سیگنال ایزولاتورها

ایزولاتورهای سیگنال، ایزولاسیون الکتریکی (گالوانیک) بین مدارات ورودی و خروجی فراهم می‌کنند. ایزولاتورها، سیگنال را از طریق یک ترانسفورماتور یا ایزولاتور نوری، به خروجی کوپل می کنند.

ایزولاتورهای سیگنال همچنین مسیر گالوانیک مستقیم بین دو یا تعدادی بیشتر نقاط حلقه (لوپ پوینت‌ها) را می‌شکنند.

ایزولاتورها در برابر ولتاژهای خطرناک متغیر اندازه‌گیری‌شده محافظت ارائه می‌کنند و محافظت در برابر جهش و بالا رفتن‌های ناگهانی را افزایش می‌دهند.

ایزولاتورهای سیگنال ارتباط نزدیکی با کانورترهای سیگنال و رابط‌های سیگنال دارند. این دستگاه‌ها اغلب برای به اشتراک‌گذاری، تقسیم کردن، تقویت کردن، محافظت، یک استاپ کم کردن، خطی‌سازی و دیجیتال‌سازی سیگنال‌های فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مهم‌ترین نقش یک ایزولاتور سیگنال، شکستن مسیر گالوانیک بین مداراتی است که به پتانسیل‌های مختلف «زمین شده است».

یک مسیر گالوانیک به عنوان مسیری تعریف می‌شود که در آن یک اتصال الکتریکی بین دو یا تعداد بیشتری مدارات الکتریکی وجود دارد که امکان حرکت جریان را فراهم می‌آورد.

به طور مثال، اگر یک ترانسمیتر فشار تفاضلی یک اندازه‌گیری 4-20mA را به یک گیرنده (مثل یک رکوردر) می‌فرستد و دو نقطه‌ی زمین، متفاوت باشند، یک میزان اضافه و غیرقابل پیش‌بینی از جریان ممکن است در حلقه ایجاد شود که اندازه‌گیری واقعی را منحرف می‌کند.

این مسیر جریان به عنوان یک حلقه جریان (ground loop) شناخته می‌شود و یک دلیل خیلی رایج برای دقت پایین در سیگنال‌هاست، همراه با مسیر جریان که دو زمین دارد،

زمین در پتانسیل‌های مختلف و یک مسیر گالوانیک بین زمین‌ها. برای حذف کردن حلقه زمین، مسیر گالوانیک بین زمین‌ها باید حذف شود.

ایزولاتورهای سیگنال به ویژه مهم هستند چون دو علت دیگر حلقه‌های جریان را همیشه نمی‌توان به شکل ایمن حذف کرد. زمین شاید برای کارکرد ایمن دستگاه الکترونیکی، حضور داشته باشد.

کارکرد

دو روش رایج برای ایزولاسیون گالوانیک وجود دارد.

ایزولاسیون اپتیکال یا ایزولاسیون نوری از نور برای مخابره سیگنال بین المان‌های یک مدار استفاده می‌کند.

مدار ایزولاسیون، از یک LED و یک شناساگر فتو-سنسیتیو (شناساگر حساس به نور)، همچون فتوترانزیستور، تشکیل شده است.

فاصله هوای عایق‌کننده بین LED و فتوترانزیستور، به عنوان یک جداساز گالوانیکی بین دو مدار عمل می‌کند.

مزایای ایزولاسیون نوری عبارتند از: این دستگاه کوچک است، گاهی می‌تواند سطوح بالاتری از ایزولاسیون نسبت به ایزولاسیون ترانسفورماتوری ارائه کند و این دستگاه حذف نویز حالت مشترک بهتری دارد.

معایب ایزولاسیون نوری این است که هر المان، نیازمند منبع تغذیه مخصوص خود است و سیگنال‌ها در دو سمت، باید نسبتا کوچک باشند.

ایزولاسیون ترانسفورماتوری، که به آن ایزولاسیون الکترومغناطیسی هم گفته می‌شود. از یک ترانسفورماتور بهره می‌گیرد تا سیگنال مورد نظر را به شکل الکترومغناطیسی در سراسر یک شکاف هوا یا شکاف ایزولاسیون غیر رسانا، تزویج (کوپله) کند.

ترانسفورماتورها در تبدیل (ترانسفورم) کردن سیگنال‌های AC بسیار موثر و کارآمد هستند. این یک عیب است، چون بسیاری از سیگنال‌های کنترل فرآیند DC هستند و باید به یک سیگنال AC تغییر پیدا کنند تا بتوان آن‌ها را از ترانسفورماتور گذراند.

وقتی که عبور کنند، باید یکسوسازی (رکتیفای) شوند و به خروجی سیگنال DC مطلوب دوباره تقویت شوند.

