Galvanikus leválasztás

A galvanikus leválasztás, szigetelés azt jelenti, hogy két áramkör között szakadás van, így potenciálkülönbség sem lép fel közöttük, áram sem folyhat át az egyik részből a másikba. Ugyanakkor szükség lehet arra, hogy jel és akár energia átjuthasson az egyik részből a másikba.

Alkalmazási területek

A galvanikus leválasztás egyik legfontosabb célja az érintésvédelem, életvédelem. Ipari környezetben, de akár a háztatásban is vannak veszélyes feszültségszintek, így az ezekkel kapcsolatban levő érinthető részeknek, vezérlő vagy mérőáramköröknek szigeteltnek kell lennie. A hálózati feszültségről üzemelő otthoni készülékek, tápegységek belső áramkörei is szigeteltek. Külön kiemelendő az orvosi műszerek esete. Például az EKG mérőműszerek közvetlenül a test elektromos jeleit mérik, így áramköreik egy része egyértelműen galvanikus kapcsolatban van a pácienssel. Ennek megfelelően ezeknek a részeknek a hálózati feszültségtől biztonságosan leválasztottnak kell lennie.

Nagyobb feszültségről működő gépek vezérlőáramkörei esetén is fontos lehet a szigetelés, mivel a kisjelű elektronikai részek csak kis feszültségeket viselnek el, kisebb feszültségeket tudnk kezelni. Így egyrészt az áramkörök védelme is megoldható, másrészt nagyobb közös módusú jelek is megszüntethetők. Emellett a szigeteléssel elkerülhető az is, hogy a nagyobb feszültség- és áramingadozások zavarjelei befolyásolják a működést.

Áramkörök egymásra kifejtett nemkívánatos hatásai is kikerülhetők galvanikus leválasztással. Erre az egyik leggyakoribb példa az úgynevezett földhurkok (ground loop) megszüntetése. Ez azt jelenti, hogy az egyes áramkörök földvezetékei fellépő feszültségkülönbségek miatt áram folyhat a két áramkört összekötő földvezetéken, ami zavarjeleket, mérési hibát okoz. Ez kiküszöbölhető, ha az áramkörök között megszüntetjük a galvanikus kapcsolatot.

Megvalósítási elvek

A galvanikus leválasztás leggyakrabban DC vagy alacsonyabb frekvenciájú jelekre vonatkozik, így a szakadás a két rész között nagyimpedanciás kapcsolatnak felel meg, ami kellően jól szigetel legalább a szükséges frekvenciatartományban.

Az alábbi táblázat összefoglalja a gyakorlatban használt lehetőséget a leválasztásra és a jel átvitelére.

Jelátvitel típusa	Jellemzők
Optikai jelátvitel	Az elektromos jeltől függően LED-ekkel vagy lézerdiódákkal fényt állít elő az egyik áramkör. A fogadó áramkör fotodiódával, fototranzisztorral elektromos jeleket hoz létre. A jelátvitel egyirányú egy optikai jelet tekintve. Tipikusan digitális jelek átvitelére használatos. Elvileg lehetséges analóg jel átvitele is, de ekkor szabályozásra vagy modulációra/demodulációra van szükség. Energia átvitelére a gyakorlatban nem alkalmas.
Elektromágneses jelátvitel	A két oldal között transzformátor viszi át a jelet. A két oldal között galvanikus kapcsolat nincs, nem lép fel a két áramkör csomópontjai között feszültségkülönbség, nem folyhat áram közöttük. Energia átvitele is lehetséges. A jelátvitel kétirányú is lehet. DC vagy alacsonyfrekvenciás jelek átvitele modulációval lehetséges. Többnyire digitális jelek átvitelére használatos.
Kapacitív jelátvitel	A két oldal között kis értékű kapacitás viszi át a jelet. Csak nagyfrekvenciás jelek juthatnak át. A jelátvitel modulációval történik. Digitális jelek átvitelére használatos. Energia átvitelére a gyakorlatban nem alkalmas.

