Что такое гальваническое подключение – Гальваническая развязка в картинках / Силовая электроника / Сообщество разработчиков электроники

Содержание

Гальваническая развязка — Википедия

Гальвани́ческая развя́зка — передача энергии или информационного сигнала между электрическими цепями, не имеющими непосредственного электрического контакта между ними.

Гальванические развязки используются для передачи сигналов с целью снижения помех, для бесконтактного управления и для защиты оборудования от повреждения и людей от поражения электрическим током.

При гальванической развязке электрические потенциалы разделённых цепей могут сильно различаться, иногда говорят, они имеют «плавающие» относительно друг друга потенциалы.

По способу организации гальванической развязки они разделяются на

  • Трансформаторные.
  • Оптоэлектронные: оптопары, оптоволоконные линии связи, фотогальванические элементы.
  • Акустические — передача информации происходит через звуковой, например, ультразвуковой канал.
  • Радиоканалы.
  • Звуковой: громкоговоритель, микрофон
  • Емкостные — передача сигнала производится на высоких частотах через разделяющие конденсаторы малой ёмкости.
  • Развязки на коммутируемых конденсаторах.
  • С преобразователями, основанными на эффекте Холла и гигантском магнитосопротивлении.
  • Механические, например: мотор-генераторы, реле.

Трансформаторная развязка[править | править код]

Гальваническая развязка у трансформатора. Первичная обмотка (сверху) электрически изолирована от вторичной обмотки (снизу).

Исторически первый вид развязок. Используется до сих пор как для передачи мощности, так и для передачи информационного сигнала. Через силовые трансформаторы возможна передача очень большой мощности, вплоть до сотен МВт. Для передачи информации обычно используют миниатюрные импульсные и высокочастотные трансформаторы.

Иногда для электробезопасности применяют специальные разделительные силовые трансформаторы. Обычно силовые трансформаторы понижающие, то есть напряжение вторичных обмоток ниже напряжения первичной обмотки, разделительные трансформаторы, как правило, имеют коэффициент трансформации 1:1. Применение таких трансформаторов в целях электробезопасности обусловлено тем что низковольтные промышленные и бытовые сети имеют заземление присоединенное к «земле» — с которой также электрически связаны, например, водопроводные трубы. При отсутствии разделительного трансформатора пробой изоляции ручного электроинструмента может причинить электротравму работнику. Так как вторичная обмотка разделительного трансформатора не имеет электрической связи с «землёй», аварийное нарушение изоляции инструмента практически электробезопасно.

У автотрансформаторов первичная и вторичная обмотки совмещены, и поэтому автотрансформаторы не являются устройствами гальванического разделения и не применяются для гальванического разделения в целях электробезопасности.

Недостаток трансформаторной гальванической развязки для передачи информационного сигнала — принципиальная невозможность непосредственной передачи сигналов постоянного тока и медленно изменяющихся сигналов через трансформатор. Поэтому в таких развязках прибегают к какому-либо виду модуляции, например, частотной модуляции и передача информации при этом происходит с помощью передачи высокочастотного несущего сигнала. На приёмном конце высокочастотный сигнал демодулируется с восстановлением переданной информации.

Оптоэлектронные и оптические развязки[править | править код]

Принцип работы оптоэлектронной развязки, широко используемой в современных цифровых системах
Гальваническая развязка для передачи аналоговых сигналов с улучшенной точностью[1]. Если фототоки фотодиодов равны во всем диапазоне изменения входного сигнала (IP1=IP2{\displaystyle I_{\mathrm {P1} }=I_{\mathrm {P2} }}), то нелинейность канала компенсируется.

В устройствах этого типа сигнал передаётся с помощью оптического излучения и используются исключительно для передачи информационных сигналов, так как через такие развязки трудно и технически нецелесообразно передавать большую мощность.

В настоящее время оптические развязки наиболее используемый и популярный тип информационных развязок.

Принцип их действия основан на излучении света каким-либо управляемым электрическим сигналом светоизлучателем, передаче оптического сигнала в гальванически изолированную часть и обратное преобразование излучения в электрический сигнал.

В качестве излучателей сейчас обычно используются светодиоды, а в качестве приёмников света — фотодиоды, фототранзисторы или фототиристоры. Комбинацию светодиод и приемник излучения принято называть оптопарой или оптроном, если конструктивно излучатель и приёмник излучения скомпонованы в одном корпусе. Передача в оптическом канале обычно применяют в инфракрасном диапазоне, так как энергетические характеристики полупроводниковых приёмников и излучателей в этом диапазоне лучше, чем в видимом диапазоне.

Преимущество оптронной развязки по сравнению с трансформаторной — меньшие габариты, дешевизна и возможность передавать медленно меняющиеся сигналы, в том числе сигналы постоянного тока.

Недостаток оптической развязки для передачи аналоговых сигналов низких частот — существенная нелинейность канала при передаче, неравномерность коэффициента передачи 10—30 % во всем диапазоне изменения сигнала. Поэтому для передачи медленно меняющихся аналоговых сигналов с достаточной точностью, как и в случае трансформаторной развязки применяют модуляцию-демодуляцию.

Другой способ точной передачи медленно меняющегося сигнала через оптический канал — компенсационный. При этом методе один светоизлучатель (светодиод) засвечивает два приёмника излучения (фотодиода или фототранзистора), один из приёмников включён в обратную связь источника тока светодиода, второй, гальванически изолированный, включён в обратную связь усилителя фотодиода как показано на рисунке. Если нелинейная функция передачи от светодиода на оба фотоприёмника одинаковая, то нелинейности взаимно компенсируются и гальваническая развязка становится с достаточной для многих применений точностью линейной. Практически в такой структуре достижимо улучшение линейности передачи в канале до 1 %.

Конденсаторная гальваническая развязка[править | править код]

{\displaystyle I_{\mathrm {P1} }=I_{\mathrm {P2} }} Один из вариантов конденсаторной гальванической развязки {\displaystyle I_{\mathrm {P1} }=I_{\mathrm {P2} }} Структурная схема информационной гальванической развязки через пару конденсаторов. Красной линией изображён синфазный сигнал.
М — модулятор, преобразующий входной сигнал в последовательности коротких импульсов;
БУ — буферный усилитель-фазорасщепитель, преобразующий входной импульсный сигнал на две линии в которых фаза импульсов отличается на 180 градусов;
ДУ — дифференциальный импульсный усилитель;
ДМ — демодулятор, преобразующий импульсные последовательности в непрерывный аналоговый сигнал.

Применяется исключительно для передачи информационных сигналов. Эта развязка может называться гальванической развязкой только условно, так как гальванически развязываемые цепи соединены электрически через ёмкостную связь, импеданс которой конечен и падает при повышении частоты разности плавающих потенциалов «земель» разделяемых цепей.

Если ёмкость конденсаторов мала, то токи промышленной частоты, протекающие через развязывающие конденсаторы малы. Например, обычная ёмкость развязывающих конденсаторов около 1 пФ, и импеданс гальванической развязки для промышленной частоты составляет порядка 3 ГОм. Электрическая прочность (пробойное напряжение) развязывающих конденсаторов может составлять несколько киловольт, поэтому этот тип развязок разрешён для применения в электрофизическом оборудовании для медицинского обследования и лечения пациентов, например, в электрокардиографах.

Так как такая развязка принципиально не передаёт медленно изменяющиеся сигналы и сигналы постоянного тока, при передаче информационного сигнала обязательно применяют какой-либо тип модуляции.

Пример цепи конденсаторной гальванической развязки показан на рисунке. В этой схеме импульсный сигнал передаётся через несимметричный конденсаторный мост с разными коэффициентами передачи ёмкостных делителей напряжения в плечах моста.

Другой пример гальванической развязки показан на рисунке. В этой схеме информационный сигнал, промодулированный каким-либо методом, передаётся в дифференциальном виде через два конденсатора связи, с типовой ёмкостью около 1 пФ.

