- Tipos de aislamiento galvánico
- Aislamiento de señal
- Aislamiento de nivel de potencia
- Condensadores como aisladores
- Aislamiento galvánico - Aplicaciones
- Ejemplo práctico de aislamiento galvánico
Un horno de microondas doméstico promedio que funciona a 110/220 V CA puede producir hasta 2800 V en su interior, lo que es peligrosamente letal. Además de eso, también tiene un voltaje de CA de nivel más bajo alrededor de 3.5V para iluminar el filamento y un voltaje de CC regulado como 5V / 3.3V para que la parte electrónica digital como la pantalla o los temporizadores funcionen. ¿Alguna vez se ha preguntado qué impide que estos altos voltajes lleguen a sus dedos a través de los botones o la carcasa cuando toca el horno? La respuesta a su pregunta es "aislamiento". Al diseñar productos electrónicos que involucran más de un tipo de señal o más de un voltaje de operación, el aislamiento se usa para evitar que una señal estropee la otra. También juega un papel vital en la seguridad al prevenir condiciones de falla en productos de grado industrial. Este aislamiento generalmente se conoce como aislamiento galvánico. ¿Por qué el término "galvánico"? Esto se debe a que el galvánico representa la corriente producida por algún tipo de acción química, y dado que estamos aislando esta corriente al romper el contacto del conductor, se llama aislamiento galvánico.
Existen varios tipos de técnicas de aislamiento galvánico y la elección de la correcta depende del tipo de aislamiento, la capacidad de resistencia, los requisitos de la aplicación y, obviamente, el factor de costo también está involucrado. En este artículo conoceremos los diferentes tipos de aislamiento, cómo funcionan y dónde utilizarlos en nuestros diseños.
Tipos de aislamiento galvánico
- Aislamiento de señal
- Aislamiento de nivel de potencia
- Condensadores como aisladores
Aislamiento de señal
Se requiere aislamiento del nivel de señal cuando dos circuitos de diferente naturaleza se comunican entre sí mediante algún tipo de señal. Por ejemplo, dos circuitos que utilizan una fuente de alimentación independiente y funcionan con diferentes niveles de voltaje. En tales casos, para aislar la tierra individual de dos fuentes de energía independientes y para comunicarse entre esos dos circuitos, se requiere aislamiento de nivel de señal.
El aislamiento de la señal se realiza mediante el uso de diferentes tipos de aisladores. Los aisladores ópticos y electromagnéticos se utilizan principalmente para fines de aislamiento de señales. Ambos aisladores protegen las diferentes fuentes de tierra para que no se combinen. Cada aislador tiene su propio principio de funcionamiento y aplicación que se describen a continuación.
1. Aisladores ópticos
El aislador óptico utiliza luces para comunicarse entre dos circuitos independientes. Por lo general, los aisladores ópticos, también conocidos como optoacopladores, tienen dos componentes dentro de un solo chip de silicio, un diodo emisor de luz y un fototransistor. El LED está controlado por un circuito y el lado del transistor está conectado con el otro circuito. Por lo tanto, el LED y el transistor no están conectados eléctricamente. La comunicación solo se realiza mediante luces, de forma óptica.
Considere la imagen de arriba. Un optoaislador popular PC817 está aislando dos circuitos independientes. El circuito 1 es la fuente de alimentación con un interruptor, el circuito 2 es una salida de nivel lógico conectada con una fuente de 5V diferente. El estado lógico está controlado por el circuito izquierdo. Cuando se cierra el interruptor, el LED dentro del optoacoplador se enciende y enciende el transistor. El estado lógico cambiará de Alto a Bajo.
El circuito 1 y el circuito 2 se aíslan utilizando el circuito anterior. El aislamiento galvánico es muy útil para el circuito anterior. Hay varias situaciones en las que el ruido de tierra de alto potencial induce en la tierra de bajo potencial y crea un bucle de tierra que además es responsable de mediciones inexactas. Al igual que en el PC817, existen muchos tipos de optoacopladores para diferentes requisitos de aplicación.
