Гальванічна розв'язка: призначення, застосування, принцип дії

Гальванічна розв'язка – ключовий елемент забезпечення стабільної та безпечної роботи електричних кіл. Давайте розберемося, що це таке, навіщо потрібно і як застосовується практично.

1. Поняття гальванічної розв'язки

Гальванічна розв'язка – це електрична ізоляція одного ланцюга від інших ланцюгів у межах одного пристрою. Вона дозволяє передавати енергію або сигнал від одного ланцюга до іншого без прямого контакту з-поміж них.

Принцип роботи гальванічної розв'язки полягає в тому, що між ланцюгами створюється штучний бар'єр, що обмежує перетікання струму. Як такий бар'єр може виступати трансформатор, оптрон або інший пристрій.

Основні завдання, які вирішує гальванічна розв'язка:

• Забезпечення незалежності сигнальних ланцюгів
• Підвищення перешкодозахищеності
• Поліпшення точності вимірювань
• Захист обладнання та людей від небезпечної напруги

Завдяки цим властивостям гальванічна розв'язка широко застосовується в електронних пристроях для підвищення їхньої надійності та безпеки.

2. Види гальванічної розв'язки

Існує кілька основних типів гальванічної розв'язки:

Трансформаторна (індуктивна) розв'язка

Заснована на використанні трансформатора. Первинна та вторинна обмотки трансформатора електрично ізольовані один від одного. Передача енергії відбувається у вигляді електромагнітної індукції.

Ємнісне розв'язування

Використовуються конденсатори передачі сигналу між ланцюгами. Дозволяє передавати високочастотні сигнали, але не підходить для постійного струму.

Оптронна розв'язка

Застосовуються оптопари (світлодіод та фотоприймач). Передача сигналу відбувається у вигляді світлового потоку.Дозволяє передавати сигнали різних частот.

Крім того, існують інші більш екзотичні види гальванічної розв'язки, такі як акустична, волоконно-оптична та ін. Вибір конкретного типу залежить від вимог до параметрів сигналу та умов роботи пристрою.

3. Застосування в електроніці та приладобудуванні

Гальванічна розв'язка є важливим елементом під час створення електронних пристроїв та вимірювальних приладів. Розглянемо основні сфери її застосування.

У вимірювальних приладах та системах збору даних

Гальванічна розв'язка дозволяє забезпечити незалежність вимірювальних ланцюгів від силових, що важливо для точності вимірювань. Вона може застосовуватися як груп каналів, так і індивідуально для кожного каналу в багатоканальних системах.

В інтерфейсних та виконавчих пристроях

Розв'язка вводу-виводу необхідна для сумісності пристроїв з різними рівнями сигналів та "землями". Вона підвищує стійкість до перешкод.

Для підвищення електромагнітної сумісності

Гальванічно ізольовані ланцюги менш схильні до впливу зовнішніх електромагнітних полів. Це дозволяє покращити завадозахисність пристроїв, особливо в жорстких умовах експлуатації.

Нижче наведено приклади конкретних пристроїв та рішень з використанням гальванічної розв'язки:

• Цифрові мультиметри з гальванічною розв'язкою входів
• Ізольовані аналогові перетворювачі сигналів
• Системи збору даних на основі оптичних розв'язок
• Виконавчі механізми з розв'язкою управління

Таким чином, гальванічна розв'язка є найважливішим засобом підвищення характеристик і надійності електронних пристроїв у різних областях.

4. Застосування для електробезпеки

Важливою сферою використання гальванічної розв'язки є забезпечення електробезпеки – захисту людей та обладнання від ураження електричним струмом.

Захисне заземлення та занулення

У побутових та промислових мережах низької напруги використовується заземлення, електрично пов'язане із землею. Без гальванічної розв'язки під час замикання на корпус може виникнути небезпечна напруга.

Застосування розділових трансформаторів

Роздільні трансформатори 1:1 використовуються для ізоляції мереж та обладнання один від одного. Це запобігає ураженню струмом при випадковому дотику до неізольованих частин.

Захист людей та обладнання

Гальванічна розв'язка дозволяє виключити перебіг вирівнюючих та перешкодових струмів через людину. Крім того, вона захищає дороге обладнання від виходу з ладу.

Правила та нормативи

Існують чіткі стандарти та правила застосування засобів гальванічної розв'язки для забезпечення електробезпеки. Наприклад, ГОСТ 12.2.007.0-75 "ССБТ. Вироби електротехнічні. Загальні вимоги безпеки" та інші нормативні документи. Дотримання цих норм є обов'язковим.

5. Вибір типу та параметрів гальванічної розв'язки

При розробці пристроїв з гальванічною розв'язкою необхідно правильно вибрати тип і розрахувати параметри відповідно до вимог. Розглянемо основні критерії вибору.

Критерії вибору типу розв'язки

• Діапазон частот сигналу
• Необхідний рівень ізоляції
• Допустимі спотворення сигналу
• Умови експлуатації
• Габаритні обмеження

Розрахунок параметрів розв'язування

Необхідно визначити необхідні значення ізоляційного опору, електричної міцності, паразитної ємності, індуктивності та ін. відповідно до умов роботи пристрою.

Підбір елементів схеми

З розрахунків вибираються конкретні трансформатори, конденсатори, оптрони, які забезпечать необхідні показники гальванічної розв'язки.

Проектування пристрою загалом

Необхідно зважити на вплив гальванічної розв'язки на роботу пристрою, виконати перевірочні розрахунки надійності та електромагнітної сумісності.

6. Перетворювачі з гальванічною розв'язкою

Перетворювачі з гальванічною розв'язкою – це спеціалізовані пристрої передачі аналогових і цифрових сигналів між гальванічно розв'язаними ланцюгами.

Призначення перетворювачів

Перетворювачі використовуються у випадках, коли потрібно:

• Надіслати сигнал між ланцюгами з різними "землями"
• Ізолювати сигнальні ланцюги від перешкод у силових ланцюгах
• Захистити від перенапруг та струмів короткого замикання
• Забезпечити електробезпеку користувача

Принцип роботи

В основі роботи лежить використання трансформаторної, оптронної або ємнісної гальванічної розв'язки передачі сигналу без прямого електричного контакту ланцюгів.

Особливості та переваги

Перетворювачі забезпечують стабільну передачу сигналів за високого рівня ізоляції до 5 кВ. Вони мають широку смугу пропускання до сотень кГц. Невеликі габарити дозволяють використовувати перетворювачі компактних пристроях.

Варіанти виконання

Існують моделі як для аналогових (0-5, 0-10, 4-20 мА), так і для цифрових сигналів (RS-232, RS-485, CAN та ін). Випускаються одно- та багатоканальні перетворювачі.

Приклади конкретних моделей

• ADAM-4520 – 4-канальний перетворювач з гальванічною розв'язкою RS-485
• OMRON JW1A – аналоговий перетворювач струм/напруга
• Pintek DP-2 – USB ізолятор для передачі цифрових сигналів

Таким чином, перетворювачі значно розширюють можливості побудови розв'язаних схем та підвищують надійність систем.

Багато сучасних електронних пристроїв сьогодні потребують гальванічної розв'язки між двома або більше частинами обладнання або між двома критичними секціями одного продукту або системи. Якщо ви не робили цього раніше, вам доведеться вивчити багато матеріалу для розуміння основ гальванічної розв'язки, чому вона використовується, і знайомство з можливими способами її реалізації.

У цій статті надається визначення гальванічної розв'язки, пояснюються її переваги, а потім резюмуються найпоширеніші способи її реалізації. І це відкриває новий підхід щодо забезпечення гальванічної розв'язки за допомогою спеціальних інтегральних схем (ІС).

Що таке гальванічна розв'язка?

Гальванічна розв'язка – це процес проектування електричного обладнання або систем з окремими джерелами живлення таким чином, щоб вони не обмінювалися енергією або електрично не взаємодіяли. Ідея полягає в тому, щоб підтримувати живлення постійного (і/або змінного струму) окремо та незалежно. Одна система електропостачання має впливати на іншу.У той же час, як правило, необхідно повністю ізольовано передавати сигнали моніторингу та дані керування між ними.

Ізоляція живлення досягається за рахунок того, що дві фізичні секції знаходяться далеко одна від одної. І це зазвичай реалізується не підключенням заземлюючих з'єднань двох систем. Це усуває контури заземлення і зменшує або принаймні зводить до мінімуму будь-яке перенесення шуму. Коли використовуються як високовольтні, так і низьковольтні підсистеми, така фізична ізоляція та ізоляція заземлення також допомагає захистити користувачів та фахівців з обслуговування від ударів електричним струмом, низьковольтні ланцюги від високої напруги, а в деяких випадках захищає і від блискавки.

Приклади обладнання, що вимагає гальванічної розв'язки, включають програмовані логічні контролери (ПЛК) у промислових інструментах та устаткуванні, джерела безперебійного живлення (ДБЖ), електроприводи, промислові роботи, зарядні пристрої для акумуляторів, перетворювачі частоти / інвертори та інколи DC-. Не забуваємо про постійно зростаючий сегмент автомобільних додатків.

Гальванічна розв'язка

Для реалізації гальванічної розв'язки використовують широкий спектр методів. Можливо, найстаріший і найефективніший – це трансформатор. Він дозволяє передавати дані, повідомлення та коди за допомогою магнітних полів між первинною та вторинною обмотками. Між первинною та вторинною обмотками немає прямого електричного зв'язку.

На малюнку нижче показаний приклад базового джерела живлення, що використовується в системі, яка потребує ізоляції. SN6501-Q1 – це генератор модулюючих імпульсів, який виробляє сигнал перемикання для імпульсного трансформатора.Трансформатор забезпечує співвідношення витків для отримання бажаної вихідної напруги та ідеальної розв'язки, що забезпечується тільки магнітним зв'язком між входом та виходом. Регулятор з малим падінням напруги (LDO) фільтрує випрямлений сигнал та встановлює бажану вихідну напругу.

Оптопари або оптоізолятори – ще один майже ідеальний пристрій передачі даних з допустимою швидкістю. Потік даних про напругу управляє світлодіодом усередині корпусу оптопари. Фототранзистор уловлює світло на відстані кількох міліметрів. Транзисторний вихід є повністю ізольованим від входу.

Один із найкращих способів ізоляції — використання конденсаторів. Вони блокують постійний струм, але пропускають змінний струм, що робить їх та їх варіанти надзвичайно ефективними. Інші пристрої, що беруть участь у створенні гальванічної розв'язки, – це спеціальні компоненти, такі як датчики на ефект Холла і навіть механічні реле.

Сучасна гальванічна розв'язка

У наші дні найкращий спосіб забезпечити необхідну гальванічну розв'язку – це використовувати компоненти, розроблені спеціально для цього. Приклади включають спеціальні підсилювачі та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), що використовуються для відправки ізольованих даних вимірювання струму та напруги, коли це необхідно системі.

Диференціальні підсилювачі контролюють напругу на чутливому резистори для отримання значення струму. Зазвичай для цієї програми потрібні два джерела живлення (рисунок нижче зліва). Однак наявність другого джерела живлення робить продукт більшим, важчим і дорожчим.

Texas Instruments розробила лінійку підсилювачів та АЦП з однополярним живленням, щоб вирішити цю проблему.Ізольований підсилювач AMC3301 (малюнок вище праворуч) включає повністю інтегрований перетворювач постійного струму в постійний (DC-DC) для подачі другої напруги живлення. Ізоляція забезпечується ємнісним зв'язком усередині інтегральної схеми. AMC3301 відповідає правилам безпеки високовольтної ізоляції для сертифікації UL 1577 до 4250 В середньоквадратичного значення DIN VDEV 0884-11 для пікової напруги до 6000 В.

Для забезпечення ізольованих даних вимірювань та керування можна використовувати два типи ізолюючих пристроїв – ізольований підсилювач та ізольований модулятор. Обидва є типами з однополярним харчуванням і кожен містить внутрішній дельта-сигма (ΔΣ) АЦП.

Контрольований аналоговий сигнал відправляється на мікросхему, посилюється, а потім оцифровується АЦП. АЦП генерує послідовний потік бітів, який проходить через ємнісний ізолюючий бар'єр на кристалі. Цей послідовний потік бітів потім відправляється на фільтр нижніх частот, який виробляє напругу, пропорційну вхідному сигналу. У цей момент відновлений сигнал постійного струму може бути оцифрований знову в іншому АЦП, можливо, у звичайному системному мікроконтролері.

Як інший варіант можна використовувати ізольований модулятор, такий як AMC1305/06 від TI. Він приймає відстежуваний сигнал струму або напруги і підсилює його перед оцифровкою в швидшому ΔΣ АЦП. АЦП посилає свій сигнал через внутрішній ємнісний ізолюючий бар'єр на вихід. Цей сигнал є серією бітів, що представляють напругу всередині пристрою. Зовнішній фільтр нижніх частот генерує аналоговий пропорційний сигнал, який знову може бути оцифрований для цифрової обробки сигналу.

Хоча і ізольовані підсилювачі, і модулятори дійсно забезпечують хороші характеристики, модулятори, що ізолюють, як правило, є кращою альтернативою. Вони мають чудове співвідношення сигнал / шум, більшу точність і меншу затримку.

Гальванічна розв'язка 101

Для покращення знань та розуміння гальванічної розв'язки вам слід розглянути еталонний прототип TI TIDA-010065. Еталонний прототип є спрощеною архітектурою для створення ізольованого джерела живлення для ізольованих підсилювачів, які вимірюють ізольовані напруги та струми. Вбудована цифрова діагностика підвищує надійність та продуктивність системи. Це відмінна платформа для самонавчання та вивчення тонкощів гальванічної розв'язки.

Принцип ізоляції електричного кола від інших ланцюгів в одному пристрої називається гальванічна розв'язка або ізоляція. За допомогою такої ізоляції здійснюється передача сигналу або енергії від одного електричного ланцюга до іншого без прямого контакту між ланцюгами.

Гальванічна розв'язка дає можливість забезпечення незалежності ланцюга сигналів, так як утворюється незалежний струмовий контур сигнального ланцюга від інших контурів, ланцюгах зворотного зв'язку і при вимірюваннях. Для електромагнітної сумісності гальванічна розв'язка є оптимальним рішенням, оскільки збільшується точність вимірів, підвищується захист від перешкод.

Принцип дії

Щоб зрозуміти, як працює гальванічна розв'язка, розглянемо, як це реалізується в конструкції трансформатора.

Первинна обмотка електрично ізольована від вторинної обмотки.Між ними немає контакту, і не виникає жодного струму, якщо, звичайно, не брати до уваги аварійний режим з пробоєм ізоляції або виткового замикання. Однак різниця потенціалів у котушках може бути значною.

В результаті, якщо навіть вторинна обмотка буде електрично пов'язана з корпусом пристрою, а значить і з землею, то все одно на корпусі не виникне паразитних струмів, які були б небезпечні для працівників і обладнання.

Види

Така ізоляція електричних кіл забезпечується різними методами із застосуванням різноманітних електронних елементів та деталей. Наприклад, трансформатори, конденсатори та оптрони здатні здійснювати передачу електричних сигналів без безпосереднього контакту. Ділянки ланцюга взаємодіють через світловий потік, магнітне чи електростатичне поле. Розглянемо основні види гальванічної ізоляції.

Індуктивна розв'язка

Для побудови трансформаторної (індуктивної) розв'язки необхідно застосувати магнітоіндукційний елемент, який називається трансформатором. Він може бути як із сердечником, так і без нього.

При розв'язці трансформаторного вигляду застосовують трансформатори з коефіцієнтом трансформації, що дорівнює одиниці. Первинна котушка трансформатора з'єднується із джерелом сигналу, вторинна – із приймачем. Для розв'язки ланцюгів за такою схемою можна застосовувати магнітомодуляційні пристрої на основі трансформаторів.

При цьому напруга на виході, яка є на вторинній обмотці трансформатора, безпосередньо залежатиме від напруги на вході пристрою. За такого методу індуктивної розв'язки існує низка серйозних недоліків:

• Значні габаритні розміри, що не дозволяють виготовити компактний пристрій.
• Частотна модуляція гальванічної розв'язки обмежує частоту пропускання.
• На якість вихідного сигналу впливають перешкоди вхідного сигналу, що несе.
• Дія трансформаторної розв'язки можлива лише за змінної напрузі.

Оптоелектронна розв'язка

Розвиток електронних та інформаційних технологій напівпровідникових елементів нині підвищує можливості проектування розв'язки за допомогою оптоелектронних вузлів. Основу таких вузлів розв'язки становлять оптрони (оптопари), які виконані на основі тиристорів, діодів, транзисторів та інших чутливих до світла компонентів.

В оптичній частині схеми, яка зв'язує приймач та джерело даних, носієм сигналу виступають фотони. Нейтральність фотонів дає можливість виконати електричну розв'язку вихідного та вхідного ланцюга, а також узгодити ланцюги з різними опорами на виході та вході.

В оптоелектронній розв'язці приймач не впливає джерело сигналу, тому є можливість модулювання сигналів широкого діапазону частот. Важливою перевагою оптичних пар є їхня компактність, яка дозволяє їх застосування в мікроелектроніці.

Оптична пара складається з випромінювача світла, середовища, що проводить світловий потік, та приймача світла, який перетворює його на сигнал електричного струму. Опір виходу та входу в оптроні дуже великий, і може досягати кількох мільйонів Ом.

Принцип дії оптрон досить простий. Від світлодіода виходить світловий потік і прямує на фототранзистор, який сприймає його та здійснює подальшу роботу відповідно до цього світлового сигналу.

Докладніше робота оптопари виглядає так. Вхідний сигнал надходить на світлодіод, який випромінює світло світловодом.Далі світловий потік сприймається фототранзистором, виході якого створюється перепад чи імпульс електричного струму виходу. В результаті виконується гальванічна розв'язка ланцюгів, пов'язаних з одного боку зі світлодіодом, а з іншого – з фототранзистором.

Діодна оптопара

У цій парі джерелом світлового потоку є світлодіод. Така пара може застосовуватися замість ключа і працювати з сигналами частотою кілька десятків МГц.

При необхідності передачі сигналу джерело подає на світлодіод живлення, у результаті випромінюється світло, що потрапляє на фотодіод. Під дією світла фотодіод відкривається та пропускає через себе струм.

Приймач сприймає появу струму як сигнал. Недоліком діодних оптопар є неможливість керування підвищеними струмами без допоміжних елементів. Також до недоліків можна віднести їх малий ККД.

Транзисторна оптопара

Такі оптичні пари мають підвищену чутливість, на відміну діодних, отже, є економічнішими. Але їх швидкість реакції та найбільша частота з'єднання виявляється меншою. Транзисторні оптичні пари мають незначний опір у відкритому вигляді, і великий у закритому стані.

Керуючі струми для транзисторної пари вище вихідного струму діодної пари. Транзисторні оптрони можна застосовувати різними способами:

Без виведення бази колекторний струм безпосередньо залежатиме від струму світлодіода, але транзистор матиме тривалий час відгуку, оскільки ланцюг бази завжди відкритий.

У разі виведення бази є можливість збільшити швидкість реакції підключенням допоміжного опору між емітером і базою транзистора.Тоді виникає ефект, при якому транзистор не переходить у стан провідності до тих пір, поки діодний струм не досягне значення, необхідного для падіння напруги на резисторі.

Така гальванічна розв'язка має деякі переваги:

• Широкий інтервал напруги розв'язки (до 0,5 кВ). Це відіграє велику роль у проектуванні систем введення інформації.
• Гальванічна розв'язка може функціонувати з високою частотою, що досягає кількох десятків МГц.
• Компоненти такої розв'язки мають незначні габаритні розміри.

За відсутності гальванічної ізоляції найбільший струм, що проходить між ланцюгами, може обмежитися лише малими електричними опорами. В результаті це призводить до виникнення вирівнюючих струмів, які завдають шкоди елементам електричного ланцюга та працівника, які випадково торкаються незахищеного електроустаткування.

Схожі теми: