Ce este Izolarea?

Izolarea este o metodă de separare fizică și electrică a două părți distincte ale unui instrument. Atunci când termenul izolare este folosit cu instrument, cel mai probabil se referă la izolarea electrică, ceea ce înseamnă că nu există curent între cele două părți ale sistemului care sunt izolate una de alta. Există mai multe avantaje ale izolării electrice, dar unul dintre cele mai mari avantaje, în ceea ce privește exactitatea măsurătorilor, este acela că izolarea întrerupe buclele de masă.

Izolarea utilizează, de asemenea, barierele fizice și electrice pentru a asigura beneficii de siguranță prin menținerea unor tensiuni înalte sau a unor tensiuni tranzitorii înalte departe de utilizator sau departe de componente importante ale circuitelor, pe care le vom discuta în secțiunile următoare.

Mai întâi, iată o scurtă trecere în revistă a buclelor de masă, care sunt mai detaliat discutate în capitolul anterior.

a. Bucle de masă

Buclele de bază reprezintă cea mai obișnuită sursă de zgomot în aplicațiile de achiziție. Acestea apar atunci când două terminale conectate într-un circuit sunt la potențiale diferite de masă, ceea ce duce la apariția unui curent între cele două puncte. Această diferență de potențial cauzează eroare în tensiunea măsurată, Vm, care poate fi calculată folosind ecuația 1.

Ecuația 1. Tensiunea măsurată în prezența unei bucle de masă

unde:

Vm = Tensiunea măsurată
Vs = Tensiunea semnalului
ΔVg = Diferența de tensiune între masa sursei de semnal și masa instrumentului

In capitolul anterior se discută cum să eliminați buclele de masă prin asigurarea unei singure referințe la masă în sursa de semnal și configurarea sistemului de măsurare. Cu toate acestea, utilizarea hardware-ului izolat întrerupe de asemenea buclele de masă, deoarece elimină calea curentului între masa sursei de semnal și masa sistemului de măsurare.

Topologii de izolare

În general, există trei tipuri diferite de topologii de izolare, de la un nivel scăzut de protecție la un nivel ridicat de protecție, respectiv:

■ Izolarea canal-pământ

■ Izolare bank (canal-magistrală); (bank = grupată)

■ Izolare canal-canal

a. Izolare canal-pământ

Acesta este cel mai scăzut nivel de izolare pentru un instrument. A se vedea figura 1 pentru o schemă de izolare canal-pământ. Tensiunile prezente la AI 1, AI 2 și AI Ground nu sunt izolate unele de altele; totuși, ele sunt izolate de masa instrumentului. Această topologie de izolare întrerupe buclele de masă între AI 1 și masa pământului, dar este posibil ca un curent prezent pe AI 1 să inducă o tensiune pe AI 2, deoarece acestea nu sunt izolate una de cealaltă.

b. Izolarea Bank (Canal-to-Bus)

În izolarea bank, cunoscută și sub numele de izolare canal-magistrală, mai multe linii fizice sunt construite în grupuri numite banks. A se vedea figura 2 pentru această arhitectură. Deoarece există bariere de izolare între canalele din diferite Banks, protecția la bucla de masă este mare între banks. Cu toate acestea, în această topologie este încă posibil ca semnalele de pe canalele unui grup să se poată influența reciproc.

c. Izolare Channel-to-Channel

Această topologie oferă cea mai cuprinzătoare protecție a semnalelor de pe liniile instrumentului, deoarece nu numai că toate canalele sunt izolate de masă, dar fiecare canal este, de asemenea, izolat de toate celelalte canale individuale. Consultați această topologie în Figura 3.

Izolare analogică versus izolare digitală

Canalele analogice de intrare sau ieșire pot fi izolate utilizând două metode diferite, indiferent de topologia de izolare a instrumentului. Diferența dintre cele două metode constă în amplasarea circuitelor de izolare din instrument. Izolarea analogică este locul unde circuitul de izolare este în calea anterioară convertorului analogic-digital (ADC) și acționează asupra semnalului analogic. Izolarea digitală este acolo unde circuitul de izolare este după ADC, deoarece acționează asupra datelor recent digitalizate.

a. Izolarea analogică

Un amplificator de izolare este unul dintre cele mai comune componente utilizate pentru a asigura izolarea în capătul analogic al unui instrument. După cum se arată în figura 4, datele analogice trec de la senzor în conectorul I/O prin amplificatorul de câștig în amplificatorul de izolare și apoi la ADC.

Un avantaj important al izolării analogice este că protejează ADC-ul. Deoarece izolarea este furnizată înaintea ADC, ADC este mai puțin probabil să fie deteriorat de tensiuni tranzitorii sau înalte.

Izolarea analogică are totuși dezavantaje. În primul rând, pentru că izolarea analogică nu este perfectă și se află înaintea ADC, se poate adăuga eroare de amplificare, de neliniaritate sau offset la semnalul analogic înainte de a ajunge la ADC. Acest lucru nu este ideal și poate reduce acuratețea măsurătorii. În plus, componentele de izolare analogică pot introduce timpi de stabilire mai lungi și sunt adesea mai scumpe decât omoloagele lor de izolare digitală.

b. Izolarea digitală

Spre deosebire de izolarea analogică, circuitul de izolare digitală este plasat după ADC în instrument, așa cum se arată în figura 5.

Izolarea digitală poate duce la performanțe și acuratețe mai bune, în comparație cu circuitele de izolare analogică, deoarece semnalul măsurat este mai puțin modificat înainte de a fi digitizat de ADC. Circuitele de izolare digitală au, de asemenea, avantaje față de circuitele de izolare analogice, deoarece acestea sunt în mod obișnuit mai mici în costul global și realizează viteze mai mari de transfer de date. Cu toate acestea, pentru că circuitul de izolare digitală este după ADC, ADC-ul este mai susceptibil la deteriorarea pe care un spike de tensiune o poate provoca.

Tipuri de izolare

Am vorbit despre topologiile de izolare comune pentru instrumente și unde izolarea poate fi aplicată semnalului din cadrul instrumentului, dar nu am vorbit despre bariera de izolare însăși sau despre modul în care semnalul traversează bariera de izolare.

Izolarea fizică este cea mai elementară formă de izolare, ceea ce înseamnă că există o barieră fizică între două sisteme electrice. Aceasta poate fi sub forma unei izolații, a unui spațiu de aer sau a oricărei căi neconductive între două sisteme electrice. Cu o izolare pur fizică, puteți sugera că nu există transfer de semnal între sistemele electrice. Atunci când se ocupă cu sisteme de măsurare izolate, semnalul de interes trebuie să traverseze bariera de izolare cu avantajele întreruperii buclelor de masă. Prin urmare, trebuie să aveți un transfer sau o cuplare a energiei semnalului peste bariera de izolare. Trei tehnici comune de transfer al semnalului prin izolare sunt discutate mai jos.

a. Izolarea capacitivă

Izolarea capacitivă, așa cum se vede în figura 6, utilizează un câmp electric ca formă de energie pentru a transfera semnalul peste bariera de izolare. Câmpul electric modifică nivelul de încărcare pe condensator. Această sarcină este detectată pe bariera de izolare, iar sarcina detectată este proporțională cu nivelul semnalului măsurat.

Figura 6. Izolarea capacitivă utilizează un câmp electric ca formă de energie pentru a transfera semnal peste bariera de izolare.

b. Izolarea inductivă

Izolarea inductivă utilizează un transformator, prezentat în figura 7, pentru a transfera un semnal peste o barieră de izolare. Transformatorul generează un câmp electromagnetic, proporțional cu semnalul măsurat, ca formă de energie pentru a traversa bariera de izolare.

Figura 7. Izolarea inductivă utilizează un transformator, notat cu simbolul de mai sus, pentru a transfera un semnal peste o barieră de izolare.

Ca și în cuplajul capacitiv, izolarea inductivă poate furniza rate de transmisie de date relativ ridicate. În plus față de transmisia de mare viteză, cuplarea inductivă utilizează o putere redusă pentru transmisia de date. Cu toate acestea, cuplarea inductivă este susceptibilă la interferențe din câmpurile magnetice înconjurătoare, deoarece utilizează câmpuri electromagnetice ca metodă de a trece bariera de izolare. Dacă câmpurile magnetice externe interferează cu câmpul electromagnetic produs de transformator, acest lucru poate afecta acuratețea măsurătorilor.

c. Izolarea optică

Izolarea optică utilizează un LED și un fotodetector pentru transmiterea informațiilor despre semnal peste bariera de izolare. Bariera de izolare în izolarea optică este de obicei un spațiu de aer și semnalul este transmis prin utilizarea luminii. Intensitatea luminii produsă de LED este proporțională cu semnalul măsurat.

Figura 8. Izolarea optică utilizează un LED și un fotodetector pentru transmiterea informațiilor despre semnal peste bariera de izolare.

Deoarece izolarea optică folosește lumina ca energie pentru a transfera semnalul măsurat peste bariera de izolare, aceasta câștigă avantajul imunității de interferențe la câmpurile electrice și magnetice. Acest lucru poate face ca izolarea optică să fie o tehnică eficientă în zonele industriale unde ar putea fi prezente câmpuri electrice sau magnetice puternice. Avantajele obținute prin folosirea luminii sunt echilibrate de unele dezavantaje. Izolarea optică are în mod obișnuit rate mai mici de transfer de date, care sunt limitate la viteza de comutare a LED-urilor. De asemenea, are disipare de putere relativ mare în comparație cu izolarea capacitivă și inductivă.

Rezumat

■ Izolarea este o metodă de separare fizică și electrică a două părți distincte ale unui instrument.

■ Întreruperea buclelor de masă pentru măsurarea mai precisă a semnalului de interes reprezintă un avantaj principal al sistemelor de măsurare izolate.

■ Pe baza cerințelor aplicației, puteți alege topologia de izolare care se potrivește cel mai bine nevoilor sistemului.

■ Izolarea canal-pământ izolează canalele de masa instrumentului.

■ Izolarea bank (channel-to-bus) izolează grupurile de linii de alte grupuri de linii, precum și de masa instrumentului.

■ Izolarea canal cu canal izolează fiecare linie de la orice altă linie prezentă și de masa instrumentului.

■ Circuitele de izolare analogică protejează ADC-ul de tensiuni înalte și de tensiuni tranzitorii, dar pot adăuga erori de amplificare, neliniare și offset la semnal înainte de a ajunge la ADC.

■ Circuitele de izolare digitală nu protejează ADC, iar avantajele sale față de izolarea analogică includ costuri mai mici, viteze mai mari de transmitere a datelor și o precizie mai mare deoarece semnalul este mai puțin modificat înainte de a ajunge la ADC.

■ Prezentare generală a tipurilor de izolare: