電気的絶縁とは何ですか?

ガルバニック絶縁とも呼ばれます。電気的絶縁は回路を他の電位源から絶縁することです。

なぜ絶縁が必要なのですか?

干渉電位は本質的にACとDCの両方です。たとえばセンサがテスト対象物(電源など)に直接配置されている場合、電位がグランドより高い(0ボルトを超える)と信号にDCオフセットが課される可能性があります。電気的干渉またはノイズは、信号経路やテスト環境内の他の電気コンポーネントによって生成されたAC信号の形をとることもあります。

絶縁は計測するアナログ入力信号に関して特に重要です。これらの信号の多くは比較的低いレベルで存在しますが、外部電位が信号に大きな影響を及ぼし結果として誤った読み取りを引き起こす可能性があります。熱電対のような出力が電気干渉でどれほど簡単に影響されるかを想像してください。

通常の建物の電源ラインでも50または60 Hzの電界が発生します。これがデータ収録システムに絶縁された入力もたらした理由です。絶縁技術は信号チェーンの完全性を維持し、センサ出力が本当に読み取られたものであることを保証します。

非絶縁システムによって相互接続が許可されている場合、高価な機器を損傷または破壊する可能性があります。それはテストオペレータに物理的な危害を与え、最悪の場合死さえもたらす可能性があります。人体に危険な電圧は一般に、30 Vrms,42.4 VAC,または60 VDCを超える電圧とされています。

計測の世界では、正確な計測,テスト機器とテスト対象物の保護が大切ですが、危険な電圧/電位から人間を保護するためにグラウンドループとコモンモード電圧過負荷を回避または除去することは最も重要です。

信号がアンプを通過してアナログデジタルコンバータに送信される前に、信号の整合性を確認する必要があります。これを行う最善の方法は絶縁です。

どんな時に絶縁が必要ですか?

簡単な質問は「どんな時に絶縁が必要ないのか?」です。計測アプリケーションが絶縁された入力を必要とするかどうかを検討するときは、次の質問を考えてみて下さい。

  • 近くに危険な高電圧がありますか?(外部の高圧電線?発電機?)
  • 大型モータ,タービン,溶接機はありますか?または、同じ建物内か同じ電力ネットワーク上に大電流を使用するマシンはありますか?
  • 電力システムの接地電位が変動または変化しますか?
  • あなたの電力システムは電気スパイクや過渡現象の影響を受けますか?落雷の可能性がある地域にいますか?
  • 異なる電位で存在する可能性のあるコンポーネントまたは構造上で、微小なミリボルトレベルの信号計測を直接行っていますか?

1つでも当てはまる場合は、絶縁された入力が必要です。

主要なDAQアプリケーションの計測環境と、信号干渉の考えられる原因を見てみましょう。

  高電圧,
発電機 
大型モータ,
タービン,
溶接機
変動する
接地電位
電気スパイク
または過渡
計測中のミリボルト
レベルの信号
実験室 まれに 可能性有 可能性有 可能性有
熱電対,ひずみゲージ,RTD
自動車工場 可能性有 可能性有
ジェットエンジン
工場
はい
発電機
インバータ
はい 可能性有 可能性有
熱電対,ひずみゲージ,充電加速度センサ
発電所
常に!
はい
モータータービン
可能性有
スイッチングリレー
ブレーカトランジェント
テストトラック
(車両DCバス)

落雷
バッテリーの切り替え

熱電対,ひずみゲージ
飛行試験センター 可能
パワースイッチング
AC / DCバス

落雷

熱電対,充電加速度センサ,ひずみゲージ
構造テスト
(実験室)
まれに まれに なし 可能
ひずみゲージ,充電加速度センサ
構造テスト
(外部)
可能性有 まれに 可能性有
落雷

ひずみゲージ,充電加速度センサ

自然環境,または人工環境からの干渉を受けない主要なアプリケーションは基本的に存在しないことは明らかであり、絶縁された入力がそれらを軽減または除去でます。

絶縁入力を提供しない計測システムは、それを備えたものよりも安価です。しかし、正確でノイズのない計測を行うシステムのポイントは何ですか?

