ایزولاسیون در مدارات الکترونیک

یکی از موضوعات مهم در طراحی مدارات الکترونیکی بحث ایزولاسیون (isolation in electronic circuits) است. ایزولاسیون در واقع به معنی جداسازی الکترونیکی قسمت‌های مختلف مدار می‌باشد که برای حفاظت در مدارات و جلوگیری از عبور جریان ناخواسته صورت می‌گیرد. با این کار اگر در سمتی از مدار مشکلی ایجاد شد، این مشکل باعث آسیب رسیدن به قسمت‌های دیگر مدار نمی‌شود. باید توجه کنیم که در این روش ما راهی برای عبور سیگنال درنظر می‌گیریم اما دو قسمت مدار را به نحوی با هم کوپل می‌کنیم که ارتباط مستقیم بین آنها وجود نداشته باشد.

 

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

استفاده از ترانسفورماتور

ترانسفورماتور قطعه‌ ایست که انرژی الکتریکی را از 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 شار مغناطیسی صورت می‌گیرد.

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

ایزولاسیون در ترانسفورماتورها

گاهی ممکن است به دلایل مختلف در یک سمت از یک مدار یا سیستم الکترونیکی، spike ایجاد شود. در خطوط انتقال برق، این افزایش ناگهانی ولتاژ میتواند تا چند کیلو‌ ولت باشد. اگر این spikeها به بار برسند، ممکن است به آن آسیب وارد شود. استفاده از ترانسفورماتور میتواند با ایزوله کردن دو سمت مداراز هم، از عبور spike جلوگیری کند.

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 و روی زمین ایستاده باشید، مسیر عبور جریان به واسطه بدن شما بسته شده و از شما عبور می‌کند و دچار برق گرفتگی می‌شوید. اما اگر از ترانسفورماتور استفاده شود، زمین‌های دو مدار از هم جدا است و مسیر جریان بسته نمی‌شود و اتفاقی برای شما نخواهد افتاد.

 

به این صورت میتوان با استفاده از ترانسفورماتورها، هرجا که لازم شد زمین (رفرنس ولتاژ) را در قسمت‌های مختلف مدار از هم جا کنیم. علاوه بر آن می‌توان از ایجاد ground loop یا حلقه زمین نیز جلوگیری کرد.

+ gound loop زمانی پیش می‌آید که چند مصرف کننده به یک زمین با مسیرهای متفاوت متصل شده باشند، و بین خود دو مصرف کننده نیز مسیر ارتباطی وجود داشته باشد. این مسئله که در شکل زیر نشان داده شده است، میتواند در پخش کننده‌های صوتی-تصویری به وجود آید و باعث جریان کشی‌های ناخواسته شود. برای حل این مسئله میتوان این بخشها را به وسیله ترانسفورماتور از هم جدا کرد.

 

 

 

از معایب ترانسفورماتورها میتوان به ابعاد بزرگ آنها اشاره کرد. همچنین به خاطر وجود شار مغناطیسی، ممکن است تداخلات مغناطیسی با قسمت‌های دیگری به وجود آید.

استفاده از اپتوکوپلر

اپتوکوپلر قطعه‌ دیگری است که برای ایزولاسیون به کار می‌رود. همانطور که در تصویر ریز نشان داده شده است، 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 داخل آن ساطع می‌شود و بیس فتوترانزیستور را فعال می‌کند. این قطعات میتوانند در برابر ولتاژ input to output تا 10 کیلو ولت مقاومت کنند.

 

 

از کاربردهای اپتوکوپلر میتوان به سوییچ کردن بار در خروجی میکروکنترلرها اشاره کرد. همچنین از آنها برای محافظت قطعات در بردهای مخابراتی نیز استفاده می‌شود.

یکی از معایب اصلی این قطعات این است که به علت استفاده از نور، اتلاف انرژی دارند. همچنین در آنها 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.

استفاده از رله

رله به بیان ساده 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.

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

یکی از ایرادات رله‌ها، 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 ولتاژهای پایین اشاره کرد. لذا باید در طراحی و استفاده از رله این نکات را مد نظر قرار دهیم.

خازن

در مقاله‌ی خازن‌ها، با این قطعات و انواع آنها آشنا شدیم. میدانیم خازن‌ها به جریان DC اجازه‌ عبور نمی‌دهند و جریان ac را عبور می‌دهند. این ویژگی می‌تواند برای جدا سازی قسمت‌های DC در مدارات به کار رود. علت این موضوع را میتوان در بررسی دقیق تر ساختار خازن جست وجو کرد. خازنها از دو صفحه رسانا تشکیل شده‌اند که در بین این دو صفحه یک عایق قرار دارد. تا بدینجا مشخص است به علت موجود نبودن مسیر رسانا بین دو صفحه خازن، جریان DC از آن عبور نمی‌کند. اما در جریان ac، قطبیت خازن 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. به خازن‌هایی که برای جداسازی قسمت DC و AC مدارات استفاده می‌شوند، خازن‌های کوپلاژ گفته می‌شود.

 

تصویر زیر نمونه‌ای از استفاده خازن‌های کوپلاژ را نشان می‌دهد. در اغلب تقویت کننده‌های ترانزیستوری، بین ورودی مدار و طبقه تقویت کننده از خازن کوپلاژ استفاده می‌شود.

 

انواع خازن‌هایی که معمولاً برای کاربردهای کوپلینگ استفاده می‌شوند عبارتند از خازن‌های الکترولیتی، سرامیکی، تانتالیومی و آلومینیومی. البته رایج ترین نوع خازن کوپلینگ خازن الکترولیتی می‌باشد. ظرفیت خازن‌های کوپلاژ در مدارات با توجه به فرکانس کاری مدار مشخص می‌شود.

 

خلاصه

در این مقاله با نحوه‌ی عملکرد ترانسفورماتور، اپتوکوپلر، رله و خازن برای ایزوله کردن مدارات آشنا شدیم. رعایت نکات مربوط به ایزولاسیون مخصوصا در بردهایی که با جریان و ولتاژ بالا کار می‌کنند بسیار حائز اهمیت است. در مرکز ذهن دیجیتال طراحی مدارات الکترونیک توسط مهندسین مجرب صورت گرفته و تمام نکات مربوط به طراحی رعایت می‎شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، با کارشناسان ما در ارتباط باشید.