2. Aisladores electromagnéticos
Aisladores ópticos son útiles para aislamiento de la señal DC, pero aisladores electromagnéticas tales como pequeños transformadores de señal son útiles para aislamiento de la señal AC. Los transformadores como el transformador de audio tienen sus lados primario y secundario aislados que pueden usarse para diferentes aislamientos de señales de audio. Otro uso más común es en hardware de red o sección Ethernet. Los transformadores de pulso se utilizan para aislar el cableado externo con hardware interno. Incluso las líneas telefónicas se utilizan como aisladores de señal basados en transformadores. Pero, como los transformadores están aislados electromagnéticamente, solo funciona con CA.
La imagen de arriba es el esquema interno del conector RJ45 con transformador de pulso integrado para aislar la porción de MCU con la salida.
Aislamiento de nivel de potencia
Se requieren aislamientos de nivel de potencia para aislar los dispositivos sensibles de baja potencia de las líneas ruidosas de alta potencia o viceversa. Además, el aislamiento del nivel de potencia proporciona la seguridad adecuada contra voltajes de línea peligrosos al aislar las líneas de alto voltaje del operador y otras partes del sistema.
1. Transformador
El popular aislador de nivel de potencia es nuevamente un transformador. Hay enormes aplicaciones para transformadores, el uso más común es proporcionar bajo voltaje desde una fuente de alto voltaje. El transformador no tiene conexiones entre el primario y el secundario, pero podría reducir el voltaje de CA de alto voltaje a CA de bajo voltaje sin perder el aislamiento galvánico.
La imagen de arriba muestra un transformador reductor en acción donde la entrada del lado primario está conectada al enchufe de la pared y la secundaria está conectada a través de una carga resistiva. Un transformador de aislamiento adecuado tiene una relación de vueltas de 1: 1 y no altera el voltaje o el nivel de corriente en ambos lados. El único propósito del transformador de aislamiento es proporcionar aislamiento.
2. Relés
El relé es un aislador popular con una gran aplicación en el campo de la electrónica y la electricidad. Hay muchos tipos diferentes de relés disponibles en el mercado de la electrónica según la aplicación. Los tipos populares son los relés electromagnéticos y los relés de estado sólido.
Un relé electromagnético funciona con piezas móviles electromagnéticas y mecánicas, a menudo denominadas polos. Contiene un electroimán que mueve el polo y completa el circuito. El relé crea aislamiento cuando los circuitos de alto voltaje deben controlarse desde un circuito de bajo voltaje o viceversa. En tal situación, ambos circuitos están aislados pero un circuito podría energizar el relé para controlar otro.
En la imagen de arriba, dos circuitos son eléctricamente independientes entre sí. Pero al usar el interruptor en el circuito 1, el usuario puede controlar el estado de la carga en el circuito 2. Obtenga más información sobre cómo se puede usar un relé en un circuito.
No hay mucha diferencia entre el relé de estado sólido y el relé electromecánico en términos de funcionamiento. Los relés de estado sólido funcionan exactamente igual, pero la parte electromecánica se reemplaza por un diodo controlado ópticamente. El aislamiento galvánico se puede acumular debido a la ausencia de una conexión directa entre la entrada y la salida de los relés de estado sólido.
3. Sensores de efecto Hall
No hace falta decir que la medición de corriente es parte de la ingeniería eléctrica y electrónica. Hay diferentes tipos de métodos de detección de corriente disponibles. A menudo, las mediciones son necesarias para rutas de alta tensión y alta corriente, y el valor leído debe enviarse a un circuito de baja tensión que forma parte del circuito de medición. También desde la perspectiva del usuario, la medición invasiva es peligrosa e imposible de implementar. Los sensores de efecto Hall proporcionan una medición de corriente sin contacto con precisión y ayudan a medir la corriente que fluye a través de un conductor de una manera no invasiva. Proporciona un aislamiento adecuado y garantiza la seguridad frente a la electricidad peligrosa. El sensor de efecto Hall utiliza un campo electromagnético generado a través del conductor para estimar la corriente que fluye a través de él.