コモンモード電圧(CMV)の問題と解決策

コモンモード電圧は、通常はセンサを計測システムに接続するケーブルから計測チェーンに入る不要な信号です。「ノイズ」と呼ばれることもあるこれらの電圧は、計測しようとしている実際の信号を歪めます。それらは振幅に応じて、「小さな煩わしさ」から実際の信号を完全に覆い隠して計測を破壊するまでの範囲及ぶ可能性があります。

差動アンプの表示

コモンモード信号を除去する最も基本的なアプローチは、差動アンプを使用することです。この増幅器には、正の入力と負の入力の2つの入力があります。アンプは2つの入力間の差のみを計測します。

センサケーブルに乗っている電気ノイズは、両方のライン(信号の正のラインと接地(または信号の負)のライン)に存在するはずです。下の図に示すように、差動アンプは両方のラインに共通の信号を除去し信号成分のみが通過します。

差動アンプはCMV入力範囲内のコモンモード電圧を正常に除去します

これは適切に機能しますがアンプが除去できるコモンモード電圧(CMV)には限界があります。信号ラインに存在するCMVが差動アンプの最大CMV入力範囲を超えると出力は「クリップ」します。結果は以下に示すように、歪んだ使用不可能な出力信号になります。

差動アンプはコモン電圧モードの入力範囲を超えると歪みまたは「クリップ」します

したがって、これらの場合、一般的にCMVと電気ノイズ(および次のセクションで説明するグラウンドループ)に対する追加の保護層「絶縁」が必要です。

絶縁型アンプの入力は、コモンモード電圧より「フロート」します。それらは1000ボルト以上の絶縁破壊電圧を持つ絶縁バリアで設計されています。これにより非常に高いCMVノイズを除去し、グラウンドループを排除できます。

絶縁型差動アンプは非常に高いコモン電圧モードでも除去します

絶縁型アンプは小さなトランスを使用して入力を出力から絶縁(「フロート」)するか、小型のフォトカプラや容量性カップリングを使用したりして、このアイソレーションバリアを作り出しています。一般的には、最後の2つの方法が最も優れた帯域幅性能を提供します。

コモンモード電圧除去比とは(CMRR)

差動アンプ(または他のデバイス)のコモンモード除去比(CMRR)は、デバイスがコモンモード信号(つまり、両方の入力で同時に同相で現れる信号)を除去する能力を定量化するために使用される測定基準です。

理想的な差動アンプは無限のCMRRを持っています。ただし、これは実際には達成できません。強力な電磁干渉(EMI)などの大きなコモンモード入力が存在する可能性がある場合の差動信号を増幅する必要がある場合は、高いCMRRが必要です。

グラウンドループの問題と解決策

グランドループを防ぐことができなければ、計測システムにとって深刻な問題となります。 グランドループは「ノイズ」発生源となりますが、電気機器が誤って複数の接地経路を生成することで発生します。これらの接地点で電位差が生じると、その間に電流が流れ電流ループが発生します。これにより信号に歪みが生じ、その歪みが大きければ計測が台無しになってしまいます。

下の図では、計測アンプは片側でグランド(GND 1)に接続されています。非対称シールドケーブルを使用してセンサを接続します。センサの金属ハウジングはGND 2の導電面に配置されています。ケーブルの長さにより、GND1とGND 2の間に電位差が生じます。この電位差が電圧源のように働き、周囲からの電磁ノイズと結合します。

接地電位によって引き起こされる接地ループ

センサをGND2から切り離すことができれば、問題は解決するかもしれません。しかし、できない場合もあります。さらに安全上の理由でケーブルシールドのリファレンスが必要な場合もありますので、切り離してはいけません。

最良の解決策は、シグナルコンディショナ内で絶縁された差動アンプを使用することです。これだけで問題は解決します。

アイソレーションによる差動接地電位問題の解決

グラウンドループは計測器自体の電源からも発生します。計測システムは接地基準のある電源に接続されていることを忘れないで下さい。したがって計測器内でグラウンドループが発生しないように、この基準を計測器の信号処理コンポーネントから切り離すことが重要です。

電源によるグランドループ

上記計測系は、配線が故障した場合に危険になります。電源からの高電流経路を見て、もしも戻り線が断線したらどうなるでしょうか? すべてのエネルギーは、DAQハードウェアのシグナルコンディショニング部を経由して送られます。その結果、システム全体がダメージを受けたり、破壊されたりさらには機器を操作するオペレータにも危険が及びます。

電源が引き起こすグラウンドループの危険性

信号経路を電源から完全に分離することで、上記のような危険が発生することはありません。

絶縁領域

絶縁を実現できる基本的な領域は2つあります。

  • アナログ
  • デジタル

アナログ領域絶縁

アナログ領域絶縁は、アナログセンサの出力で使用されます。この絶縁はアナログ領域、つまりADCシステムの前で行われます。

アナログ領域絶縁システム

どのアナログ絶縁システムでも間違った信号をデジタル化したくないので、ゲインとオフセットの精度が非常に高いことが重要です。

デジタル領域絶縁

信号がデジタルの場合はまずデジタル絶縁技術を使用して信号,システム,およびオペレータを保護できます。

デジタル領域絶縁システム

この場合、絶縁バリアが外部信号を回路内部の再現部から絶縁します。絶縁されたデジタル信号は、マイクロプロセッサ,FPGA,ゲートドライバなどにルーティングするために使用できます。

次に、アナログとデジタルの両方の絶縁で使用される3つの基本的なタイプの絶縁技術を見てみましょう。

3つの基本的な絶縁手法

信号源とシステムの他の部分の間に絶縁バリアを作成するには、いくつかの方法があります。

  • 光絶縁
  • 誘導絶縁
  • 容量性絶縁

このセクションでは、それぞれについて見ていきましょう。

光絶縁

光絶縁は、システムの他の部分や外界から信号を絶縁する最も一般的で効果的な方法の1つです。電気信号はLEDに入力され、誘電体絶縁バリアを介してフォトダイオードに送信され、フォトダイオードによって電気信号に変換されます。

LED(左)とフォトダイオード(右)を使用した光絶縁

電気信号を光に変換してから電気に戻すことで、外界から完全に切り離されます。 光は電磁(EMI)または無線周波数(RFI)干渉の影響を受けません。 このことは、このアプローチに固有の利点です。

ただし、フォトカプラは光自身ほど高速ではありません。LEDのスイッチング速度によって制限されます。それらは一般的に誘導性または容量性アイソレータよりも遅いです。さらに、LEDライトの強度は時間の経過とともに低下し、再校正または交換が必要になります。

誘導絶縁

エンジニアは電流が磁場を作ることを知っています。信号を巻線に送り、それを同一の巻線の近くに平行に配置することにより、信号が誘導され、2番目の巻線に「結合」されます。

電気絶縁体で絶縁された巻線を使用した誘導絶縁

誘導結合絶縁,電気絶縁障壁は、第一、第二巻線からの通過信号のみが磁気的に誘導され、入出力間での直接の接触はありません。誘導性カプラは非常に高い帯域幅と非常に信頼性が高いですが、近くの磁場の影響を受ける可能性があります。

容量性絶縁

容量性アイソレータは、通常は二酸化シリコンで作られた絶縁バリアを介して信号を結合します。それらはDC信号を渡すことができないため、コモンモード信号のブロックに非常に優れています。信号はデジタルに変換され、容量結合を使用してバリアの反対側で複製されます。

容量性結合を使用して、絶縁バリアの反対側で信号を再現する容量性アイソレータ

誘導性絶縁とは異なり、容量性絶縁は磁気干渉の影響を受けません。これらのアイソレータの特徴は、高いデータレートと長寿命動作です。容量性アイソレータにはさまざまな定格があり、故障や起こり得る短絡に対して適切なレベルの安全性を提供します。

絶縁技術の比較

以下に、3つの基本的な絶縁手法の概要を示します。

  光絶縁 誘導絶縁 容量性絶縁
データレート 中速
(LEDスイッチング速度により制限)
高速
~100 Mb /秒
高速
~100 Mb /秒
絶縁耐力 良い
~100 Vrms / µm
より良い
~300 Vrmsの/μm
最高
500 Vrms / µm
寿命 比較的短い 長い 長い
磁気干渉 無し 影響を受ける可能性あり 無し

主な絶縁条件

上記のすべての情報を考慮すると、計測システムにアナログ入力が絶縁されている必要があることは明らかです。しかし、さまざまな計測システムやシグナルコンディショナの絶縁仕様を確認していると、「チャネル-グランド間」や「チャネル間」などの用語で指定されている場合があります。これらの用語は何を意味し、どのように相互に関連していますか?

チャネルーグラウンド間アイソレーション

チャネルとグランド間の絶縁は、チャネルの入力と機器のグランド間に存在する可能性のある最大電圧を定義します。通常、機器のグランドは電源のグランドを基準にしています。シグナルグラウンドをシャーシグラウンドから絶縁することにより、ほとんどのグラウンドループ問題を排除できます。

チャネルからグランドへの絶縁

これを「入出力アイソレーション」と呼ぶこともあります。すべてのチャネルは共通のグランドを持ち、そのグランドは機器のグランドまたはアース電位から絶縁されています。これはシステムに1つの信号源しか接続されていない場合には制限とはなりません。しかし、グランド電位差のある信号が追加で接続されると、すべての信号にノイズが発生したり、コモンモードの問題が発生したりします。

チャネル間アイソレーション

チャネル間アイソレーションとは、あるチャネルと他のチャネルとの間に存在する最大電圧を定義するものです。チャネルはグランドを共有することはできません。また、各チャネルはシステムの他の部分(例えばシステムの電源電圧, シャーシグランドなど)から絶縁されていなければなりません。すべてのチャネルが互いに絶縁されていれば、必然的にグランドからも絶縁されているので、チャネル間アイソレーションには、チャネル - グラウンド間のアイソレーションも含まれます。

チャネル間絶縁

つまり、あるシステムがチャネル - グラウンド間のアイソレーションをされている場合でも、必ずしもチャネル間のアイソレーションがされているとは限らないのです。しかし、チャネル間のアイソレーションがされているシステムは、チャネル - グランド間のアイソレーションがなされています。

DEWESoftのSIRIUS DAQシステムは、次のビデオで紹介されているように、チャネル間およびチャネル - グラウンドの両方のアイソレーションを提供します。

絶縁耐圧

絶縁耐圧は、絶縁バリアが信号の通過を防ぐことができる最大電圧レベルです。さまざまな絶縁材料には、Vrms / µmで計測される異なる絶縁耐圧があります。エアギャップ自体の定格は通常1 Vrms / µmですが、エポキシは20倍優れている場合があり、多くの容量性絶縁バリアで見られる二酸化ケイ素は約500 Vrms / µmです。容量性アイソレータに見られるポリイミドや、光アイソレータによく見られるシリカ充填エポキシ成形コンパウンドなど、バリアで一般的に使用される他の材料があります。

DEWESoftの絶縁データ収集システム

SIRIUS データ収録システム

SIRIUSの高速DAQシステムは、豊富な構成を備えています。

  • SIRIUSスライス:USBまたはEtherCAT®でコンピュータに接続
  • SIRIUS-R2:PC ユニット内蔵、オプションでディスプレイ、バッテリー搭載可能なオールインワンタイプデータロガー
  • SIRIUS-R3:19インチラックマウント対応
  • SIRIUS-R4:PC ユニット内蔵スタンドアロン型
  • SIRIUS-R8:PC ユニット内蔵、オプションでディスプレイ、バッテリー搭載可能な多チャネルタイプデータロガー

SIRIUSシリーズラインアップ

DEWESoftのSIRIUS DualCoreおよびSIRIUS-HS(High-Speed)シグナルコンディショナを見てみると、これらのモジュールはすべてチャネル間およびチャネルとグランドの絶縁電圧が1000Vであることがわかります。SIRIUS-HD (High Density)アンプは、ペアで±500Vの絶縁をしています。

以下のビデオでは、SIRIUS製品の実際のアイソレーションを示しています。

実際のデータ収録の世界では、信号入力だけではなくシグナルコンディショナが励磁電圧や電流を供給してセンサに電力を供給することもよくあります。ひずみゲージ, RTD, LVDT, IEPE加速度計などは、電力を必要とするセンサの良い例です。

メーカは見落としがちですが、これらの励起ラインが絶縁されていることが重要です。そのため、DEWESoftは製品ライン全体で、絶縁および/または差動入力と、直接接地機能機能を備えた過電圧保護を提供し、機器とオペレータをグラウンドループから保護しています。

KRYPTONとKRYPTON-ONE

KRYPTONは、DEWESoftが提供する製品の中で最も頑丈なシリーズです。極端な温度や衝撃、振動に耐えられるように作られており、IP67に準拠し水や埃などから保護されています。KRYPTONは、EtherCAT®を介してWindowsコンピュータに接続され、50メートルまで離すことができるので、信号源の近くに設置することができます。また、SIRIUSと同様、収録解析ソフトウェアDewesoftXを付属しています。

さまざまなDSIアダプタを接続した多チャネルKRYPTONモジュール

これらの非常に頑丈なシステムには、KRYPTON-ONEと呼ばれる1チャネルのモジュールもあります。
多チャネルと1チャネルのKRYPTONは、どちらも同じレベルの性能と堅牢性を備えています。

左:KRYPTON-ONE 1xTH-HVモジュール  右:KRYPTON-ONE 1xHVモジュール

アイソレーション性能は、KRYPTONとKRYPTON-ONEで実現しています。

KRYPTONマルチチャネルモジュール
  STG TH RDT ACC LV LA DIO
タイプ ひずみ、
電圧
熱電対 RTD IEPE、
電圧
低電圧 ローアンペア デジタル
入出力
アイソレーション電圧 差動 1000 V peak 1000 V peak 差動 1000 V peak 1000 V peak 250 V
チャネル間    
チャネルとグランド    
KRYPTON ONE シングルチャネルモジュール
  AO DI DO ACC STG LV HV TH-HV CNT
タイプ アナログ
出力
デジタル
入力
デジタル
出力
IEPE,
電圧
ひずみ,
電圧
低電圧 高電圧 温度 カウンタ
エンコーダ
デジタル
アイソレーション電圧 該当なし バニック
絶縁
バニック
絶縁
125 Vrms 125 Vrms 125 Vrms 1000V
CAT II
600 V
CAT III
1000V
CAT II
600 V
CAT III
該当なし
チャネル間    
チャネルとグランド    

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IOLITE

IOLITEは、産業用リアルタイム制御システムと強力なDAQシステムを組み合わせたユニークな製品です。 何百ものアナログおよびデジタルチャネルをフルスピードで記録すると同時に、サードパーティのEtherCAT®マスタコントローラにリアルタイムデータを送信することができます。

左:IOLITE-R12(PC接続ラックタイプ)  右:IOLITE-R8(PC接続ボックスタイプ)

アイソレーション性能に関してIOLITEは以下を提供します。

IOLITEマルチチャネル入力モジュール
モジュール STG TH DI DO RTD LV
タイプ ひずみ、
電圧
熱電対 デジタル入力 デジタル出力 RTD 低電圧
アイソレーション電圧 差動 1000 V 1000 V 1000 V 1000 V 1000 V
チャネル間  
チャネルとグランド  

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