Dopóki obwód zasilania może wchodzić w interakcję z innymi obwodami, sprzętem, infrastrukturą lub użytkownikami, mogą wystąpić destrukcyjne przepięcia. Izolacja fizyczna lub elektroniczna (powszechnie nazywana izolacją elektryczną) pomiędzy punktami interakcji prądu i potencjału ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i ciągłej pracy obwodów. Izolacja może również zmniejszyć niepotrzebne szumy w sygnale wyjściowym.
Wymagania dotyczące izolacji są bardzo powszechne w robotach, sprzęcie sieci elektroenergetycznej wysokiego napięcia, wyposażeniu warsztatów fabrycznych, zastosowaniach motoryzacyjnych i produktach konsumenckich. Projektując układy izolacyjne, należy wziąć pod uwagę także specyfikę zastosowania, taką jak zmienne napięcie wejściowe, wykorzystanie zasilania akumulatorowego, czy konieczność kompaktowej obudowy.
Aby wybrać odpowiednie elementy izolacyjne, projektanci muszą zrozumieć zalety, wady i skład różnych konstrukcji izolatorów. Dzięki temu zrozumieniu mogą zastosować najbardziej efektywne, niezawodne i oszczędzające miejsce izolatory w projektowaniu elektroniki.
Poznaj izolator
Izolację galwaniczną można osiągnąć na różne sposoby, ale wszystkie mają wspólną podstawową zasadę: wejście wysokiego napięcia po stronie pierwotnej jest izolowane od strony wtórnej niskiego napięcia i niskiego prądu poprzez pewne bariery fizyczne. Szczegóły bariery izolacyjnej oraz sposób przesyłania mocy, sygnałów lub obu przez barierę izolacyjną zależą od typu izolatora.
Transoptor wykorzystuje diody LED do konwersji sygnału po stronie pierwotnej z impulsów elektrycznych na fotony. Po stronie wtórnej elementy światłoczułe, takie jak fototranzystory, fotodiody lub fotoelektryczne tranzystory polowe, odbierają fotony i przekształcają je w sygnały elektryczne. Oprócz fizycznej izolacji obwodów pierwotnego i wtórnego, transoptory mogą również automatycznie eliminować niepotrzebne szumy w sygnale wyjściowym i zapobiegać pętlom uziemienia.
W sprzęgaczu magnetycznym napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora wytwarza pole magnetyczne. To pole magnetyczne będzie generować indukowane napięcie na uzwojeniu wtórnym, przesyłając w ten sposób sygnały elektryczne, zachowując izolację galwaniczną. Transformatory mogą mieć dwa niezależne uzwojenia na pojedynczym żelaznym rdzeniu lub mogą to być dwie cewki indukcyjne, każda z uzwojeniem nawiniętym wokół własnego żelaznego rdzenia, oddzielonym materiałem izolacyjnym. Powodem, dla którego projektanci wybierają sprzęgło magnetyczne, jest jego zdolność do wysokiego napięcia, stosunkowo krótki czas reakcji i zdolność do filtrowania szumu sygnału. Należy jednak wziąć pod uwagę wielkość izolatora, możliwość wytwarzania ciepła i generowanie zakłóceń elektromagnetycznych.
Sprzęgacz pojemnościowy wykorzystuje kondensator składający się z dwóch elektrod oddzielonych materiałem dielektrycznym. Napięcie wejściowe będzie gromadzić ładunki na elektrodzie po stronie pierwotnej. Generuje to pole elektryczne i indukuje napięcie na elektrodzie wtórnej. Sprzęgacze pojemnościowe są znane ze swoich małych rozmiarów, niskiego zużycia energii i szybkiej reakcji na zmiany na wejściu, co czyni je wygodnymi i wydajnymi do przesyłania sygnałów elektrycznych przez bramki izolacyjne. Projektanci muszą podjąć środki w celu ochrony sprzęgaczy pojemnościowych przed wpływem napięcia wejściowego, wilgotności otoczenia i przebicia dielektrycznego, które przekraczają ich możliwości.
Wdróż izolatory cyfrowe
Każdy z powyższych typów izolatorów można zintegrować z cyfrowym systemem izolatorów w układzie scalonym (IC). Te struktury topologiczne można dalej zintegrować z modułami mocy lub komponentami do transmisji sygnału, tworząc kompletny cyfrowy system izolacji na jednym chipie. Typowe struktury topologiczne systemów izolatorów cyfrowych obejmują flyback, półmostek i push-pull.
Zasilacz typu flyback przyjmuje formę izolacji magnetycznej, która łączy cewkę bocznikową z przetwornicą obniżającą napięcie w celu zbudowania transformatora, zwiększając lub zmniejszając w ten sposób napięcie wejściowe prądu stałego (DC) w celu dopasowania do wymaganej mocy wyjściowej. Sprzężenie zwrotne konwertera buck boost zapewnia trójstopniowe uzwojenie cewki lub transoptor. W zastosowaniach o niskim poborze mocy zaleca się stosowanie zasilaczy typu flyback, jednak projektanci muszą mieć świadomość, że może dojść do generowania niepotrzebnych zakłóceń elektromagnetycznych.
Konstrukcja półmostkowa (mostek H) obejmuje generator fali prostokątnej z mostkiem H, obwód rezonansowy składający się z dwóch cewek i jednego kondensatora (LLC) oraz dwa prostowniki, które mogą zapewnić wymagane napięcie wyjściowe prądu stałego. W porównaniu do niektórych konstrukcji prostowniki mogą osiągnąć wyższą moc wyjściową, dlatego w zastosowaniach średniej mocy zaleca się stosowanie konstrukcji izolacji z mostkiem H.
Izolowany zasilacz typu push-pull wykorzystuje dwa transformatory do sprzężenia magnetycznego. Dwa przełączniki naprzemiennie przełączają transformator na odbiór napięcia wejściowego. Dwie diody prostownicze z pełnym mostkiem po stronie wtórnej mogą przewidywać zmiany napięcia i regulować je w celu uzyskania symetrycznych wyjść.
Aby zwiększyć kontrolę, projektanci mogą dodać sterowniki transformatorów do urządzenia przeciwsobnego. Sterownik ten integruje oscylator, dzielnik częstotliwości i sterownik logiczny w celu koordynowania otwierania i zamykania przełączników w trybie BBM. Ten tryb może generować stosunkowo stały sygnał wyjściowy, chroniąc jednocześnie komponenty wewnętrzne i dalsze przed uszkodzeniami spowodowanymi jednoczesnym podłączeniem dwóch przełączników.
Systemy ze sterownikami transformatorowymi mogą również wykorzystywać regulatory liniowe o niskim spadku napięcia (LDO) do sterowania mocą wyjściową, zastępując diody prostownicze lub zwiększając ich funkcjonalność. Różnica napięcia to minimalna różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym, poniżej której obwód nie może w pełni regulować mocy wyjściowej. W LDO różnica ta jest wyjątkowo mała, co zapewnia niezawodną pracę w szerokim zakresie napięcia wejściowego.