Этот принцип гальванического разделения применён во многих микросхемах «усилителей с гальванической развязкой» многих производителей полупроводниковых компонентов. Обычно в таких микросхемах применяют сигма-дельта модуляцию.

Преимущество конденсаторного метода гальванического разделения — простота, но недостаток — требует применения модулятора-демодулятора.

Без использования развязки предельный ток, протекающий между цепями, ограничен только электрическими сопротивлениями, которые обычно относительно малы. В результате возможно протекание выравнивающих токов и других токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепью. Прибор, обеспечивающий развязку, искусственно ограничивает передачу энергии из одной цепи в другую. В качестве такого прибора может использоваться разделительный трансформатор или оптрон. В обоих случаях цепи оказываются электрически разделёнными, но между ними возможна передача энергии или сигналов.

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон? / Habr


Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.

Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.

Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.

Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.

Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.

Как оно работает

Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.

Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.

Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.

Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.

Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.

Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.


Если последнее предложение вас взбудоражило..Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде этого. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.

Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.

На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.

Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.

Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.

Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек.

Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.
Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.

Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.

Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.

Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.

Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.

Где оно работает

Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.
Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.Ещё больше картинокМикросхема серии Si86xx — цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами

Микросхема серии Si860x — цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами

Микросхема серии Si88xx — цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC-контроллером


Кроме цифровых изоляторов выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.
Ещё больше картинокМикросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключа

Микросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входе

Микросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунта

Микросхема серии Si890x — изолированный АЦП

Гальваническая развязка — применение и принцип действия

Содержание:

  1. Принцип действия
  2. Трансформаторная (индуктивная) развязка
  3. Гальваническая развязка оптоэлектронного типа
  4. Принцип действия емкостной развязки
  5. Работа электромеханической развязки
  6. Видео

В электронике и электротехнике используется большое количество схем, в которых требуется изолировать или отделить высокое силовое напряжение от низкого напряжения управляющих цепей. За счет этого создается своеобразная защита низковольтных устройств от влияния высокого напряжения. То есть, в таких цепях уже нет течения обычного электрического тока. В таких случаях, при отсутствии тока, между устройствами возникает большое омическое сопротивление, вызывающее разрыв цепи. Данную проблему успешно решает гальваническая развязка, с помощью которой убирается гальваническая связь между устройствами.

Таким образом, энергия или сигналы будут передаваться от одной цепи к другой при отсутствии между ними какого-либо электрического контакта. Применение гальванических развязок дает возможность бесконтактного управления, обеспечивает надежную защиту людей и оборудования от поражения электротоком.


Принцип действия

Гальваническая развязка в соответствии со своей функцией известна также под понятием гальванической изоляции. Данные системы обеспечивают электрическую изоляцию конкретной цепи по отношению к другим видам цепей, находящихся рядом.

Благодаря своим особенностям, гальваническая развязка обеспечивает обмен сигналами или энергией между цепями, исключая при этом непосредственный электрический контакт. С ее помощью образуется независимая сигнальная цепь за счет формирования независимого контура тока сигнальной цепи по отношению к токовым контурам других цепей.

Гальваническая изоляция используется во время измерений в силовых цепях и в цепях обратной связи. Данное техническое решение обеспечивает также электромагнитную совместимость, усиливает защиту от помех, повышает точность измерений. Используемый блок гальванической развязки на входе и выходе каждого устройства способствует улучшению их совместимости с другими приборами в условиях сложной электромагнитной обстановки.

Для того чтобы лучше представить себе, что такое гальваническая развязка, можно рассмотреть ее действие на примере стандартного промышленного электродвигателя. На производстве в большинстве случаев используется значение питающего напряжения, значительно превышающее 220 вольт и представляющее серьезную опасность для обслуживающего персонала.