El anillo central se engancha sobre un conductor de una manera no invasiva y está aislado eléctricamente como se muestra en la imagen de arriba.
Condensadores como aisladores
El método menos popular para aislar circuitos es el uso de condensadores. Debido a la ineficiencia y los resultados de fallas peligrosas, esto ya no es lo preferido, pero aún así saberlo puede ser útil cuando desee construir un aislador básico. Los condensadores bloquean la CC y permiten el paso de una señal de CA de alta frecuencia. Debido a esta excelente propiedad, el condensador se utiliza como aisladores en diseños donde las corrientes de CC de dos circuitos deben bloquearse pero permitiendo la transmisión de datos.
La imagen de arriba muestra que los condensadores se utilizan con fines de aislamiento. Tanto el transmisor como el receptor están aislados, pero la comunicación de datos se puede realizar.
Aislamiento galvánico - Aplicaciones
El aislamiento galvánico es muy esencial y la aplicación es enorme. Es un parámetro importante en bienes de consumo, así como en el sector industrial, médico y de comunicaciones. En un mercado de electrónica industrial, se requiere aislamiento galvánico para sistemas de distribución de energía, generadores de energía, sistemas de medición, controladores de motor, dispositivos lógicos de entrada-salida, etc.
En el sector médico, el aislamiento es una de las principales prioridades de los equipos, ya que los dispositivos médicos pueden conectarse directamente con el cuerpo del paciente. Tales dispositivos son ECG, endoscopios, desfibriladores, diferentes tipos de dispositivos de imaginación. Los sistemas de comunicación a nivel de consumidor también utilizan aislamiento galvánico. Un ejemplo común es Ethernet, enrutadores, conmutadores, conmutadores telefónicos, etc. Los bienes de consumo normales, como cargadores, SMPS, placas lógicas de computadora son los productos más comunes que utilizan aislamiento galvánico.
Ejemplo práctico de aislamiento galvánico
El siguiente circuito es un circuito de aplicación típico de IC dúplex completo aislado galvánicamente MAX14852 (para velocidad de comunicación de 500 kbps) o MAX14854 (para velocidad de comunicación de 25 Mbps) en la línea de comunicación RS-485 con la unidad de microcontrolador. El CI es fabricado por la popular empresa de fabricación de semiconductores Maxim Integrated.
Este ejemplo es uno de los mejores ejemplos de aislamiento galvánico en equipos industriales. RS-485 es un protocolo de comunicación tradicional ampliamente utilizado en equipos industriales. El uso popular de RS-485 es emplear el protocolo MODBUS sobre el segmento TTL.
Suponga que un transformador de CA de alto voltaje proporciona datos de sensores que se instalan dentro del transformador a través del protocolo RS-485. Es necesario conectar un dispositivo PLC con un puerto RS-485 para recolectar los datos del transformador. Pero el problema está en la línea de comunicación directa. El PLC utiliza un nivel de voltaje muy bajo y es muy sensible con la alta ESD o sobretensión. Si se emplea una conexión directa, el PLC puede correr un alto riesgo y debe aislarse galvánicamente.
Esos circuitos integrados son muy útiles para proteger el PLC de ESD o sobretensiones.
Según la hoja de datos, ambos circuitos integrados tienen una capacidad de resistencia de +/- 35kV ESD y 2.75kVrms soportan voltaje de aislamiento de hasta 60 segundos. No solo esto, sino que esos circuitos integrados también confirman el voltaje de aislamiento de trabajo de 445 Vrms, lo que lo convierte en un aislador adecuado para su uso en equipos de automatización industrial.