossible à mettre en œuvre. Les capteurs à effet Hall fournissent une mesure précise du courant sans contact et aident à mesurer le courant circulant à travers un conducteur de manière non invasive. Il fournit une isolation appropriée et garantit la sécurité contre l'électricité dangereuse. Le capteur à effet Hall utilise un champ électromagnétique généré à travers le conducteur pour estimer le courant qui le traverse.
L'anneau central est accroché sur un conducteur de manière non invasive et il est isolé électriquement comme le montre l'image ci-dessus.
Condensateurs comme isolateur
La méthode la moins populaire pour isoler les circuits consiste à utiliser des condensateurs. En raison de l'inefficacité et des problèmes de défaillance dangereux, ce n'est plus préférable, mais sachant que cela peut être utile lorsque vous souhaitez construire un isolateur brut. Les condensateurs bloquent le courant continu et permettent le passage d'un signal AC haute fréquence. En raison de cette excellente propriété, le condensateur est utilisé comme isolateur dans les conceptions où les courants CC de deux circuits doivent être bloqués tout en permettant la transmission de données.
L'image ci-dessus montre que les condensateurs sont utilisés à des fins d'isolation. L'émetteur et le récepteur sont tous deux isolés, mais la communication de données peut être effectuée.
Isolation galvanique - Applications
L'isolation galvanique est très essentielle et l'application est énorme. C'est un paramètre important dans les biens de consommation ainsi que dans le secteur industriel, médical et de la communication. Sur un marché de l'électronique industrielle, une isolation galvanique est requise pour les systèmes de distribution électrique, les générateurs électriques, les systèmes de mesure, les contrôleurs de moteur, les dispositifs logiques d'entrée-sortie, etc.
Dans le secteur médical, l'isolement est l'une des priorités majeures des équipements car les dispositifs médicaux peuvent être directement connectés au corps du patient. Ces appareils sont l'ECG, les endoscopes, les défibrillateurs, différents types d'appareils d'imagerie. Les systèmes de communication au niveau des consommateurs utilisent également une isolation galvanique. Un exemple courant est Ethernet, les routeurs, les commutateurs, les commutateurs téléphoniques, etc. Les biens de consommation normaux, comme les chargeurs, les SMPS, les cartes logiques d'ordinateur sont les produits les plus courants qui utilisent l'isolation galvanique.
Exemple pratique d'isolation galvanique
Le circuit ci-dessous est un circuit d'application typique d'IC MAX14852 en duplex intégral isolé galvaniquement (pour une vitesse de communication de 500 kbps) ou MAX14854 (pour une vitesse de communication de 25 Mbps) sur la ligne de communication RS-485 avec l'unité de microcontrôleur. Le circuit intégré est fabriqué par la célèbre société de fabrication de semi-conducteurs Maxim Integrated.
Cet exemple est l'un des meilleurs exemples d'exemple d'isolation galvanique sur des équipements industriels. RS-485 est un protocole de communication traditionnel largement utilisé dans les équipements industriels. L'utilisation courante de RS-485 consiste à utiliser le protocole MODBUS sur le segment TTL.
Supposons qu'un transformateur CA haute tension fournisse des données de capteurs qui sont installées à l'intérieur du transformateur via le protocole RS-485. Il faut connecter un appareil PLC avec un port RS-485 pour récupérer les données du transformateur. Mais le problème réside dans la ligne de communication directe. Le PLC utilise un niveau de tension très bas et très sensible aux décharges électrostatiques élevées ou aux surtensions. Si une connexion directe est utilisée, l'API peut présenter un risque élevé et doit être isolé galvaniquement.
Ces circuits intégrés sont très utiles pour protéger l'automate contre les décharges électrostatiques ou les surtensions.
Selon la fiche technique, les deux circuits intégrés ont une capacité de résistance de +/- 35 kV ESD et 2,75 kVrms résistent à une tension d'isolement jusqu'à 60 secondes. Non seulement cela, mais ces circuits intégrés confirment également une tension d'isolement de travail de 445 Vrms, ce qui en fait un isolateur approprié à utiliser dans les équipements d'automatisation industrielle.