В связи с этим, подача тока на обмотки и включение двигателя осуществляется с применением специальных устройств, обеспечивающих коммутацию силовых цепей. В свою очередь, коммутаторы также управляются, чаще всего кнопками включение и выключения. Именно на этом участке и требуется развязка, защищающая оператора от воздействия опасного напряжения. Оно не попадает на пульт управления, благодаря механическому взаимодействию конструктивных элементов пускателя с магнитным полем.

В настоящее время данные системы используются в различных вариантах технических решений: индуктивные, оптические, емкостные и электромеханические.


Трансформаторная (индуктивная) развязка

Для того чтобы построить индуктивную развязку, следует использовать магнитоиндукционные устройства – трансформаторы. Его конструкция может быть с сердечником или без сердечника.

Оборудование цепей гальваноразвязкой индуктивного типа осуществляется с помощью трансформаторов, у которых коэффициент трансформации составляет единицу. К источнику сигнала подключается первичная катушка, а вторичная соединяется с приемником. На этом принципе гальванические развязки трансформаторного типа служат основой для создания магнитомодуляционных устройств.

Выходное напряжение, возникающее во вторичной обмотке, напрямую связано с напряжением на входе трансформаторного устройства. В связи с этим, индуктивная развязка имеет серьезные недостатки, почему и ограничивается ее применение:

  • Невозможно изготовить компактное устройство из-за существенных габаритных размеров трансформатора.
  • Частота пропускания ограничивается частотной модуляцией самой развязки.
  • Помехи, возникающие во входном сигнале, снижают качество сигнала на выходе.
  • Подобная трансформаторная гальваническая развязка может нормально работать только при наличии переменного напряжения.

Гальваническая развязка оптоэлектронного типа

С развитием высоких технологий, использующих полупроводниковые элементы, все более широкое распространение получают БГР – блоки гальванической изоляции на основе оптоэлектронных узлов. Их основой служат оптроны, известные среди электротехников в качестве оптопар, выполненных на основе диодов, транзисторов, тиристоров и других элементов, обладающих повышенной светочувствительностью.

Общая схема оптической части, связывающая источник данных с приемником, использует в качестве сигнала нейтральные фотоны. Благодаря этому свойству, выполняется развязка цепи на входе и выходе, а также ее согласование с входными и выходными сопротивлениями.

Когда используется оптоэлектронная схема, приемник совершенно не влияет на источник сигнала, поэтому сигналы могут модулироваться в широком частотном диапазоне. Данные устройства обладают компактными размерами, поэтому они часто используются в микроэлектронике.

В конструкцию оптической пары входит световой излучатель, проводящая среда для светового потока, а также приемник, преобразующий свет в электрические сигналы. Сопротивление на входе и выходе оптрона очень большое, прядка нескольких миллионов Ом.

Вначале входной сигнал попадает на светодиод, далее в виде света он по световоду попадает на фототранзистор. На выходе устройства данная схема создает перепад или импульс выходного электрического тока. В результате цепи, связанные с двух сторон со светодиодом и фототранзистором, оказываются изолированными между собой.


Принцип действия емкостной развязки

Нередко возникает вопрос, зачем нужны различные виды развязок, в том числе и емкостная развязка. Эта схема представляет собой систему, в которой между цепями отсутствуют связи через ток, землю и другие элементы.

В этом случае передача данных электрических цепей осуществляется с помощью переменного электрического поля. Изоляция цепей происходит за счет диэлектрика, расположенного между конденсаторными пластинами. Качество развязывающего конденсатора определяется свойствами диэлектрика, размером обкладок и расстоянием между ними. Данный вид изоляции обладает повышенной энергетической эффективностью, устройства на его основе отличаются незначительными размерами, способны передавать электроэнергию и не реагируют на внешние электромагнитные поля.

Нормальная работа устройств обеспечивается разделением частоты сигнала и помех. Таким образом, емкость оказывает рабочему сигналу совсем небольшое сопротивление, а для помех создает преграду.


Работа электромеханической развязки

Помимо уже перечисленных, существует электромеханический вариант развязки. Вопрос для чего он нужен, практически не возникает, поскольку устройства на этой основе широко применяются в электротехнике.

Основой таких приборов служит реле, соединяющее электрические цепи в результате каких-либо изменений входных данных. В итоге они оказываются развязанными, а сама система получила название релейной.

Наиболее ярким примером является схема электромагнитного реле. Эти приборы нужны для защиты электроустановок и в различных автоматических системах. Они разделяются на реле постоянного и переменного тока. Основным элементом считается якорь, которые под действием электромагнита и пружины осуществляет замыкание и размыкание контактов.


Самодельная гальваническая развязка, в простонародии – грозозащита / Habr

Во время сборки гальванической развязки меня посетила мысль написать о процессе и результатах этой эпопеи.

Кому интересно прошу под хабракат.

Все началось с того что старый провайдер интернета «поднадоел» (тарифы, служба поддержки и т.п.) и я решил его сменить на другого провайдера. В процессе прокладки кабеля оказалось, что он будет проходить по крыше, под открытым небом (оборудование нового провайдера в первом подъезде, я живу во втором), а это обыкновенная витая пара (UTP) к тому же облегченный вариант. Две пары вместо положенных четырех и всё это без экрана (все равно используются только две пары, так что без разницы). Мне вариант лапша на крыше по умолчанию не очень понравился, альтернативой был экранированный кабель для наружной прокладки по той же крыше по 3 грн./метр, а этих метров 30 и не факт что его потом не украдут. Я все-таки согласился на вариант по умолчанию, если провайдеру плевать на защиту своего оборудования, то мне тем более, лишь бы интернет работал, с защитой своего оборудования я что-нибудь придумаю.

И занялся я поиском малозатратной защиты, в итоге наткнулся на этот замечательный пост, где прекрасно описаны все угрозы, которые могут влиять на кабель и оборудование.

Я попытался повторить трансформатор с деревянным сердечником, мои попытки не увенчались успехом, линк не заработал хотя индикаторы моргали, как и обычно. В итоге купил фабричную грозозащиту, поставил и немного успокоился.


Воздушные трансформаторы собственного изготовления, готовое устройство не заработало

Меня заинтересовала идея гальванической развязки, я начал искать различные варианты реализации. В результате нашел сайт где в посте «как сделать транс (кратенько)» (в других постах есть поясняющие схемы, фотографии) нашел инструкцию по изготовлению трансформатора на ферритовом кольце.

Я опишу моменты изготовления, чтобы внести большую ясность в понимание написанного в оригинале (с моей точки зрения):
1. Берем одну витую пару из кабеля UTP длиной 1,5 м.
2. Складываем пополам и скручиваем равномерно, чтоб получился четырехжильный симметричный провод. Нужно смотреть, чтоб проводники одного цвета располагались напротив друг друга.
3. Берем ферритовое кольцо размером приблизительно (некритично) 30Х8Х8 мм желательно высокочастотные (можно брать любое), острые грани обрабатываем наждачной бумагой (удобнее надфилем). Ферритовые кольца у меня были от корпусов CoolerMaster (идут в комплекте, для уменьшения наводок в проводах от передней панели) размеры 28Х16Х7 мм, их я и взял.


Ферритовые кольца от корпусов CoolerMaster

4. Складываем пополам полученный ранее четырехжильный провод, и равномерно натягивая два конца, наматываем их вместе рядом (параллельно) на ферритовое кольцо до заполнения в один слой. У меня получилось на данном кольце 8 пар витков.
5. Проверяем чтобы в паре было одинаковое количество витков и обрезаем лишние концы проводов, оставив по 30 мм.
6. В каждом четырехжильном проводе соединить провода одного цвета вместе (они напротив друг друга). Каждый четырехжильный провод, 1-й и 2-й, превращается в симметричную линию, где: провод А (пара одного цвета) и провод Б (пара другого цвета).
7. Начало провода А первой линии соединить с концом провода А второй линии.
8. Начало провода Б второй линии соединить с концом провода Б первой линии.


