EUR | USD

Engineering en isolatie: het is niet wat je denkt

Als ingenieur kan je er niet om heen om je druk te maken over isolatie. Want vroeger of later krijg je ermee te maken. Dat is niet jouw fout. Het is niemands fout. Maar soms zijn twee circuits gewoon zo onverenigbaar met elkaar dat er voor de veiligheid van alle betrokkenen geen andere keuze is dan ze te isoleren.

Oh, er zijn de gebruikelijke excuses. We moeten aardlussen vermijden. De ruisimmuniteit moet worden verbeterd. Een van de meest voorkomende redenen is dat we hoge spanningen op veilige wijze van iedereen weg moeten houden.

Dus laten we afspreken om optisch te isoleren. Het ligt niet aan jou, het ligt aan mij. Echt waar, jij geeft mij teveel spanning. Of ben ik juist degene met hoogspanning? Maar maak je geen zorgen, optische isolatie betekent niet dat we elkaar nog steeds niet kunnen zien. Nee, het tegendeel juist. Optische isolatie betekent “Kijken maar niet aanraken."

Dus we zijn nu met elkaar verbonden in optische isolatie. Nee, het is niet wat je denkt - laat het me uitleggen.

Optische isolatie betekent dat, terwijl twee circuits fysiek gescheiden zijn, de feitelijke techniek die wordt gebruikt om gegevens te verzenden en toch isolatie te verkrijgen, optisch is (“Kijken maar niet aanraken"). Dus, een LED die licht, dat digitale gegevens vertegenwoordigt, uitstraalt via een helder isolatiemateriaal dat wordt ontvangen door een fysiek gescheiden fotoreceptor, wordt aangeduid als optische isolatie (Afbeelding 1). Dit is omdat de methode voor optische gegevensoverdracht tussen de twee onafhankelijk circuits de twee onafhankelijke circuits ook van elkaar isoleert.

Afbeelding 1: een optische isolator gebruikt een LED, aan de linkerkant, om digitale gegevens in de vorm van licht optisch over te dragen aan een fotodiode, aan de rechterkant. De twee circuits communiceren optisch met elkaars terwijl ze geïsoleerd zijn. (Bron afbeelding: Bill Giovino)

Dus wanneer hier over isolatie wordt gesproken, is het mechanisme, dat de twee circuits van elkaar scheidt, ook hoe de twee circuits communiceren. Het toppunt van verwarring krijgen we, wanneer men het gaat hebben over de term "galvanische isolatie".

Net als optische isolatie erop neer komt dat gegevens optisch worden overgedragen terwijl de isolatie tussen de twee circuits wordt behouden, betekent galvanische isolatie dat de gegevens galvanisch worden overgedragen (door opgewekte elektrische lading) terwijl de isolatie wordt behouden. We kunnen aanvoeren dat dit niet de exacte definitie van het woord galvanisch is, maar tegelijkertijd is het het vreemde gebruik van het woord isolatie dat ingenieurs, technische schrijvers, redacteurs en distributeurs in verwarring brengt, iets waar technische marketingmensen gek van worden, want laten we eerlijk zijn, ingenieurs argumenteren graag over details.

Het woord galvanisch is afgeleid van de naam van de briljante Italiaanse natuurkundige Luigi Galvani, die ontdekte dat hoewel een elektrische lading die door de poot van een kikker gaat, de poot doet trillen, deze uiteindelijk nog steeds naar kip smaakt. Galvanische isolators worden soms ook wel digitale isolators genoemd. Optische isolators worden soms ook digitale isolators genoemd en soms ook, abusievelijk, galvanische isolators, voor het geval dat mensen nog niet compleet in verwarring waren geraakt.

Galvanische halfgeleiderisolators kunnen op twee manieren een elektrische lading induceren, hetzij tussen de twee platen van een condensator hetzij tussen de spoelen van twee inductors. Galvanische halfgeleiderisolators in een enkel pakket zijn verkrijgbaar met capacitieve koppeling of inductieve koppeling. Het diëlektricum dat voor de condensator wordt gebruikt is siliciumdioxide. De twee inductors bevinden zich dicht bij elkaar binnen het pakket en worden ook gescheiden door siliciumdioxide. Galvanische halfgeleiderisolators zijn getest voor spanning tot maar liefst 6000 Vrms en temperaturen tot 150 °C.

Texas Instruments maakt een lijn van galvanische isolators van siliciumdioxide die gebruik maken van capacitieve koppeling om de twee circuits te scheiden. De ISO7810FDWR is een eenkanaals galvanische isolator die gespecificeerd is voor een indrukwekkende 5700 Vrms en die piekspanningen van maar liefst 8000 volt kan verwerken (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: dit vereenvoudigde blokschema van de ISO7810F van Texas Instruments laat zien hoe de twee circuits gescheiden en geïsoleerd zijn. Elke zijde heeft zijn eigen, afzonderlijke vermogensdomein. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De getoonde ISO7810F gebruikt On/Off Keying (OOK) om gegevens over de isolatiecondensator te verzenden, waarbij een logische high een hoogfrequent signaal is en een logische low 0 volt. De UIT-pin reflecteert altijd de logische status van de IN-pin. De ISO7810F is bedoeld voor serieuze toepassingen, waarbij mensen geïsoleerd moeten worden gehouden van gevaarlijk hoge elektrische spanningen om fysiek letsel te voorkomen.

Een belangrijk voorbeeld van zo'n veiligheidstoepassing is medische apparatuur. Sondes die op de huid worden aangebracht gebruiken zeer lage spanningen, meestal minder dan 5 volt. Deze sondes moeten geïsoleerd worden gehouden van de 110 VAC of 220 VAC netstroom die door de diagnostische apparatuur gaat Een galvanische isolatorchip scheidt de op batterijvoeding werkende sondecircuits van de op hoge spanning werkende diagnostische apparatuur, zodat de patiënt in geval van storing of beschadiging van de apparatuur niet in aanraking komt met de netspanning.

Uiteindelijk is het een kwestie van de technische specificaties goed lezen. Wat voor naam er ook wordt gebruikt, bij het zoeken naar een isolator in een enkel pakket moet je ervoor zorgen dat de gespecificeerde nominale spanning zoveel hoger is dan de spanning van de toepassing, dat er een veilige marge is. Dat is niet alleen voor jou of voor mij, dat is voor iedereen.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Image of Bill Giovino

Bill Giovino is een ingenieur in elektronica met een BSEE van de Syracuse University. Hij is een van de weinigen die met succes de overstap maakten van ontwerpingenieur naar ingenieur veldtoepassingen en vervolgens naar technologiemarketing.

Meer dan 25 jaar lang heeft Bill met veel toewijding nieuwe technologieën gepromoot ten overstaan van zowel technisch als niet-technisch publiek voor vele bedrijven, waaronder STMicroelectronics, Intel en Maxim Integrated. Toen hij bij STMicroelectronics actief was, hielp Bill bij de doorbraak van de eerste successen van het bedrijf in de sector van microcontrollers. Bij Infineon stond Bill in voor de eerste toepassingen van het microcontrollerontwerp van het bedrijf in de Amerikaanse autosector. Als marketing consultant voor zijn bedrijf CPU Technologies, hielp Bill vele bedrijven om laag presterende producten op te krikken en er een succesverhaal van te maken.

Bill was een van de eersten die het Internet of Things toepaste. Hij plaatste de eerste volledige TCP/IP-stack op een microcontroller. Bill is trouw aan het motto “Verkoop via opvoeding” en wijst op het toenemende belang van duidelijke, goed geschreven mededelingen om producten online te promoten. Hij is moderator van de populaire LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group en spreekt vlot B2E.

More posts by Bill Giovino