مزایای یک مدار ترانسفورماتور عبارتند از: این دستگاه به منبع تغذیه نیاز ندارد و با سیگنال‌های AC همچون صدا و صوت، خوب عمل می‌کند. یک عیب این است که ترانسفورماتور با سیگنال‌های DC کار نمی‌کند چون در برخی فرکانس‌ها، دستگاه به عنوان یک فیلتر برای سیگنال‌های AC عمل خواهد کرد.

مشخصات

ایزولاتورهای سیگنال اغلب توسط سطوح ایزولاسیون از ورودی و خروجی، مشخصه‌بندی می‌شوند. ایزولاسیون دوطرفه (ورودی-به-خروجی) برای توصیف ترانسمیتر دو-سیمه استفاده می‌شود، چون یا از ترمینال‌های ورودی یا ترمینال‌های خروجی، تامین برق می‌شود.

ایزولاسیون سه‌طرفه، به عنوان ایزولاسیونِ ورودی-به-خروجی، برق-به-ورودی و برق-به-خروجی تعریف می‌شود. مهم است که اشاره کنیم که اگر این ایزولاتور، توسط یک منبع تغذیه DC برق‌دهی شود، می‌تواند از نظر نویز حالت مشترک مشکل ایجاد کند، یا اگر منبع تغذیه تعویض نشود، خطاهای سیگنال خروجی ناخواسته ایجاد می‌شود.

اگر ایزولاسیون سیگنال، یک دستگاه 4-سیمه باشد، شاید نیازمند 24Vdc یا 110Vdc یا 220Vdc باشد تا مدارات آن کار کند. برای این دستگاه‌ها، مهم است که اطمینان حاصل کنیم که ایزولاتور، ایزولاسیون سه‌طرفه‌ی کامل دارد.

هر نوع ایزولاتور سیگنال باید ایزولاسیون سیگنال بین ورودی، خروجی و منبع تغذیه ارائه کند. یک ایزولاتور سیگنال معمولا می‌تواند 1000 V را تحمل کند، یا سیگنال‌های حالت مشترک بیشتر در ورودی.

موقع انتخاب یک ایزولاتور سیگنال، سطح ایزولاسیون نیز مهم است. سطح ایزولاسیون، سطح ولتاژ مورد نیاز برای ایجاد یک قوس (arc) از یک سوی مدار به دیگری را توصیف می‌کند. در این مورد، ایزولاتورهای نوری، این مزیت را دارند که قطعات الکتریکی مدار می‌تواند به شکلی طراحی شود که دورتر از هم باشند.

عوامل محیطی

بر اساس کاربرد گسترده‌ی ایزولاسیون سیگنال، دستگاه‌های بسیاری در بازار موجود است که امکانات ایمنی داخلی برای استفاده در محیط‌های مختلفی دارند.

به طور مثال، گزینه‌های ذاتا ایمن (IS)، غیر احتراقی و ضد انفجار برای تمام مناطق خطرناک داخل یک کارخانه موجود هستند. شرایط خطرناک همچنین شامل میزان حرارتی می‌شود که قطعات الکترونیکی وقتی که در کارخانه نصب هستند، در معرض آن قرار می‌گیرند.

دیگر دستگاه‌ها شاید به محافظت در برابر تداخل فرکانس‌های رادیویی (RFI) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) نیاز داشته باشند، مواردی که ممکن است به تنزل غیرقابل پیش‌بینی و تکرارناپذیر در عملکرد تجهیز منجر شوند.

همچنین درایوهای فرکانس متغیر (VFDها) مشهور هستند که نویزی ایجاد می‌کنند که با ایزولاتورهای سیگنال تداخل پیدا می‌کنند و در کارخانه‌ها رایج هستند. می‌توان با نصب یک ایزولاتور چهارسیمه برای فیلتر کردن نویز حالت مشترک ناخواسته، از این تداخل جلوگیری کرد.

کاربردها

ایزولاتورهای سیگنال در محیط‌های صنعتی، پزشکی و غیره استفاده می‌شوند که در آن‌ها ایزولاسیون الکتریکی برای ایمنی، حیاتی است.

از ایزولاتورهای سیگنال همچنین می‌توان برای تقویت سیگنال‌ها، ممکن ساختن ابزار برای اضافه شدن به حلقه بیش‌ازحدتحت‌فشار، یا کم کردن سیگنال‌های ولتاژ بالای خطرناک به سطوح ایمن‌تر استفاده کرد.

مثال‌های خاص از کاربردها عبارتند از:

• ورودی مقاومت برای استفاده در RTD
• اسیلایدوایر (slidewire)
• استرین و ترانسمیترهای پتانسیومتر
• ایزولاتورهای جریان/ولتاژ برای استفاده به عنوان اخطار و اطلاع آلارم تریپینگ (alarm tripping) و آلارم انحراف (deviation alarm).