Blog 5: Galvanische scheiding, van spartelende kikkerpoten tot brandende ledlampen

Jan-Jelle Huizinga is een enthousiaste techneut en oud-student van Hogeschool Dirksen. Hij laat een nieuw huis bouwen. In zijn blog neemt hij ons stap voor stap mee in het bouwproces en vertelt hij hoe hij zelf de domotica-installatie voor de ledverlichting voor de nieuwbouw maakt. Afgelopen maand ben ik aardig los gegaan op het MQTT-protocol en hoe dit protocol met Domoticz en Arduino kan communiceren. Het onderwerp voor deze blog is wat luchtiger (en korter) namelijk galvanische scheiding. Wat is galvanische scheiding en waarom pas ik dit toe? Dit, en meer, leg ik je graag hieronder uit. 

Input & Output (I/O)
Inputs en outputs... de naam zegt het al. In- en uitgangen. Je komt de term I/O vaak tegen. Soms in de form GPIO ofwel General Purpose IO. Mooi, maar wat betekent het? De I/O van een microcontroller is de plek waar de interactie met de buitenwereld plaatsvindt. Op de ingangen worden sensoren aangesloten zoals:

  • schakelaars
  • lichtsensoren
  • bewegingssensoren
  • Gyro-sensoren (MEMS)

Deze sensoren hebben zowel digitale als analoge eigenschappen, waar rekening mee gehouden moet worden bij de microcontroller. Die heeft namelijk ingangen voor digitale sensoren en voor analoge sensoren. 

Op de uitgangen worden actuatoren aangesloten zoals:

  • lampen
  • motoren
  • relais
  • servo's

Deze actuatoren hebben ook zowel digitale als analoge aansturing nodig, en ook hier hangt het af van de specifieke uitgang van de microcontroller. Analoge uitgangen worden vaak “nagebootst” door middel van Pulse Width Modulation (PWM) signalen.

Kortom, praat je over inputs en outputs dan praat je over sensoren en actuatoren. Een sensor neemt de omgeving waar en verstuurt zijn bevinden, terwijl een actuator gebruikmaakt van een signaal om zijn omgeving te beïnvloeden.

Galvanische scheiding
Dat is makkelijk denk je. Een schakelaar op een digitale ingang, de lamp op een digitale uitgang, een beetje code erbij en hobbelen! Helaas... zo eenvoudig is het niet. Een microcontroller is een heel mooi apparaatje, maar erg beperkt. Het bereik van de ingangsspanning en het vermogen op de uitgang is ook niet denderend. Net voldoende om een ledlampje te laten branden, maar veel meer moet je er niet mee proberen. Ook is een microcontroller I/O pin gevoelig voor statische elektriciteit en hoge spanningspieken afkomstig van spoelen (bijv. relais en motoren). Deze ingangen moeten dus op meerdere manieren beschermd worden voor de buitenwereld. Eén van deze manieren is galvanische scheiding.

Wat is galvanische scheiding? Wederom een mooie term voor een eenvoudig principe. Als je het woord “Galvanisch” Googled, dan word je er ook niet veel wijzer op. Moeilijke teksten over chemische stroombronnen vliegen je om de oren. Het woord is afgeleid van Luigi Galvani (1780), een Italiaanse wetenschapper (vriend van Alessandro Volta waar de Volt van komt). Meneer Galvani heeft een chemische batterij uitgevonden. Twee stukken metaal met een elektrolyt ertussen. Hij ontdekte dat met de juiste metalen er een reactie op gang kwam, door deze aan een kikkerzenuw te verbinden die begon te spartelen. Vandaar dat een chemische stroombron ook wel een galvanisch element wordt genoemd. Een galvanische scheiding is dan in feite twee van deze stroombronnen die NIET met elkaar zijn verbonden. Gezien een stroombron of voeding tegenwoordig lang niet altijd chemisch is, is het eigenlijk best een rare term. Enfin, het betekent dus het scheiden van elektrische circuits, een elektrische verbreking, en dat is precies wat ik wilde bereiken bij de I/O van mijn microcontroller. Wie houdt er niet van een beetje geschiedenis?!

Het relais
Een simpel en veel voorkomend voorbeeld van galvanische scheiding is een relais. Circuit 1 bekrachtigt een spoel, welke magnetiseert en een contact omhaalt. Dit contact is verbonden met circuit 2 en zet een actie in werking (lamp aan, motor draaien, you name it). De spoel en het contact zijn elektrisch niet verbonden, dus is er sprake van galvanische scheiding. Een relais is een digitaal element, omdat het maar twee standen kent: aan of uit.

Opto-couplers
Relais (het meervoud wordt op dezelfde manier geschreven als het enkelvoud) worden veelal in de zwaardere toepassingen gebruikt waar hogere vermogens geschakeld moeten worden. Zelfs een relaisspoel is vaak al een te zware belasting voor een microcontroller. En als het opgenomen vermogen binnen de grenzen van de Outputpin past, is er altijd nog de afschakel piek van de spoel zelf wat de outputpin kan slopen. Microcontroller I/O pinnen worden daarom vaak met behulp van opto-couplers beveiligd. Een opto-coupler is in feite een relais, echter is er geen elektrische scheiding door middel van magnetisme, maar door middel van licht. In een kleine behuizing zit een ledje naast een foto-gevoelige transistor. Zodra het ledje gaat branden, omdat elektrisch circuit 1 hier een spanning op zet, schakelt de transistor circuit 2. Hierdoor kan een elektrische scheiding van een aantal kilovolt behaald worden. Hoewel opto-couplers ook digitale elementen zijn, aan of uit, kan een opto-coupler dusdanig snel schakelen dat het ook PWM-signalen over kan zetten waardoor een analoge werking kan worden behaald. Dit is precies wat er met de leddimmer gebeurd, zoals ik heb geschreven in blog 3. Zelfs communicatielagen worden op deze manier beveiligd, waar een opto-coupler tot enkele duizenden keren per seconde moet kunnen schakelen.

Opto-couplers en Arduino
Ondertussen ben ik een aardig eind met het ontwerpen van de printplaat. De belangrijkste onderdelen (dimmen en communicatie) zijn getest en werken in een prototypefase, dus nu kan de hardware eromheen ontworpen worden. Zie het schema hieronder:

Zoals je in het schema ziet, heb ik in totaal 12 opto-couplers gebruikt (6x Input, 6x Output). De opto-couplers met de transistor aan de microcontroller kant zijn de ingangen en degenen met de led aan de microcontrollerkant zijn de uitgangen. 

Hieronder een afbeelding van de board layout van het ontwerp zover:

What’s next?
Tot zover deze blog over galvanische scheiding. Grappig hoe de spartelende kikkers van Galvani bijgedragen hebben aan de straks brandende led lampen in mij nieuwe optrekje. Hopelijk vond je het een beetje interessant ;). De volgende keer zal ik een ander onderdeel van de beveiliging beschrijven, namelijk redundantie. Dit heeft niet zozeer te maken met elektrische beveiliging om hardware veilig te stellen, maar waar het dan wel mee te maken heeft... lees je de volgende keer!

Lees ook de eerder verschenen blogs van Jan-Jelle:
Blog 1: Nieuwe resultaten bij ROV SCADA-systeem afstudeerproject
Blog 2: Domotica en waarom ik het graag wil toepassen
Blog 3: Specificaties, prototyping en dimmen van mijn nieuwe ledverlichting
Blog 4: MQTT en de aannemer