Готовый трансформатор

В итоге получился симметричный широкополосный трансформатор со средними точками, согласован, входное и выходное волновое сопротивление около 100 Ом и напряжение пробоя изоляции намного больше, чем в разделительных трансформаторах сетевых карт.

Для изготовления гальванической развязки нужно изготовить два таких трансформатора:

Думаю, все помнят, какие пары используются для передачи данных на скорости 100 Мбит, так что привожу картинку собранного устройства (сперва «на соплях» для проверки):

Устройство заработало сразу, после чего начал собирать всю конструкцию на деревянной палочке от мороженого (первое, что попалось на глаза) с помощью термопистолета:

Между этапами я проверял на работоспособность, чтобы исключить возможность ошибки. Здесь я укоротил проводники для компактности:

Вот места соединения крупным планом, если кому интересно:

И наконец-то готовое устройство (извините за непривлекательный вид, из-за клея — своего рода изоляция):

Гальваническая развязка у меня включена по такой схеме: провайдер –> купленная грозозащита –> самодельная гальваническая развязка –> роутер –> компьютер. Длина линии от провайдера где-то 50-60 метров. Разъемы были позаимствованы из нерабочих сетевых плат. Ухудшений в плане снижения скорости, увеличения времени отклика не замечено.

Устройство было сделано и установлено в январе 2013 года. От прямого попадания молнии, скорее всего не защитит, а от наводок и статики вполне. Так что спокойно жду грозового лета.

Update 21.07.2013:
Вот уже прошло полгода, а гальваническая развязка как работала, так и работает, несмотря на то, что было несколько крупных гроз (самые ближайшие молнии «лупили» в радиусе где-то 500 метров). Связь с оборудованием провайдера за все это время не терялась. Так что устройство удалось и исправно выполняет свою функцию, несмотря на не особо привлекательный внешний вид.

Update 09.05.2019:
Спустя почти 6 лет я нашёл эту штуковину у себя под столом, я про нее просто забыл – значит она работает! За это время я успел снова отключиться от этого провайдера во второй раз. Спросите, как – просто моего нового провайдера снова купил этот провайдер. Было много гроз в летнее время – все нипочём. Как работало, так и работает. Никакого негативного влияния на работу сети за все это время замечено не было.

Гальваническая развязка. Виды и работа. Особенности

Принцип изоляции электрической цепи от других цепей в одном устройстве называется гальваническая развязка или изоляция. С помощью такой изоляции осуществляется передача сигнала или энергии от одной электрической цепи к другой, без прямого контакта между цепями.

Гальваническая развязка дает возможность обеспечения независимости цепи сигналов, так как образуется независимый токовый контур сигнальной цепи от других контуров, в цепях обратной связи и при измерениях. Для электромагнитной совместимости гальваническая развязка является оптимальным решением, так как увеличивается точность измерений, повышается защита от помех.

Принцип действия

Чтобы понять принцип работы гальванической развязки, рассмотрим, как это реализуется в конструкции трансформатора.

Первичная обмотка электрически изолирована от вторичной обмотки. Между ними нет контакта, и не возникает никакого тока, если, конечно, не считать аварийный режим с пробоем изоляции или виткового замыкания. Однако разность потенциалов в катушках может быть значительной.

В результате, если даже вторичная обмотка будет связана электрически с корпусом устройства, а значит и с землей, то все равно на корпусе не возникнет паразитных токов, которые были бы опасны для работников и оборудования.

Виды

Такая изоляция электрических цепей обеспечивается различными методами с применением всевозможных электронных элементов и деталей. Например, трансформаторы, конденсаторы и оптроны способны осуществлять передачу электрических сигналов без непосредственного контакта. Участки цепи взаимодействуют через световой поток, магнитное или электростатическое поле. Рассмотрим основные виды гальванической изоляции.

Индуктивная развязка

Для построения трансформаторной (индуктивной) развязки необходимо применить магнитоиндукционный элемент, который называется трансформатором. Он может быть как с сердечником, так и без него.

