Cuvinte cheie: izolare electrică, izolare galvanică la aparatura medicală şi industrială, dispozitive de izolare galvanică, certificări IEC, nivele de tensiune şi de risc, izolarea în sursele de alimentare MeanWell®
Izolarea reprezintă separaţia fizică şi electrică a părţilor unui dispozitiv (canale funcţionale, intrare şi ieşire, canale şi carcasă, canale şi borna de împământare). Izolarea protejează circuitele electrice şi operatori umani, evită bucle de masă şi îmbunătăţeşte rejecţia tensiunii de mod comun şi a zgomotului electric.
Izolarea se clasifică în: izolare electrică şi izolare galvanică (de siguranţă).
Izolarea electrică se verifică prin tensiunea de izolare (Hi-Pot) care descrie eficacitatea acestei separări de circuite electrice. Amplitudinea de tensiune care poate fi aplicată între intrare şi ieşire fără să rezulte un curent semnificativ, se măsoară în kilovolt (kV). Standardul UL60950 dă tabele detaliate cu tensiuni de lucru şi tensiunile de test la care se supune un dispozitiv electric. Izolarea galvanică este impusă de standardele de siguranţă pentru sisteme electronice medicale alimentate de la reţeaua AC, pentru a proteja pacienţii şi operatorii să nu aibă accidente traumatizante datorită curentului electric. Legătura directă între un sistem electronic şi pacient, prezenţa în corp de fluide conductoare şi geluri conductive folosite la electrozii de măsură ar creşte riscul de accident prin curentare.
De aceea materialele izolatoare utilizate în aceste sisteme trebuie să fie robuste şi fiabile.
Echipamentele electronice industriale utilizează izolarea galvanică pentru a proteja sisteme şi operatori din procese tehnologice expuşi la tensiuni potenţial periculoase. În diverse industrii, cu zone având riscuri de incendiu sau explozie (“Hazardous Locations”, “Hazardous Areas” “Explosive Atmospheres”), se realizează siguranţă intrinsecă folosind bariere de izolare galvanică care împiedică transferul de potenţiale periculoase. Echipamentele industriale trebuie să funcţioneze normal şi fiabil în cele mai dure medii, în câmpuri electromagnetice puternice, supratensiuni,perturbaţii tranzitorii rapide, descărcări electrice şi nivele ridicate de zgomot electric. Standardele IEC 60079 şi IEC 61241 se referă la acest domeniu. (IEC – International Electrotechnical Commission).
Izolarea galvanică este un principiu de izolare electrică şi fizică a secţiunilor funcţionale din sistemele electrice, adică nu există curent electric direct de la o secţiune la alta.
Energie sau informaţii pot fi însă schimbate între secţiuni prin diverse mijloace: capacitiv, inductiv, unde RF, prin mijloace optice, acustice sau electromecanice. Izolarea galvanică este folosită: (1) în situaţiile în care două sau mai multe circuite electrice trebuie să comunice, dar masele (GND – Ground) lor pot fi la potenţiale diferite. Este o metodă eficientă de rupere a buclelor de masă – grounding loops – pentru prevenirea curentului nedorit care curge între două unităţi separate doar printr-un conductor de masă (GND). Datorită buclelor de masă semnalele au nivele alterate. Bucle de masă apar atunci când două sau mai multe circuite au o cale comună de întoarcere a curenţilor la borna de potenţial scăzut a sursei de alimentare, care are denumiri variate: GND, COM, masă, zeroul sau minusul sursei. Notă. Corect ar fi ca întoarcerea curenţilor la borna GND să se facă pe fire sau trasee dispuse radial; (2) pentru considerente de siguranţă, prevenind ca un curent electric să ajungă la sol (sau la podeaua clădirii) accidental, prin corpul unei persoane. Notă. Izolarea galvanică separă doar cablurile de alimentare. Zgomotul electric datorită proastei împământări nu este eliminat.
Dispozitive de izolare galvanică
• Transformatoare cuplate prin flux magnetic. Se folosec uzual în sursele de alimentare.
