110 / 220V AC에서 작동하는 일반 가정용 전자 레인지는 내부에서 최대 2800V를 생성 할 수 있으며 이는 위험 할 정도로 치명적입니다. 또한 필라멘트를 밝히기위한 약 3.5V의 낮은 수준의 AC 전압과 디스플레이 또는 타이머와 같은 디지털 전자 부품을 위해 5V / 3.3V와 같은 조정 된 DC 전압이 있습니다. 오븐을 만질 때 이러한 고전압이 버튼이나 케이스를 통해 손가락에 닿는 것을 방지하는 이유가 무엇인지 궁금한 적이 있습니까? 귀하의 질문에 대한 대답은 "격리"입니다.. 하나 이상의 신호 유형 또는 하나 이상의 작동 전압을 포함하는 전자 제품을 설계 할 때 한 신호가 다른 신호를 엉망으로 만드는 것을 방지하기 위해 절연이 사용됩니다. 또한 산업 등급 제품의 고장 상태를 방지하여 안전에 중요한 역할을합니다. 이 절연을 일반적으로 갈바닉 절연 이라고 합니다. 왜“갈바닉”이라는 용어? 갈바닉은 일종의 화학적 작용에 의해 생성되는 전류를 나타 내기 때문이며, 우리는 도체 접촉을 차단하여이 전류를 절연하기 때문에이를 갈바닉 절연이라고합니다.
갈바닉 절연 기술 에는 몇 가지 유형이 있으며 올바른 선택은 절연 유형, 용량, 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라지며 비용 요소도 관련됩니다. 이 기사에서는 다양한 유형의 격리, 작동 방식 및 설계에서 사용하는 위치에 대해 알아 봅니다.
갈바닉 절연 유형
- 신호 분리
- 전력 수준 절연
- 절연체로서의 커패시터
신호 분리
특성이 다른 두 회로가 특정 유형의 신호를 사용하여 서로 통신하는 경우 신호 레벨 격리가 필요합니다. 예를 들어, 독립적 인 전원을 사용하고 서로 다른 전압 레벨을 작동하는 두 개의 회로가 있습니다. 이러한 경우 두 개의 독립 전원의 개별 접지를 분리하고 두 회로 사이에서 통신하려면 신호 레벨 분리가 필요합니다.
신호 분리는 다른 유형의 절연기를 사용하여 수행됩니다. 광학 및 전자기 절연 기는 주로 신호 절연 목적으로 사용됩니다. 이 두 아이솔레이터는 서로 다른 접지 소스가 함께 결합되지 않도록 보호합니다. 각 아이솔레이터에는 아래에서 설명하는 고유 한 작동 원리와 응용 프로그램이 있습니다.
1. 광학 절연체
광 아이솔레이터 는 조명을 사용하여 두 개의 독립적 인 회로간에 통신 합니다. 일반적으로 광 아이솔레이터 (일명 Optocoupler)에는 단일 실리콘 칩, 발광 다이오드 및 광 트랜지스터 내부에 두 개의 구성 요소가 있습니다. LED는 하나의 회로에 의해 제어되고 트랜지스터 측은 다른 회로와 연결됩니다. 따라서 LED와 트랜지스터는 전기적으로 연결되지 않습니다. 통신은 광학적으로 조명에 의해서만 이루어집니다.
위의 이미지를 고려하십시오. 인기있는 광절 연기 PC817 은 두 개의 독립 회로를 분리합니다. 회로 1은 스위치가있는 전원이고 회로 2는 다른 5V 전원에 연결된 논리 레벨 출력입니다. 논리 상태는 왼쪽 회로에 의해 제어됩니다. 스위치가 닫히면 옵토 커플러 내부의 LED가 켜지고 트랜지스터가 켜집니다. 로직 상태가 High에서 Low로 변경됩니다.
회로 1과 회로 2는 위의 회로를 사용하여 분리됩니다. 갈바닉 절연은 위의 회로에 매우 유용합니다. 저 전위 접지에서 고전 위 접지 노이즈가 유도되어 부정확 한 측정을 더욱 초래하는 접지 루프를 생성하는 몇 가지 상황이 있습니다. PC817과 유사하게 다양한 애플리케이션 요구 사항에 맞는 다양한 유형의 옵토 커플러가 있습니다.
2. 전자기 절연체
광 분리기는 DC 신호 분리에 유용 하지만 소 신호 변압기 와 같은 전자기 분리기 는 AC 신호 분리에 유용합니다. 오디오 트랜스포머와 같은 트랜스포머는 다른 오디오 신호 절연에 사용할 수있는 1 차측과 2 차측이 분리되어 있습니다. 또 다른 가장 일반적인 용도는 네트워크 하드웨어 또는 이더넷 섹션입니다. 펄스 변압기 는 내부 하드웨어로 외부 배선을 분리하는 데 사용됩니다. 전화선조차도 변압기 기반 신호 절연기로 사용됩니다. 그러나 변압기는 전자 기적으로 절연되어 있으므로 AC에서만 작동합니다.
위 이미지는 출력과 MCU 부분을 분리하기위한 통합 펄스 변압기가있는 RJ45 잭의 내부 회로도입니다.
전력 수준 절연
저전력에 민감한 장치를 고전력 노이즈 라인에서 분리 하거나 그 반대로 분리 하려면 전력 레벨 분리가 필요합니다. 또한 전력 레벨 절연은 작업자 및 시스템의 다른 부분에서 고전압 라인을 절연하여 위험한 라인 전압으로부터 적절한 안전을 제공 합니다.
1. 변압기
널리 사용되는 전력 레벨 절연 기는 다시 변압기입니다. 변압기에 대한 수많은 응용 분야가 가장 일반적으로 사용되는 것은 고전압 소스에서 저전압을 제공하는 것입니다. 변압기는 1 차와 2 차 사이에 연결이 없지만 갈바닉 절연을 잃지 않고 고전압 AC에서 저전압 AC로 전압을 낮출 수 있습니다.
위의 이미지는 1 차측 입력이 벽면 소켓에 연결되고 2 차측이 저항 부하를 통해 연결되는 강압 변압기의 작동을 보여줍니다. 1 권선비: 적절한 절연 변압기는 1을 갖는 양쪽의 전압 또는 전류 레벨을 변경하지 않는다. 절연 변압기의 유일한 목적은 절연을 제공하는 것입니다.
2. 릴레이
릴레이는 전자 및 전기 분야에서 방대한 응용 분야로 널리 사용되는 아이솔레이터입니다. 응용 분야에 따라 전자 시장에서 사용할 수있는 다양한 유형의 릴레이가 있습니다. 인기있는 유형은 전자기 릴레이 및 솔리드 스테이트 릴레이입니다.
전자기 릴레이는 종종 극이라고하는 전자기 및 기계적으로 움직일 수있는 부품과 함께 작동합니다. 그것은 극을 움직이고 회로를 완성하는 전자석을 포함합니다. 릴레이는 고전압 회로를 저전압 회로에서 제어해야하거나 그 반대의 경우에 절연을 생성합니다. 이러한 상황에서 두 회로는 모두 절연되어 있지만 한 회로는 릴레이에 전원을 공급하여 다른 회로를 제어 할 수 있습니다.
위의 이미지에서 두 회로는 전기적으로 서로 독립적입니다. 그러나 Circuit-1의 스위치를 사용하여 사용자는 회로 2의 부하 상태를 제어 할 수 있습니다. 회로에서 릴레이를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.
솔리드 스테이트 릴레이와 전자 기계 릴레이 는 작동 측면에서 큰 차이 가 없습니다. 솔리드 스테이트 릴레이는 정확히 동일하게 작동하지만 전기 기계 부품은 광학 제어 다이오드로 대체됩니다. 무 접점 릴레이의 입력과 출력 사이에 직접 연결이 없기 때문에 갈바닉 절연이 구축 될 수 있습니다.
3. 홀 효과 센서
말할 필요도없이 전류 측정은 전기 및 전자 공학의 일부입니다. 다양한 유형의 전류 감지 방법을 사용할 수 있습니다. 종종 측정은 고전압 및 고전류 경로에 필요하며 읽은 값은 측정 회로의 일부인 저전압 회로로 전송되어야합니다. 또한 사용자 관점에서 침습적 측정은 위험하고 구현이 불가능합니다. 홀 효과 센서는 비접촉 전류 측정을 정확하게 제공 하고 비 침습적 인 방식으로 도체를 통해 흐르는 전류를 측정하는 데 도움이됩니다. 적절한 격리를 제공하고 위험한 전기로부터 안전을 보장합니다. 홀 효과 센서는 도체에서 생성 된 전자기장을 사용하여 도체를 통해 흐르는 전류를 추정합니다.
코어 링은 비 침습적 인 방식으로 도체 위에 연결되며 위 그림과 같이 전기적으로 절연되어 있습니다.
절연체로서의 커패시터
회로를 분리하는 데 가장 많이 사용되지 않는 방법은 커패시터를 사용하는 것입니다. 비효율 성과 위험한 실패 결과로 인해 더 이상 선호되지 않지만, 원유 절연기를 구축 할 때 유용 할 수 있다는 사실을 알고 있습니다. 커패시터는 DC를 차단하고 고주파 AC 신호를 전달할 수 있습니다. 이 우수한 특성으로 인해 커패시터는 두 회로의 DC 전류를 차단해야하지만 데이터 전송은 허용하는 설계에서 아이솔레이터로 사용됩니다.
위의 이미지는 커패시터가 절연 목적으로 사용되는 것을 보여줍니다. 송신기와 수신기는 모두 격리되어 있지만 데이터 통신이 가능합니다.
갈바닉 절연 – 애플리케이션
갈바닉 절연은 매우 필수적이며 응용 분야가 엄청납니다. 소비재는 물론 산업, 의료 및 통신 부문에서도 중요한 매개 변수입니다. 에서 산업 전자 시장, 갈바닉 절연은 전원 분배 시스템, 발전기, 측정 시스템, 모터 컨트롤러, 입력 - 출력 로직 디바이스 등 필요
에서 의료 부문, 격리 의료 기기가 직접 환자의 몸과 연결 될 수있는 장비의 주요 우선 순위 중 하나입니다. 이러한 장치는 ECG, 내시경, 제세 동기, 다양한 종류의 상상 장치입니다. 소비자 수준의 통신 시스템 은 또한 갈바닉 절연을 사용합니다. 일반적인 예로는 이더넷, 라우터, 스위처, 전화 스위치 등이 있습니다. 충전기, SMPS, 컴퓨터의 로직 보드와 같은 일반 소비재는 갈바닉 절연을 사용하는 가장 일반적인 제품입니다.
갈바닉 절연의 실제 예
아래 회로는 마이크로 컨트롤러 장치와의 RS-485 통신 라인 에서 갈바닉 절연 전이중 IC MAX14852 (500kbps 통신 속도 용) 또는 MAX14854 (25Mbps 통신 속도 용) 의 일반적인 애플리케이션 회로입니다. IC는 인기있는 반도체 제조 회사 인 Maxim Integrated에서 제조 합니다.
이 예는 산업 장비에 대한 갈바닉 절연 예의 가장 좋은 예 중 하나입니다. RS-485는 산업 장비에서 널리 사용되는 전통적인 통신 프로토콜입니다. RS-485의 일반적인 용도는 TTL 세그먼트를 통해 MODBUS 프로토콜 을 사용하는 것 입니다.
고전압 AC 변압기가 RS-485 프로토콜을 통해 Transformer 내부에 설치된 센서 데이터를 제공한다고 가정합니다. 변압기에서 데이터를 수집하려면 PLC 장치를 RS-485 포트에 연결해야합니다. 그러나 문제는 직접 통신 라인에 있습니다. PLC는 매우 낮은 전압 레벨을 사용하고 높은 ESD 또는 서지에 매우 민감합니다. 직접 연결을 사용하는 경우 PLC는 위험이 높을 수 있으며 전기적으로 절연해야합니다.
이러한 IC는 ESD 또는 서지로부터 PLC를 보호하는 데 매우 유용합니다.
데이터 시트에 따르면 두 IC 모두 +/- 35kV ESD의 내성 용량을 가지며 2.75kVrms는 최대 60 초의 절연 전압을 견뎌냅니다. 뿐만 아니라 이러한 IC는 445Vrms 작동 절연 전압을 확인하여 산업 자동화 장비에 사용하기에 적합한 절연체입니다.