При развязке трансформаторного вида применяют трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице. Первичная катушка трансформатора соединяется с источником сигнала, вторичная – с приемником. Для развязки цепей по такой схеме можно применять магнитомодуляционные устройства на основе трансформаторов.

При этом напряжение на выходе, которое имеется на вторичной обмотке трансформатора, будет напрямую зависеть от напряжения на входе устройства. При таком методе индуктивной развязки существует ряд серьезных недостатков:
  • Значительные габаритные размеры, не позволяющие изготовить компактное устройство.
  • Частотная модуляция гальванической развязки ограничивает частоту пропускания.
  • На качество выходного сигнала влияют помехи несущего входного сигнала.
  • Действие трансформаторной развязки возможно только при переменном напряжении.
Оптоэлектронная развязка

Развитие электронных и информационных технологий полупроводниковых элементов в настоящее время повышает возможности проектирования развязки с помощью оптоэлектронных узлов. Основу таких узлов развязки составляют оптроны (оптопары), которые выполнены на основе тиристоров, диодов, транзисторов и других компонентов, чувствительных к свету.

В оптической части схемы, которая связывает приемник и источник данных, носителем сигнала выступают фотоны. Нейтральность фотонов дает возможность выполнить электрическую развязку выходной и входной цепи, а также согласовать цепи с различными сопротивлениями на выходе и входе.

В оптоэлектронной развязке приемник не оказывает влияние на источник сигнала, поэтому есть возможность модулирования сигналов широкого диапазона частот. Важным преимуществом оптических пар является их компактность, которая позволяет их применение в микроэлектронике.

Оптическая пара состоит из излучателя света, среды, проводящей световой поток, и приемника света, который преобразует его в сигнал электрического тока. Сопротивление выхода и входа в оптроне очень велико, и может достигать нескольких миллионов Ом.

Принцип действия оптрона довольно простой. От светодиода выходит световой поток и направляется на фототранзистор, который воспринимает его и осуществляет дальнейшую работу в соответствии с этим световым сигналом.

Более подробно работа оптопары выглядит следующим образом. Входной сигнал поступает на светодиод, который излучает свет по световоду. Далее световой поток воспринимается фототранзистором, на выходе которого создается перепад или импульс электрического тока выхода. В результате выполняется гальваническая развязка цепей, которые связаны с одной стороны со светодиодом, а с другой – с фототранзистором.

Диодная оптопара

В этой паре источником светового потока является светодиод. Такая пара может применяться вместо ключа и работать с сигналами частотой в несколько десятков МГц.

При необходимости передачи сигнала источник подает на светодиод питание, в результате чего излучается свет, попадающий на фотодиод. Под действием света фотодиод открывается и пропускает через себя ток.

Приемник воспринимает появление тока как рабочий сигнал. Недостатком диодных оптопар является невозможность управления повышенными токами без вспомогательных элементов. Также к недостаткам можно отнести их малый КПД.

Транзисторная оптопара

Такие оптические пары имеют повышенную чувствительность, в отличие от диодных, а значит, являются более экономичными. Но их скорость реакции и наибольшая частота соединения оказывается меньше. Транзисторные оптические пары обладают незначительным сопротивлением в открытом виде, и большим в закрытом состоянии.

 

Управляющие токи для транзисторной пары выше выходного тока диодной пары. Транзисторные оптроны можно применять разными способами:
  • Без вывода базы.
  • С выводом базы.

Без вывода базы коллекторный ток будет напрямую зависеть от тока светодиода, но транзистор будет иметь длительное время отклика, так как цепь базы всегда открыта.

В случае с выводом базы есть возможность увеличить скорость реакции подключением вспомогательного сопротивления между эмиттером и базой транзистора. Тогда возникает эффект, при котором транзистор не переходит в состояние проводимости до тех пор, пока диодный ток не достигнет значения, необходимого для падения напряжения на резисторе.

