ایزولاسیون در مدارات الکترونیک isolation in electronic circuits

folder_openدسته‌بندی نشده

یکی از موضوعات مهم در مدارات الکترونیکی بحث ایزولاسیون است. ایزولاسیون در واقع به معنی جداسازی الکترونیکی قسمت های مختلف مدار می‌باشد که برای حفاظت در مدارات و جلوگیری از عبور جریان ناخواسته صورت می‌گیرد. برای مثال اگر در سمتی از مدار مشکلی ایجاد شد، این مشکل باعث آسیب به قسمت های دیگر مدار نشود. همچنین برای جلوگیری از عبور جریان از قسمت های دیگر مدار به طور ناخواسته استفاده می‌شود. باید توجه کنیم که در این روش ما راهی برای عبور سیگنال در نظر می‌گیریم و دو قسمت مدار را به نحوی با هم کوپل می‌کنیم که ارتباط مستقیم بین آن ها وجود نداشته باشد.

در ادامه روش هایی را معرفی می‌کنیم که برای ایزولاسیون استفاده می‌شوند و مزایا و معایب هر یک را بررسی می‌کنیم.

ترانسفورماتور

ترانسفورماتور قطعه ایست که انرژی الکتریکی را ای یک مدار به مدار دیگر انتقال میدهد بدون اینکه دو مدار با هم ارتباط فیزیکی مستقیم داشته باشند. این قطعه از دو سیم پیچ و یک هسته مغناطیسی تشکیل شده است. یک سیم پیچ در یک سمت هسته و سیم پیچ دیگر در سمت دیگر پیچیده می‌شود. ارتباط دو قسمت مدار از طریق هسته به واسطه ی شار مغناطیسی صورت می‌گیرد.

ترانسفورماتور
ترانسفورماتور

 

ترانسفورماتور ها می‌توانند برای افزایش یا کاهش سطوح ولتاژ به کار روند. همچنین از این قطعات برای ایزوله کردن دو سمت مدار نیز استفاده می‌شود.

ترانسفورماتور
ترانسفورماتور

 

ایزولاسیون در ترانسفورماتورها

اگر در یک سمت از ترانسفورماتور، spike ایجاد شود. در خطوط انتقال برق، این افزایش ناگهانی ولتاژ می‌تواند تا چند کیلو ولت باشد. اگر این spike ها به بار برسد، ممکن است به آن آسیب وارد شود. استفاده از ترانسفورماتور می‌تواند با ایزوله کردن دو سمت مدار، از عبور spike جلوگیری می‌کند.

به تصاویر زیر دقت کنید. می‌دانیم بدون ترانسفورماتور رفرنس ولتاژ خطوط انتقال، زمین می‌باشد. اگر در این حالت شما دستتان را به سیم فاز بزنید، اگر روی زمین ایستاده باشید، مسیر عبور جریان به واسطه بدن شما بسته شده و از شما عبور می‌کند. در این حالت شما دچار برق گرفتگی می‌شوید.اما اگر از ترانسفورماتور استفاده شود، در این حالت زمین های دو مدار از هم جدا است و مسیر جریان بسته نمی‌شود و اتفاقی برای شما نخواهد افتاد.

ایزولاسیون با ترانسفورماتور- جدا کردن زمین ها
ایزولاسیون با ترانسفورماتور

 

با همین سازوکار می‌توان با استفاده از ترانسفورماتور ها، هرجا که لازم شد ground ها را از هم جا کنیم و حتی می‌توان از ایجاد ground loop یا حلقه زمین جلوگیری کرد.

نکته: gound loop زمانی پیش می‌آید که چند مصرف کننده به یک زمین با مسیر های متفاوت متصل شده اند، و بین خود دو مصرف کننده نیز مسیر ارتباطی وجود دارد. این مسئله در پخش کننده های صوتی-تصویری می‌تواند به وجود آید. و باعث جریان کشی های ناخواسته شود. برای حل این مسئله می‌توان این بخش ها را به وسیله ترانسفورماتور از هم جدا کرد.

ground loop
رفع مشکل ground loop

 

 

 

 

 

 

 

از معایب ترانسفورماتور ها می‌توان به ابعاد بزرگ آن ها اشاره کرد. همچنین به خاطر وجود شار معناطیسی، ممکن است تداخلات مغناطیسی با قسمت های دیگری به وجود آید.

اپتوکوپلر

اپتوکوپلر قطعه‌ی دیگری است که برای ایزولاسیون به کار می‌رود. به طور کلی درون این قطعه یک LED و یک phototransistor وجود دارد. زمانی که از دوپایه یک سمت این قطعه، جریانی عبور می‌کند، نوری متناسب با این جریان عبوری از LED ساطع می‌شود و بیس ترانزیستور را فعال می‌کند. این قطعات می‌توانند در برابر ولتاژ input to output تا 10 کیلو ولت مقاومت کنند.

از کاربرد های اپتوکوپلر ها می‌توان به سوییچ کردن بار ها در خروجی میکروکنترلر ها اشاره کرد. همچنین برای محافظت قطعات در برد های مخابراتی نیز استفاده می‌شوند.

ایزولاسیون با اپتوکوپلر

 

یکی از معایب اصلی این قطعات این است که به علت استفاده از نور، اتلاف انرژی دارند. همچنین در این قطعات به علت تولید نور، گرما نیز تولید می‌شود و ممکن است به علت گرم شدن، مشکلات دیگری نیز پدید آید. این قطعات با گذشت زمان و استفاده در بلند مدت، دچار کاهش کیفیت عملکرد می‌شوند و احتیاج به تعویض دارند.

 

رله

رله به طور کلی یک کلید الکترومکانیکی است. نحوه‌ی عملکرد رله را در تصویر زیر می‌توانید ببینید.. دو سر بوبین ورودی رله به تغذیه وصل می‌شود. یک کنتاکت مشترک و دو کنتاکت دیگر که یکی از آن ها NO (معمولا باز) و دیگری NC  (معمولا بسته) می‌باشد نیز وجود دارند. زمانی که به دو سر بوبین رله ولتاژی اعمال شود، جریان از سیم پیچ گذشته و آن را آهنربا می‌کند. در ادامه تیغه مشترک تغییر وضعیت داده و عمل سوییچینگ صورت داده می‌شود.

رله

 

همانطور که در تصویر زیر مشخص است، با استفاده از رله می‌توانیم بدون وجود هادی یا رسانا، ارتباطی بین دو مدار ایجاد کنیم.

استفاده از رله در مدار- ایزولاسیون با رله
استفاده از رله در مدار- ایزولاسیون با رله

 

یکی از ایرادات رله ها، سرعت عملکرد این قطعات است؛ که ممکن است پایین بوده و مشکلاتی را برای مدار ایجاد کند. همچنین گاهی روشن و خاموش شدن قطعات و در واقع کلید زنی با جرقه همراه است. علاوه بر آن از دیگر مشکلات این قطعه می‌توان کارنکردن در ولتاژ های پایین اشاره کرد. لذا باید در طراحی و استفاده از رله این نکات را مدنظر قرار دهیم.

خازن

 

خازن ها به جریان DC اجازه‌ی عبور نمی‌دهند و جریان ac را عبور می‌دهند. این ویژگی می‌تواند برای جداسازی قسمت های DC در مدارات به کار رود. علت این موضوع را می‌توان در بررسی دقیق تر ساختار خازن جست و جو کرد. خازن ها از دو صفحه رسانا تشکیل شده اند که در بین این دو صفحه یک عایق قرار دارد. تا بدینجا مشخص است به علت موجود نبودن مسیر رسانا بین دو صفحه ی خازن، جریان DC از آن عبور نمی‌کند. اما در جریان ac، قطبیت مدام تغییر می‌کند. خازن در این جریان به طور متناوب شارژ و دشارژ می‌شود و در نتیجه گویی جریان ac از آن عبور کرده است.

عبور ندادن قسمت DC توسط خازن کوپلاژ

مثلا در تصویر زیر خازن های کوپلاژ استفاده شده، سطوح DC مدار را از هم جدا می‌شد.

ایزوله سازی قسمت DC با خازن کوپلاژ

 

Related Posts

فهرست