Szigetelési fokozatok

Megnevezés	Jelentés
Funkcionális szigetelés	A berendezés megfelelő működéséhez szükséges szigetelés. Nincs áramütés elleni védelem.
Alapvető szigetelés	Áramütés ellen alapvető védelmet nyújtó szigetelés.
Kiegészítő szigetelés	Az alapvető szigetelés kiegészítése, mely annak meghibásodása esetén is biztosít áramütés elleni védelmet.
Kettős szigetelés	Az alapvető és kiegészítő szigetelést is tartalmazó szigetelés.
Megerősített szigetelés	Olyan egyszeres szigetelés, amely a kettős szigeteléssel ekvivalens védelmet nyújt áramütés ellen.

Specifikációk

Megnevezés	Jelentés
Maximum repetitive peak voltage (VIORM)	Folyamatosan alkalmazott váltakozófeszültség legnagyobb megengedett csúcsértéke
Maximum working voltage (VIOWM)	Folyamatosan alkalmazott váltakozófeszültség legnagyobb megengedett effektív értéke
Maximum transient isolation voltage (VIOTM)	A legnagyobb megengedett feszültség 1s időtartamig
Maximum withstand isolation voltage (VISO)	A legnagyobb megengedett feszültség 60s időtartamig
Minimum creepage distance	A legrövidebb távolság, mely a két szigetelt rész vezetékei között mérhető az anyag felületén (például az áramköri tokon bármely két elszigetelt kivezetés között)
Minimum clearance distance	A legrövidebb távolság, mely a két szigetelt rész vezetékei között mérhető levegőben
Comparative tracking index (CTI)	Az anyag felületének szigetelőképességét adja meg Volt egységekben. A felületi rétegen megadott szennyezettség hatására kialakuló átütési feszültséghatár.
Pollution degree classification	A környezet, melyben a szigetelés használható 1 - szennyezettségmentes környezet, vagy száraz, nemvezető szennyezettség érheti a szigetelést 2 - nemvezető szennyezettség érheti a szigetelést, előfordulhat időlegesen valamennyi vezetés lecsapódás miatt 3 - előfordulhat vezetőképes szennyezettség vagy időlegesen lecsapódás miatt vezetővé váló nemvezető szennyezettség érheti a szigetelést 4 - vezető szennyezettség éri a szigetelést
Common-mode transient immunity (CMTI)	Az elválaszott áramköri részek földelési pontjai között fellépő legnagyobb megengedett potenciálváltozási sebesség, kV/µs egységekben. Ez azt a feszültségváltozási sebességet adja meg, aminél a kimeneten ennek hatására megjelenő zavarjel megbízhatóan a megfelelő detektálási szint alatt marad.

Digitális szigetelő áramkörök

A galvanikus leválasztást leggyakrabban digitális jelekre végzik el. A digitális jelek átvitele sokkal hatékonyabban és rugalmasabban oldható meg, az analóg jelek digitalizálhatók.

Optocsatolók

Az optocsatolók egy áramköri tokban integrálnak LED-et és fototranzisztort vagy fotodiódát.

A LED meghajtását kisebb áramok esetén digitális áramkör kimenete soros ellenállás közbeiktatásával pozitív vagy negatív logika szerint is végezheti. Nagyobb áramigény esetén megfelelő meghajtóáramkörre van szükség. A tipikus LED áram néhány mA-től néhány 10 mA-ig terjed.

A kimeneti oldalon a fototranzisztor árama közelítőleg arányos a LED áramával, a hányadosuk tipikus értékét az adatlapban megadják current transfer ratio (CTR) jellemzően % egységekben. A fototranzisztor árama szolgál tehát egy olyan meghajtó fokozat bemeneteként, ami megfelelő digitális kimenetet biztosít. Egyszerűbb esetben a fototranzisztort közös emitteres vagy közös kollektoros módban működtethetjük, a külső ellenálláson eső feszültség adja a kimeneti jelet.

Az ellenállás méretezésénél figyelembe kell venni a LED áramát, a CTR értéket és a kimenet terhelését is. A kimeneti jelváltozási sebesség is lehet elég kicsi és aszimmetrikus is, ami nem minden digitális áramkör bemenetének meghajtásához elegendő, preferált ilyen esetben Schmitt-trigger bemenetű bufferek használata. Léteznek olyan optocsatolók is, melyekben a kimeneti meghajtó fokozat integrált. Ezek lényegesen nagyobb adatátviteli sebességet biztosítanak.

Az optocsatolók áramfelvétele elég jelentős, ami kisfogyasztású áramköröknél hátrányos lehet. Nagyobb adatátviteli sebességhez, kisebb késleltetéshez nagyobb áramfelvétel tartozik.

Előnyös, hogy a bementi és kimeneti oldal egyszerűen konfigurálható sokféle feszültségtartományhoz, logikai szinthez.

Az adatlapokban számos működési specifikáció található, köztük az általános szigetelési jellemzők, melyek az előző részben részletezettek. Ezeken felül sorol fel fontosabbakat az alábbi táblázat.

Megnevezés	Jelentés
Input
Forward voltage	A bemeneti oldali dióda nyitófeszültsége megadott áram mellett
Forward current	A bemeneti oldali dióda ajánlott és megengedett áramtartománya
Capacitance	A bemeneti oldali dióda kapacitása 0V feszültség mellett
Output
Collector emitter breakdown voltage Emitter collector breakdown voltage Collector base breakdown voltage	A kimeneti fototranzisztor letörési feszültségértékei különböző kivezetések között
Collector emitter leakage current	A kollektor-emitter szivárgóárama adott kollektor-emitterfeszültség és nulla bemeneti diódaáram esetén
Emitter collector capacitance	A kollektor és emitter közötti kapacitás 0V kollektor-emitterfeszültség mellett
Coupler
Collector emitter saturation voltage	A kollektor és emitter közötti legkisebb feszültség adott kollektoráram és bemeneti diódaáram mellett
Capacitance (input-output)	A bemeneti és kimeneti oldal közötti szórt kapacitás értéke
Current transfer ratio	A kollektoráram és bemeneti diódaáram aránya adott kollektor-emitter feszültség és bemeneti diódaáram mellett
Propagation delay to output low	A bemeneti diódaáram nulláról adott értékre ugrása és a kimeneti jel adott értékre érése között eltelt idő megadott kimeneti áramköri elrendezés esetén.
Propagation delay to output high	A bemeneti diódaáram adott értékről nullára esése és a kimeneti jel adott értékre érése között eltelt idő megadott kimeneti áramköri elrendezés esetén.
Rise and fall times	A kimeneti feszültség 10% és 90% között tartózkodás időtartama a bemeneti diódaáram ugrásszerű változásai hatására adott megadott kimeneti áramköri elrendezés esetén.

Induktív digitális szigetelő áramkörök

Integrált áramköri formában elérhetők olyan digitális jelek galvanikus leválasztását biztosító áramkörök, melyeknél a szigetelést mikroméretű transzformátor biztosítja.

Mivel a transzformátor DC jeleket nem visz át, így egyfajta modulációra van szükség. A bementi oldalon az encoder és a kimeneti oldalon a decoder a következő feladatokat végzi el (a számértékek az ADuM1100 esetére vonatkoznak):

• A bemeneti digitális jel egy szűrőbe kerül, ami a túl keskeny (2ns) széles tüskeszerű impulzusokat eltávolítja.
• A jel felfutó élének hatására egy rövid (1ns szélességű) impulzust generál az áramkör, ami az egyik transzformátor bementi oldalára jut.
• A jel lefutó élének hatására egy rövid (1ns szélességű) impulzust generál az áramkör, ami a másik transzformátor bementi oldalára jut.
• Ha a bemeneti jel nem változik, akkor egy 1µs periódusidejű oszcillátoráramkör az egyik vagy másik transzformátor bemenetére generál egy impulzust annak megfelelően, hogy a jelszint igaz vagy hamis logikai értékű.
• A transzformátorok kimeneti oldalán a demodulátorban az impulzusokat Schmitt-triggerek detektálják, és a kimeneti SR tárolót vezérlik. Az SR tárolót így a bementi jel felfutó éle vagy magas szintje logikai magas, a lefutó éle vagy alacsony szintje logikai alacsony szintre állítja.
• Az SR tárolót egy watchdog áramkör adott idő múlva (2µs) logikai magas értékre állítja, ha valamilyen hiba folytán elmaradnak az impulzusok.

A transzformátor így igen rövid ideig aktív csak, a fogyasztás ezért igen alacsony, sokkal kisebb, mint optocsatolók esetén.

A bemeneti és kimeneti tápfeszültségek és így a logikai szintek is különbözőek lehetnek.

Kapacitív digitális szigetelő áramkörök

A kapacitív elvű integrált áramkörös digitális szigetelő áramkörökben kis kapacitású kondenzátorokat használnak a jelek átvitelére.

Az induktív megoldáshoz hasonlóan itt is szükség van modulációra a DC jelek átvitele érdekében. Megoldható a felfutó és lefutó élek detektálása, ami alacsony fogyasztást biztosít. Alacsony jelfrekvencia esetén PWM modulációval viszik át a jelet. Alkalmaznak úgynevezett on-off keying (OOK) módszert is. Ekkor egy oszcillátor által előállított nagyfrekvenciás jel jut át, ha a bemeneti jel logikai magas, nem jut át egyébként. Ez nagyobb fogyasztást, de egyben nagyobb adatátviteli sebességet is jelent.

Analóg szigetelő áramkörök

Analóg jelek szigetelt átvitele esetén számos probléma merül fel elsősorban a pontossági igények és a jelek frekvenciatartománya miatt. Bár az esetek többségében digitalizálással oldják meg az analóg jelek galvanikusan leválasztott kezelését, léteznek analóg szigetelő erősítők (analog isolation amplifiers) is. Az analóg szigetelő erősítők elterjedt áramköri rajzjele az alábbi:

Optikai elvű analóg szigetelő erősítők

Az optoelektronikai alkatrészek átviteli karakterisztikája önmagában nem biztosít elég pontosságot. Előnyük, hogy közvetlenül alkalmasak akár DC vagy alacsony frekvenciájú jelek szigetelt átvitelére is, amik az elszigetelni kívánt közös módusú feszültségek frekvenciatartományába esik.

Megfelelő pontosságú és linearitású megoldást egyfajta szabályozással, visszacsatolással lehet elérni. Ilyenre mutat példát az alábbi áramkör:

A példában az IL300 integrált áramkör tartalmazza a LED-et és a két nagy pontossággal egyforma fotodiódát, diszkrét alkatrészek nem ajánlhatók ilyen célra. A bementi oldalon a visszacsatolás a bemeneti feszültséggel arányos fotoáramot hoz létre a PD1 fotodiódán, így PD2 árama is kellő precizitással arányos a bemeneti feszültséggel. A kimeneti oldalon így PD2 fotoáramának feszültséggé konvertálásával kapható meg a kimeneti jel.

Induktív vagy kapacitiv analóg szigetelő erősítők

Induktív vagy kapacitív elvű szigetelés esetén az átvinni kívánt jel frekvenciatartományának sokkal nagyobb frekvenciájúnak kell lennie, mint a leválasztandó közös módusú feszültségeknek. Ennek megfelelően az analóg jeleket modulációval kellően magas frekvenciatartományba kell konvertálni, majd az így kapott és a szigetelésen átvitt jelet demodulációval kell visszaalakítani. Ilyen elrendezést mutat a következő kapcsolás:

Ez az áramkör a bementi oldal leválasztott tápfeszültségét is előállítja.