जब तक बिजली आपूर्ति सर्किट में अन्य सर्किट, हार्डवेयर, बुनियादी ढांचे, या मानव उपयोगकर्ताओं के साथ बातचीत करने की क्षमता है, तब तक विनाशकारी ओवरवॉल्टेज स्थितियां उत्पन्न हो सकती हैं। वर्तमान और संभावित संपर्क बिंदुओं के बीच भौतिक या इलेक्ट्रॉनिक अलगाव (आमतौर पर विद्युत अलगाव के रूप में जाना जाता है) सर्किट की सुरक्षा और निरंतर संचालन के लिए महत्वपूर्ण है। अलगाव आउटपुट सिग्नल में अनावश्यक शोर को भी कम कर सकता है।
रोबोट, हाई-वोल्टेज पावर ग्रिड उपकरण, फैक्ट्री वर्कशॉप उपकरण, ऑटोमोटिव एप्लिकेशन और उपभोक्ता उत्पादों में अलगाव की आवश्यकताएं बहुत आम हैं। आइसोलेशन सिस्टम को डिज़ाइन करते समय, एप्लिकेशन की विशिष्टता पर विचार करना भी आवश्यक है, जैसे परिवर्तनीय इनपुट वोल्टेज, बैटरी पावर का उपयोग, या कॉम्पैक्ट पैकेजिंग की आवश्यकता।
सही आइसोलेशन घटकों का चयन करने के लिए, डिजाइनरों को विभिन्न आइसोलेटर संरचनाओं के फायदे, नुकसान और संरचना को समझने की आवश्यकता है। इस समझ के साथ, वे इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन में सबसे प्रभावी, विश्वसनीय और जगह बचाने वाले आइसोलेटर्स को अपना सकते हैं।
आइसोलेटर को जानें
विद्युत अलगाव विभिन्न तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन उन सभी में एक सामान्य बुनियादी सिद्धांत है: प्राथमिक पक्ष पर उच्च वोल्टेज इनपुट को कुछ भौतिक बाधाओं के माध्यम से कम वोल्टेज, कम वर्तमान माध्यमिक पक्ष से अलग किया जाता है। आइसोलेशन बैरियर का विवरण और आइसोलेशन बैरियर के माध्यम से शक्ति, सिग्नल या दोनों को संचारित करने की विधि आइसोलेटर के प्रकार पर निर्भर करती है।
ऑप्टोकॉप्लर प्राथमिक पक्ष पर सिग्नल को विद्युत दालों से फोटॉन में परिवर्तित करने के लिए एलईडी का उपयोग करता है। द्वितीयक पक्ष पर, प्रकाश संवेदनशील तत्व जैसे फोटोट्रांसिस्टर, फोटोडायोड, या फोटोइलेक्ट्रिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर फोटॉन प्राप्त करते हैं और उन्हें विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं। प्राथमिक और द्वितीयक सर्किट को भौतिक रूप से अलग करने के अलावा, ऑप्टोकॉप्लर आउटपुट सिग्नल में अनावश्यक शोर को स्वचालित रूप से समाप्त कर सकते हैं और ग्राउंडिंग लूप को रोक सकते हैं।
एक चुंबकीय युग्मक में, ट्रांसफार्मर की प्राथमिक वाइंडिंग पर वोल्टेज एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। यह चुंबकीय क्षेत्र द्वितीयक वाइंडिंग पर प्रेरित वोल्टेज उत्पन्न करेगा, जिससे विद्युत अलगाव बनाए रखते हुए विद्युत संकेत प्रसारित होंगे। ट्रांसफार्मर में एक ही लोहे के कोर पर दो स्वतंत्र वाइंडिंग हो सकती हैं, या वे दो प्रेरक हो सकते हैं, प्रत्येक अपने स्वयं के लोहे के कोर के चारों ओर एक घुमावदार घाव के साथ, इन्सुलेशन सामग्री द्वारा अलग किया जा सकता है। डिजाइनरों द्वारा चुंबकीय युग्मन को चुनने का कारण यह है कि इसमें उच्च वोल्टेज क्षमता, अपेक्षाकृत तेज़ प्रतिक्रिया समय और सिग्नल शोर को फ़िल्टर करने की क्षमता होती है। हालाँकि, आइसोलेटर का आकार, गर्मी उत्पन्न होने की संभावना और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप उत्पन्न होने पर भी विचार किया जाना चाहिए।
कैपेसिटिव कपलर एक कैपेसिटर का उपयोग करता है जिसमें एक ढांकता हुआ सामग्री द्वारा अलग किए गए दो इलेक्ट्रोड होते हैं। इनपुट वोल्टेज प्राथमिक साइड इलेक्ट्रोड पर चार्ज जमा करेगा। यह एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है और द्वितीयक इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज प्रेरित करता है। कैपेसिटिव कपलर अपने छोटे आकार, कम बिजली की खपत और इनपुट परिवर्तनों के प्रति तीव्र प्रतिक्रिया के लिए जाने जाते हैं, जो उन्हें आइसोलेशन गेटों पर विद्युत संकेतों को प्रसारित करने के लिए सुविधाजनक और कुशल बनाते हैं। डिजाइनरों को कैपेसिटिव कप्लर्स को उनकी क्षमताओं से अधिक इनपुट वोल्टेज, पर्यावरणीय आर्द्रता और ढांकता हुआ टूटने के प्रभाव से बचाने के लिए उपाय करने चाहिए।
डिजिटल आइसोलेटर्स तैनात करें
उपरोक्त किसी भी प्रकार के आइसोलेटर को एक एकीकृत सर्किट (आईसी) पर डिजिटल आइसोलेटर सिस्टम में एकीकृत किया जा सकता है। इन टोपोलॉजिकल संरचनाओं को एक चिप पर पूर्ण डिजिटल आइसोलेशन सिस्टम बनाने के लिए पावर मॉड्यूल या सिग्नल ट्रांसमिशन घटकों के साथ एकीकृत किया जा सकता है। डिजिटल आइसोलेटर सिस्टम की सामान्य टोपोलॉजी संरचनाओं में फ्लाईबैक, हाफ ब्रिज और पुश-पुल शामिल हैं।
फ्लाईबैक बिजली आपूर्ति एक चुंबकीय अलगाव रूप को अपनाती है, जो एक ट्रांसफॉर्मर का निर्माण करने के लिए एक शंट प्रारंभ करनेवाला को एक हिरन बूस्ट कनवर्टर के साथ जोड़ती है, जिससे आवश्यक आउटपुट से मेल खाने के लिए प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) इनपुट के वोल्टेज को बढ़ाया या घटाया जाता है। हिरन बूस्ट कनवर्टर की प्रतिक्रिया तीन-चरण प्रारंभ करनेवाला वाइंडिंग या ऑप्टोकॉप्लर द्वारा प्रदान की जाती है। कम-शक्ति वाले अनुप्रयोगों में फ्लाईबैक बिजली आपूर्ति का उपयोग करने की अनुशंसा की जाती है, लेकिन डिजाइनरों को पता होना चाहिए कि अनावश्यक ईएमआई उत्पन्न हो सकती है।
हाफ ब्रिज (एच-ब्रिज) डिज़ाइन में एक एच-ब्रिज स्क्वायर वेव जनरेटर, एक अनुनाद सर्किट शामिल है जिसमें दो इंडक्टर्स और एक कैपेसिटर (एलएलसी) और दो रेक्टिफायर शामिल हैं जो आवश्यक डीसी आउटपुट वोल्टेज प्रदान कर सकते हैं। कुछ डिज़ाइनों की तुलना में, रेक्टिफायर उच्च आउटपुट पावर प्राप्त कर सकते हैं, और मध्यम शक्ति अनुप्रयोगों के लिए एच-ब्रिज आइसोलेशन डिज़ाइन का उपयोग करने की अनुशंसा की जाती है।
पुश-पुल पृथक बिजली आपूर्ति चुंबकीय युग्मन के लिए दो ट्रांसफार्मर का उपयोग करती है। इनपुट वोल्टेज प्राप्त करने के लिए दो स्विच बारी-बारी से ट्रांसफार्मर को स्विच करते हैं। द्वितीयक पक्ष पर दो पूर्ण ब्रिज रेक्टिफायर डायोड वोल्टेज परिवर्तन की भविष्यवाणी कर सकते हैं और उन्हें सममित आउटपुट में नियंत्रित कर सकते हैं।
नियंत्रण बढ़ाने के लिए, डिज़ाइनर पुश-पुल डिवाइस में ट्रांसफार्मर ड्राइवर जोड़ना चुन सकते हैं। यह ड्राइवर बीबीएम मोड में स्विचों के खुलने और बंद होने के समन्वय के लिए एक ऑसिलेटर, एक फ्रीक्वेंसी डिवाइडर और एक लॉजिक कंट्रोलर को एकीकृत करता है। यह मोड आंतरिक और डाउनस्ट्रीम घटकों को दो स्विचों को एक साथ जोड़ने से होने वाले नुकसान से बचाते हुए अपेक्षाकृत स्थिर आउटपुट सिग्नल उत्पन्न कर सकता है।
ट्रांसफॉर्मर ड्राइवर वाले सिस्टम आउटपुट को नियंत्रित करने, रेक्टिफायर डायोड को बदलने या उनकी कार्यक्षमता को बढ़ाने के लिए कम ड्रॉपआउट लीनियर रेगुलेटर (एलडीओ) का भी उपयोग कर सकते हैं। वोल्टेज अंतर इनपुट वोल्टेज और आउटपुट वोल्टेज के बीच न्यूनतम अंतर है, जिसके नीचे सर्किट आउटपुट को पूरी तरह से नियंत्रित नहीं कर सकता है। एलडीओ में, यह अंतर बेहद छोटा है, जो विस्तृत इनपुट वोल्टेज रेंज पर विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करता है।