Circuitele primar şi secundar nu au nicio legătură electrică. Avantajul este că, în circuitul secundar se pot obţine tensiuni cu nivele diferite faţă de tensiunea din primar. În cazul în care două sisteme electronice au un masă comună – common ground, ele nu sunt izolate galvanic (prin definiţie). Iniţial, două sisteme pot să nu aibă legătură funcţională prin masă comună, dar ar putea deveni conectate la un moment nedefinit de timp.
Din acest motiv, la transformatoarele de izolare nu se furnizează o bornă GND / pământ (GND / earth). Transformatoarele permit ca nivelul tensiunii la ieşirea unui dispozitiv să “plutească” – floating – în raport cu nivelul masei – GND (pentru a evita bucle de GND). Transformatoarele sporesc siguranţa utilizării unui dispozitiv, astfel că, dacă o persoană va atinge o parte activă (faza AC) a circuitului, nu va fi traversată de un curent de la reţeaua AC spre pământ. Autotransformatoarele nu oferă izolare galvanică.
• Optocuploare care transmit informaţii prin unde de lumină. Un emiţător (sursă de lumină) şi un receptor (dispozitiv fotosensibil) sunt izolate electric prin material plastic. Optocuploarele cuplează funcţional un bloc secundar la un bloc primar conectat la reţeaua electrică (sau o tensiune înaltă), putând disocia un potenţial de semnal de un alt potenţial de semnal. Optocuploarele sunt încă dispozitivele uzuale de izolare a semnalelor, dar descoperiri recente în domeniul tehnologiei de izolare pe siliciu au condus la componente mai mici, mai rapide, mai fiabile şi ieftine care au început deja să înlocuiască optocuploarele în multe aplicaţii.
• Izolatoare digitale CMOS folosind tehnologia RF de izolare oferă cele mai bune nivele de performanţă şi imunitate la interferenţe electromagnetice (EMI), de consum de putere, dimensiuni şi de cost. (EMI – este produsul circuitelor de comutaţie de înaltă frecvenţă şi armonicile lor, care se cuplează în alte circuite şi / sau în mediu.) Funcţionarea de bază a izolatorului digital CMOS este similară cu cea a unui optocuplor, dar se foloseşte transportarea informaţiei prin RF, în loc de lumină. Izolatoarele CMOS spre deosebire de optocuploare, oferă avantaje importante în performanţă (lucrează de la DC la 150Mbps, timp de propagare <10ns), fiabilitate (de 10 ori mai mare), stabilitate de operare, economii de energie (5.6mW/canal) cerând curent de comandă tipic 1.7mA per canal la 10Mbps @ VDD = 5.0V (Notă. LED-urile cer 1 mA ... 15mA, iar în multe cazuri pot necesita un driver extern, care scade eficienţa sistemului, creşte complexitatea şi costul) şi integrare funcţională în spaţiu mai mic. Izolatorul CMOS este complet diferenţial, în loc de o singură cale de izolare (single-ended) ca la optocuploare. Având calea semnalului diferenţial şi receptorul de înaltă selectivitate, se obţine CMTI (Common Mode Transient Immunity) peste 25kV/µs, excelentă imunitate RF externă până la 300V/m şi imunitate în câmp magnetic mai mare de 1000A/m pentru operare fără eroare.
• Capacitoare cuplate prin capacitanţă. Capacitoarele cuplează doar componenta AC a semnalului în timp ce componenta DC este blocată. Datorită cerinţei de încadrare în limite EMI, sunt prevăzute capacitoare tip Y cu rol de filtrare, între bornele de fază şi nul conectate la borna carcasei metalice FG (FG- Frame Ground) pentru a îmbunătăţi EMC (Electromagnetic Compatibility). Capacitoarele tip Y deşi nu eşuează în scurtcircuit, vor provoca unele scurgeri de curent de la fază sau nul spre carcasă metalică (dacă are prevăzută borna de împământare, carcasa trebuie conectată la pământ).
• Magnetocuplor bazat pe o magnetorezistenţă gigant (GMR) pentru a cupla semnale AC la DC.
Notă. Magnetorezistenţa este fabricată din materiale care îşi schimbă rezistenţa sub acţiunea unui câmp magnetic.
Concluzii
Optocuploarele şi transformatoarele sunt utilizate în mod obişnuit în circuitele medicale sau industriale pentru izolarea în sisteme şi izolarea în sursele de alimentare, dar au deficienţe bine cunoscute. Optocuploarele sunt relativ lente şi prezintă variaţii mari de performanţă cu temperatura şi vârsta dispozitivului. Optocuploarele sunt dispozitive single-ended şi au o slabă imunitate de mod comun tranzitorie (CMTI).
În plus, optocuploarele actuale (GaAs) au un mecanism de uzură intrinsecă prin care se reduce permanent emisia în LED la temperatură ridicată. Această degradare reduce fiabilitatea, performanţa şi durata de viaţă a unui optocuplor.
Transformatoarele oferă viteză şi fiabilitate mai mari decât optocuploarele, dar nu permit trecerea semnalelor de joasă frecvenţă şi de curent continuu, impunând chiar limite sistemului (la timpul de pornire şi ciclul de lucru). Transformatoarele au dimensiuni mari şi ineficienţă de putere şi de multe ori necesită componente auxiliare. Izolatoarele CMOS au atribute care le fac să fie cele mai potrivite pentru utilizarea în medii dure de operare, în prezenţa câmpurilor electrice şi magnetice puternice. Izolatoarele digitale CMOS vor înlocui optocuploarele în majoritatea aplicaţiilor, cu costuri mici şi performanţe superioare. Folosind tehnici brevetate de suprimare pentru EMI, izolatoarele CMOS respectă normele de emisii radio neintenţionate (FCC clasa B, partea 15) şi sunt testate conform standardului IEC CISPR11 referitor la perturbaţii RF. Izolarea galvanică cere mai multă putere (rezultând mai multă căldură!) şi introduce capacităţi parazite (fiind necesare filtre TJ).
Certificările de siguranţă se fac conform Standardului IEC 61140 (Protecţia contra şocului electric) care clasifică tensiunile şi riscurile. Tensiune înaltă: > 1000Vac sau > 1500Vdc => arc electric; Tensiune joasă: 25-1000Vac sau 60-1500Vdc => şoc electric; Tensiune extra-joasă < 25Vac sau < 60Vdc => risc scăzut. Echipamentele electrice medicale sunt împărţite în clase individuale care indică gradul de izolare, în funcţie de conectarea de protecţie la pământ şi de tensiunea de operare. Echipamentele din Clasa I funcţionează la 70V sau mai puţin şi necesită doar o izolaţie de bază şi împământare de protecţie pentru toate componentele accesibile. Echipamentele din Clasa II, funcţionează la tensiuni peste 70V şi necesită o izolaţie întărită sau dublă, fără a necesita împământare. Echipamentele din Clasa III sunt folosite la nivele de tensiune sub 25Vac sau 60Vdc şi se menţionează că au Siguranţa Extra de Joasă Tensiune (SELV). Categoria de echipamente din Clasa III nu necesită izolare.
Sursele MeanWell® au specificată încadrarea izolării electrice în standardele de siguranţă IEC60950-1, respectiv IEC60601-1: au izolaţia de bază la 1.5kVac şi izolaţia suplimentară la 3kVac sau 4kVac. Clasa I (cu bornă de împământare) are curenţi de scurgere: la împământare ≤ 0.3mA şi la carcasă ≤ 0.1mA, Clasa II (fără bornă de împământare) are curenţi de scurgere la carcasă ≤ 0.1mA. Sursele medicale au aprobarea de siguranţă medicală (izolare 4kVac I/O). La convertoarele DC/DC care au izolare galvanică se menţionează că tensiunea de izolare I/O este 1000-3000Vdc. Invertoarele DC/AC au izolare totală I/O. www.meanwell.com
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro