गैल्वेनिक अलगाव - सिग्नल अलगाव और बिजली अलगाव

110 / 220V AC पर चलने वाला एक औसत घरेलू माइक्रोवेव ओवन इसके अंदर 2800V तक का उत्पादन कर सकता है, जो खतरनाक रूप से घातक है। इसके अलावा, इसमें 3.5V के आस-पास निचले स्तर का एसी वोल्टेज भी है, जो डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए फिलामेंट और विनियमित डीसी वोल्टेज 5V / 3.3V जैसे डिस्प्ले या टाइमर संचालित करने के लिए है। क्या आपने कभी सोचा है कि जब आप ओवन को छूते हैं तो इन उच्च वोल्टेज को आपकी उंगलियों तक बटन या आवरण के माध्यम से पहुंचने से रोकता है? आपके प्रश्न का उत्तर "अलगाव" है। एक से अधिक प्रकार के सिग्नल या एक से अधिक ऑपरेटिंग वोल्टेज वाले इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादों को डिजाइन करते समय, अलगाव का उपयोग एक सिग्नल को दूसरे को गड़बड़ करने से रोकने के लिए किया जाता है। यह औद्योगिक-श्रेणी के उत्पादों में दोष की स्थिति को रोककर सुरक्षा में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस अलगाव को आमतौर पर गैल्वेनिक अलगाव के रूप में जाना जाता है । शब्द "गैल्वेनिक" क्यों? ऐसा इसलिए है क्योंकि गैल्वेनिक किसी प्रकार की रासायनिक क्रिया द्वारा उत्पन्न धारा का प्रतिनिधित्व करता है, और चूंकि हम कंडक्टर के संपर्क को तोड़कर इस धारा को अलग कर रहे हैं इसलिए इसे गैल्वेनिक अलगाव कहा जाता है।

कई प्रकार की गैल्वेनिक आइसोलेशन तकनीकें हैं और सही को चुनना आइसोलेशन के प्रकार पर निर्भर करता है, क्षमता, आवेदन की आवश्यकताओं और स्पष्ट रूप से, लागत कारक भी शामिल है। इस लेख में हम विभिन्न प्रकार के अलगाव के बारे में जानेंगे कि वे कैसे काम करते हैं और उन्हें हमारे डिजाइनों में कहां उपयोग करना है।

गैल्वेनिक अलगाव के प्रकार

• संकेत अलगाव
• पावर लेवल अलगाव
• एक आइसोलेटर के रूप में कैपेसिटर

संकेत अलगाव

सिग्नल स्तर अलगाव की आवश्यकता होती है, जहां विभिन्न प्रकार के दो सर्किट कुछ प्रकार के सिग्नल का उपयोग करते हुए एक दूसरे के साथ संचार कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, दो सर्किट स्वतंत्र बिजली स्रोत और विभिन्न वोल्टेज स्तरों के संचालन का उपयोग करते हैं। ऐसे मामलों में, दो स्वतंत्र बिजली स्रोतों की व्यक्तिगत जमीन को अलग करने और उन दो सर्किटों के बीच संचार करने के लिए, सिग्नल स्तर अलगाव की आवश्यकता होती है।

सिग्नल आइसोलेशन को अलग-अलग प्रकार के आइसोलेटर का उपयोग करके किया जाता है। ऑप्टिकल और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक आइसोलेटर्स का उपयोग सिग्नल आइसोलेशन उद्देश्य में प्रमुखता से किया जाता है। ये दोनों आइसोलेटर अलग-अलग ग्राउंड सोर्स को एक साथ मिलाने से बचाते हैं। प्रत्येक आइसोलेटर का अपना अनूठा ऑपरेटिंग सिद्धांत और अनुप्रयोग है, जिसकी चर्चा नीचे की गई है।

1. ऑप्टिकल-आइसोलेटर्स

ऑप्टिकल आइसोलेटर दो स्वतंत्र सर्किट के बीच संचार करने के लिए रोशनी का उपयोग करता है । आमतौर पर, ऑप्टिकल आइसोलेटर्स उर्फ ​​ऑप्टोकॉप्लर में एक एकल सिलिकॉन चिप के अंदर दो घटक होते हैं, एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड, और एक फोटोट्रांसिस्टर। एलईडी एक सर्किट द्वारा नियंत्रित होता है और ट्रांजिस्टर पक्ष दूसरे सर्किट से जुड़ा होता है। इसलिए, एलईडी और ट्रांजिस्टर विद्युत रूप से जुड़े हुए नहीं हैं। संचार केवल रोशनी द्वारा किया जाता है, वैकल्पिक रूप से।

उपरोक्त छवि पर विचार करें। एक लोकप्रिय ऑप्टोइसोलरेटर PC817 दो स्वतंत्र सर्किट को अलग कर रहा है। सर्किट 1 एक स्विच के साथ शक्ति स्रोत है, सर्किट 2 एक तर्क स्तर का उत्पादन है जो एक अलग 5V आपूर्ति के साथ जुड़ा हुआ है। तर्क स्थिति को बाएं सर्किट द्वारा नियंत्रित किया जाता है। जब स्विच को बंद किया जा रहा है, तो ऑप्टोकॉप्लर के अंदर की एलईडी रोशनी और ट्रांजिस्टर को चालू करती है। लॉजिक स्टेट को हाई से लो में बदल दिया जाएगा।

सर्किट 1 और सर्किट 2 उपरोक्त सर्किट का उपयोग करके अलग-थलग हैं। उपरोक्त सर्किट के लिए गैल्वेनिक अलगाव बहुत उपयोगी है। ऐसी कई स्थितियाँ हैं जहाँ उच्च क्षमता वाले ग्राउंड शोर को कम क्षमता वाले ग्राउंड में प्रेरित किया जाता है और ग्राउंड लूप बनाता है जो आगे के गलत माप के लिए जिम्मेदार होता है। PC817 के समान ही विभिन्न प्रकार की एप्लिकेशन आवश्यकताओं के लिए कई प्रकार के Optocoupler हैं।

2. इलेक्ट्रोमैग्नेटिक आइसोलेटर

ऑप्टोइसोलरेटर डीसी सिग्नल आइसोलेशन के लिए उपयोगी होते हैं, लेकिन एसी सिग्नल आइसोलेशन के लिए इलेक्ट्रोमैग्नेटिक आइसोलेटर्स जैसे छोटे सिग्नल ट्रांसफॉर्मर उपयोगी होते हैं । ऑडियो ट्रांसफ़ॉर्मर जैसे ट्रांसफ़ॉर्मरों के पास अपने प्राथमिक और द्वितीयक पक्ष अलग-अलग होते हैं जिनका उपयोग विभिन्न ऑडियो सिग्नल अलगाव के लिए किया जा सकता है । एक अन्य सबसे आम उपयोग नेटवर्क हार्डवेयर या ईथरनेट सेक्शन में है। पल्स ट्रांसफार्मर का उपयोग बाहरी वायरिंग को आंतरिक हार्डवेयर के साथ अलग करने के लिए किया जाता है। यहां तक ​​कि टेलीफोन लाइनों का उपयोग ट्रांसफार्मर आधारित सिग्नल आइसोलेटर्स में किया जाता है। लेकिन, जैसा कि ट्रांसफार्मर इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रूप से पृथक होते हैं, यह केवल एसी के साथ काम करता है।

उपरोक्त छवि आउटपुट के साथ MCU भाग को अलग करने के लिए एकीकृत पल्स ट्रांसफार्मर के साथ RJ45 जैक की आंतरिक योजनाबद्ध है।

पावर लेवल अलगाव

उच्च शक्ति शोर लाइनों या इसके विपरीत से कम बिजली संवेदनशील उपकरणों को अलग करने के लिए पावर स्तर के अलगाव की आवश्यकता होती है । इसके अलावा, पावर स्तर अलगाव ऑपरेटर और सिस्टम के अन्य भागों से उच्च वोल्टेज लाइनों को अलग करके खतरनाक लाइन वोल्टेज से उचित सुरक्षा प्रदान करता है।

1. ट्रांसफार्मर

लोकप्रिय पावर लेवल आइसोलेटर फिर से एक ट्रांसफॉर्मर है। ट्रांसफार्मर के लिए भारी आवेदन हैं सबसे अधिक उपयोग उच्च वोल्टेज स्रोत से कम वोल्टेज प्रदान करने के लिए किया जाता है। ट्रांसफार्मर में प्राथमिक और द्वितीयक के बीच संबंध नहीं होते हैं, लेकिन गैल्वेनिक अलगाव को खोए बिना उच्च वोल्टेज एसी से निम्न वोल्टेज एसी तक वोल्टेज को कम कर सकते हैं।

उपरोक्त छवि कार्रवाई में एक कदम-नीचे ट्रांसफार्मर दिखा रही है जहां प्राथमिक साइड इनपुट दीवार सॉकेट में जुड़ा हुआ है और माध्यमिक एक प्रतिरोधक भार में जुड़ा हुआ है। एक उचित अलगाव ट्रांसफार्मर में 1: 1 अनुपात होता है और दोनों तरफ वोल्टेज या वर्तमान स्तर को नहीं बदलते हैं। अलगाव ट्रांसफार्मर का एकमात्र उद्देश्य अलगाव प्रदान करना है।

2. रिले

रिले इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिकल के क्षेत्र में एक विशाल एप्लिकेशन के साथ एक लोकप्रिय आइसोलेटर है। आवेदन के आधार पर इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार में कई अलग-अलग प्रकार के रिले उपलब्ध हैं। लोकप्रिय प्रकार विद्युत चुम्बकीय रिले और ठोस राज्य रिले हैं।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रिले इलेक्ट्रोमैग्नेटिक और मैकेनिकली मूवेबल पार्ट्स के साथ काम करती है जिसे अक्सर पोल के रूप में जाना जाता है। इसमें एक इलेक्ट्रोमैग्नेट होता है जो पोल को हिलाता है और सर्किट को पूरा करता है। रिले तब अलगाव पैदा करता है जब उच्च वोल्टेज सर्किट को कम वोल्टेज सर्किट या इसके विपरीत से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है। ऐसी स्थिति में दोनों सर्किट अलग हो जाते हैं लेकिन एक सर्किट दूसरे को नियंत्रित करने के लिए रिले को सक्रिय कर सकता है।

उपरोक्त छवि में, दो सर्किट एक दूसरे से विद्युत रूप से स्वतंत्र हैं। लेकिन सर्किट -1 पर स्विच का उपयोग करके, उपयोगकर्ता सर्किट पर लोड की स्थिति को नियंत्रित कर सकता है। 2. एक सर्किट में रिले का उपयोग कैसे किया जा सकता है, इसके बारे में और जानें।

काम करने के मामले में सॉलिड स्टेट रिले और इलेक्ट्रोमैकेनिकल रिले के बीच ज्यादा अंतर नहीं हैं । ठोस राज्य रिले काम के समान है लेकिन इलेक्ट्रो-मैकेनिकल भाग को वैकल्पिक रूप से नियंत्रित डायोड के साथ बदल दिया जाता है। ठोस राज्य रिले के इनपुट और आउटपुट के बीच सीधा संबंध नहीं होने के कारण गैल्वेनिक अलगाव का निर्माण किया जा सकता है।

3. हॉल इफेक्ट सेंसर

यह कहने की आवश्यकता नहीं है कि वर्तमान माप इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियरिंग का एक हिस्सा है। वर्तमान संवेदन विधियों के विभिन्न प्रकार उपलब्ध हैं। अक्सर हाई वोल्टेज और हाई करंट पाथ्स के लिए माप की आवश्यकता होती है और रीड वैल्यू को कम वोल्टेज सर्किटरी में भेजना पड़ता है जो माप सर्किट का एक हिस्सा होता है। उपयोगकर्ता के दृष्टिकोण से भी, आक्रामक माप खतरनाक और कार्यान्वित करने में असंभव है। हॉल इफेक्ट सेंसर संपर्क रहित वर्तमान माप को सही ढंग से प्रदान करते हैं और एक गैर-आक्रामक तरीके से एक कंडक्टर के माध्यम से बहने वाले वर्तमान को मापने में मदद करते हैं। यह उचित अलगाव प्रदान करता है और खतरनाक बिजली से सुरक्षा सुनिश्चित करता है। हॉल इफ़ेक्ट सेंसर कंडक्टर के पार उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का उपयोग करता है ताकि इसके माध्यम से बहने वाले प्रवाह का अनुमान लगाया जा सके।

कोर रिंग को एक कंडक्टर के ऊपर एक नॉनवेज तरीके से हुक किया जाता है और इसे विद्युत रूप से अलग किया जाता है जैसा कि ऊपर चित्र में दिखाया गया है।

एक आइसोलेटर के रूप में कैपेसिटर

कैपेसिटर का उपयोग करके सर्किट को अलग करने के लिए कम से कम लोकप्रिय तरीका है। अक्षमता और खतरनाक विफलता के परिणामों के कारण अब इसे पसंद नहीं किया जाता है, लेकिन फिर भी इसे जानने के बाद काम में आ सकता है जब आप एक क्रूड आइसोलेटर का निर्माण करना चाहते हैं। कैपेसिटर डीसी को ब्लॉक करते हैं और उच्च-आवृत्ति वाले एसी सिग्नल को पास करने की अनुमति देते हैं। इस उत्कृष्ट संपत्ति के कारण, संधारित्र का उपयोग उन डिजाइनों में आइसोलेटर्स के रूप में किया जाता है जहां दो सर्किटों के डीसी धाराओं को अवरुद्ध करने की आवश्यकता होती है, लेकिन फिर भी डेटा ट्रांसमिशन की अनुमति होती है।

उपरोक्त छवि दिखा रही है कि कैपेसिटर का उपयोग अलगाव उद्देश्यों के लिए किया जाता है। ट्रांसमीटर और रिसीवर दोनों अलग-थलग हैं, लेकिन डेटा संचार किया जा सकता है।

गैल्वेनिक अलगाव - अनुप्रयोग

गैल्वेनिक अलगाव बहुत आवश्यक है और आवेदन बहुत बड़ा है। यह उपभोक्ता वस्तुओं के साथ-साथ औद्योगिक, चिकित्सा और संचार क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। एक औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार में, बिजली वितरण प्रणाली, विद्युत जनरेटर, माप प्रणाली, मोटर नियंत्रक, इनपुट-आउटपुट तर्क उपकरणों, आदि के लिए गैल्वेनिक अलगाव की आवश्यकता होती है।

में चिकित्सा के क्षेत्र, अलगाव उपकरण के रूप में चिकित्सा उपकरणों सीधे मरीज के शरीर के साथ जोड़ा जा सकता है के लिए प्रमुख प्राथमिकताओं में से एक है। इस तरह के उपकरण ईसीजी, एंडोस्कोप, डिफिब्रिलेटर, विभिन्न प्रकार के कल्पना डिवाइस हैं। उपभोक्ता स्तर की संचार प्रणाली भी गैल्वेनिक अलगाव का उपयोग करती है। एक सामान्य उदाहरण ईथरनेट, राउटर, स्विचर, टेलीफोन स्विच आदि हैं। सामान्य उपभोक्ता सामान, जैसे चार्जर, एसएमपीएस, कंप्यूटर के लॉजिक बोर्ड सबसे आम उत्पाद हैं जो गैल्वेनिक अलगाव का उपयोग करते हैं।

गैल्वेनिक अलगाव का व्यावहारिक उदाहरण

नीचे सर्किट माइक्रो-नियंत्रक इकाई के साथ RS-485 संचार लाइन पर गैल्वेनिक रूप से पृथक पूर्ण-द्वैध आईसी MAX14852 (500 kbps संचार की गति के लिए) या MAX14854 (25 एमबीपीएस संचार की गति के लिए) का एक विशिष्ट अनुप्रयोग सर्किट है । आईसी लोकप्रिय अर्धचालक विनिर्माण कंपनी मैक्सिम इंटीग्रेटेड द्वारा निर्मित है ।

यह उदाहरण औद्योगिक उपकरणों पर गैल्वेनिक अलगाव के सबसे अच्छे उदाहरणों में से एक है। RS-485 एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला पारंपरिक संचार प्रोटोकॉल है जिसका उपयोग औद्योगिक उपकरणों में किया जाता है। RS-485 का लोकप्रिय उपयोग TTL सेगमेंट में MODBUS प्रोटोकॉल को नियोजित करना है ।

मान लीजिए कि एक हाई वोल्टेज एसी ट्रांसफार्मर सेंसर डेटा प्रदान कर रहा है जो RS-485 प्रोटोकॉल के माध्यम से ट्रांसफार्मर के अंदर स्थापित हैं। ट्रांसफार्मर से डेटा की कटाई के लिए एक पीएस डिवाइस को RS-485 पोर्ट से जोड़ने की आवश्यकता है। लेकिन समस्या सीधे संचार लाइन में है। पीएलसी उच्च ईएसडी या उछाल के साथ बहुत कम वोल्टेज स्तर और बहुत संवेदनशील का उपयोग करता है। यदि एक सीधा कनेक्शन कार्यरत है, तो पीएलसी उच्च जोखिम में हो सकता है और गैल्वेनिक रूप से पृथक होने की आवश्यकता होती है।

पीएस को ESD या सर्ज से बचाने के लिए वे IC बहुत उपयोगी हैं।

डेटशीट के अनुसार, दोनों आईसी में +/- 35kV ESD की क्षमता है और 2.75kVrms 60 सेकंड तक आइसोलेशन वोल्टेज का सामना करते हैं। इतना ही नहीं, बल्कि वे IC भी 445Vrms वर्किंग-आइसोलेशन वोल्टेज की पुष्टि करते हैं, जिससे यह इंडस्ट्रियल ऑटोमेशन उपकरणों में इस्तेमाल होने वाला एक उपयुक्त आइसोलेटर है।