Wzrost bezpieczeństwa i niezawodności aplikacji wysokiego napięcia dzięki izolatorom galwanicznym

Odizolowanie galwaniczne

W zastosowaniach, w których prawdopodobne są ekstremalne temperatury i gdzie priorytetem jest długi okres użytkowania, można zastosować jednoblokowe izolatory galwaniczne. Podczas gdy izolacja optyczna oddziela dwa obwody za pomocą diody LED i fotodiody, izolacja galwaniczna elektrycznie oddziela dwa obwody za pomocą komponentów sprzężonych ładunkiem za pomocą kondensatora lub cewki indukcyjnej z dwutlenku krzemu (SiO2). Skuteczność izolacji wynika z właściwości SiO2 jako dielektryka.

Izolatory galwaniczne są szybkimi urządzeniami o długiej żywotności, które można łatwo podłączyć do większości mikrokontrolerów. Ostatnio wprowadzone modele zostały zaprojektowane, aby wytrzymać nawet 6000 woltów, działać w temperaturach nawet 150°C i zapewniać żywotność ponad 35 lat. Zwiększa to bezpieczeństwo i niezawodność całego systemu, jednocześnie obniżając koszty konserwacji.

Na przykład sześciokanałowy izolator cyfrowy ogólnego zastosowania ISO7762FDWR firmy Texas Instruments może wytrzymać nawet 5000 woltów RMS (VRMS) i przepięcia udarowe do 12800 woltów (ilustracja 1). Układ ISO7762 jest dostępny w dwóch opcjach: ISO7762F ma domyślnie styki wyjściowe OUT[A:F] ze stanem niskim, natomiast w modelu bez sufiksu F domyślna logika wyjściowa jest ze stanem wysokim.

Ilustracja 1: ISO7762F firmy Texas Instruments to sześciokanałowy izolator galwaniczny z czterema kanałami działającymi w kierunku do przodu i dwoma kanałami zwrotnymi. (Źródło ilustracji: ©Texas Instruments)

ISO7762F posiada dwie strefy zasilania, jedną po lewej i jedną po prawej stronie, oddzielone elektrycznie i fizycznie za pomocą warstwy izolacyjnej z SiO2. Każda strefa zasilania ma własne niezależne styki zasilania i uziemienia.

Urządzenie ma cztery kanały działające w kierunku do przodu i dwa kanały zwrotne. Dwa kanały zwrotne (wejścia E i F) pozwalają na przesyłanie informacji z układu wysokiego napięcia do cyfrowego układu sterowania, zachowując jednocześnie bezpieczną izolację. Dane przesyłane w obu kierunkach mogą być prostymi cyfrowymi danymi włączania/wyłączania lub danymi szeregowymi za pomocą UART lub dwuprzewodowego interfejsu I2C.

Dla każdego kanału ISO7762F wykorzystuje dwa kondensatory SiO2 połączone szeregowo, aby oddzielić dwie strefy napięcia. Dane cyfrowe są przesyłane za pomocą modulacji OOK, w której logiczne 1 na dowolnym wejściu IN[A:F] jest reprezentowane przez sygnał prądu przemiennego na kondensatorze do drugiej strefy zasilania, a logiczne 0 jest reprezentowane przez napięcie 0V. Dane na odpowiednim wyjściu OUT [A:F] odzwierciedlają stan logiczny wtyku wejściowego. Dielektryk SiO2 w kondensatorach oddziela dwie strefy zasilania, aby bezpiecznie odizolować elektronikę sterującą wysokim napięciem od cyfrowego układu sterowania.

Projektanci ISO7762F skupili się na wysokiej wytrzymałości izolacji dla maksymalnego bezpieczeństwa. Znamionowa rezystancja izolacji w 25°C wynosi ponad 1 tera-om (TΩ). Rezystancja izolacji układu ISO7762F w 150°C wynosi ponad 1 giga-om (GΩ). Innymi słowy, rezystancja ta jest wyższa niż rezystancja powietrza otaczającego układ ISO7762F.

Trwałość układu ISO7762F została oceniona przez firmę Texas Instruments na co najmniej 37 lat, ale galwaniczna warstwa izolacyjna ma trwałość ponad 135 lat. Chociaż zwykle nie trzeba gwarantować tak długiego okresu funkcjonowania sprzętu, liczby te wskazują na niezawodność i trwałość urządzenia.