Такая гальваническая развязка обладает некоторыми преимуществами:

  • Широкий интервал напряжений развязки (до 0,5 кВ). Это играет большую роль в проектировании систем ввода информации.
  • Гальваническая развязка может функционировать с высокой частотой, достигающей нескольких десятков МГц.
  • Компоненты схемы такой развязки имеют незначительные габаритные размеры.

При отсутствии гальванической изоляции наибольший ток, который проходит между цепями, может ограничиться только малыми электрическими сопротивлениями. В результате это приводит к возникновению выравнивающих токов, которые причиняют вред элементам электрической цепи и работника, которые случайно прикасаются к незащищенному электрооборудованию.

Похожие темы:

Гальваническая развязка в картинках / Силовая электроника / Сообщество разработчиков электроники

Судя по нескольким недавним постам, неплохо бы осветить, что такое гальваническая развязка и зачем она нужна. Итак:
Гальваническая развязка — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними.

А теперь, давайте на примерах 🙂

Пример 1. Сеть
Чаще всего о гальванической развязке говорят применительно к сетевому питанию, и вот почему. Представьте себе, что вы ухватились рукой за провод из розетки. Ваше «подключение» с точки зрения электричества выглядит вот так:

И, да, тока утечки тапочек вполне хватит, чтобы вы почувствовали «удар» при прикосновении к «фазовому» проводу сети. Если тапочки сухие, то такой «удар», обычно, безвреден. Но, если вы стоите босяком на влажном полу, последствия могут быть весьма плачевными.

Совсем другое дело, если в схеме присутствует трансформатор:

Если прикоснуться к одному из выводов трансформатора, через вас ток не потечет — ему просто некуда течь, второй вывод трансформатора висит в воздухе. Если, конечно, схватиться за оба вывода трансформатора, и он выдает достаточное напряжение, то долбанет и так.

Итак, в данном случае, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Кроме трансформатора есть еще куча разных способов передать сигнал, не создавая электрического контакта:

  • Оптический: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи
  • Радио: приемники, передатчики
  • Звуковой: динамик, микрофон
  • Емкостный: через конденсатор очень маленькой емкости
  • Механический: мотор-генератор
  • Можно еще понавыдумывать

Пример 2. Осциллограф
Есть прямо мега-классический способ взорвать пол-схемы. На форуме даже есть соответствующий топик. Дело в том, что многие забывают, что осциллограф (и многое другое оборудование) соединен с землей. Вот как выглядит полная картина при подключении осциллографа в схему, питающуюся прямо от сети:

Запомните — как только вы что-то подключаете в схему, оно становится частью схемы! Это справедливо и для различного измерительного оборудования.

Правильный способ измерить в что-то в такой схеме — подключить ее через развязывающий трансформатор 220->220:

Перевертыши
Готовые трансформаторы 220->220 найти довольно сложно. Поэтому, можно использовать так называемые перевертыши. Перевертыш — это два трансформатора, к примеру 220->24, выключенные последовательно вот так:

Как это выглядит на практике, вы наверняка видели в прошлой статье:

Перевертыши — это даже лучше, чем один трансформатор 220->220.

  • Они обеспечивают вдвое меньшую емкость между входом и выходом
  • Среднюю часть можно заземлить, и, таким образом очень неплохо отфильтровать помехи из сети
  • Можно включить 3 трансформатора, и тогда можно получить 440 или 110 вольт

Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течет и тем лучше.
Песенка
Давным давно я на тему гальванической развязки даже песенку записал. Песенка под спойлером.

Песня, ее текст и объяснения

Эту мини-песенку я записал когда я занимался разной аудио-электроникой. Один товарисч сделал ламповую гитарную примочку и, подумав, что трансформатор который превращает 220 в 220 совершенно бесполезен, выбросил его из схемы, за что и поплатился. Я подумал, что это — вполне себе тема для метальной мини-песенки.

Привет, Олдфаг! Твой браузер не поддерживает html5! Обновись!

Ты не поставил трансформатор анодный
Запитал непосредственно из сети
Под ногой была батарея
А рукой гитару схватил ты

Ток пронзает бренное тело
Извивается бренная плоть
Ты не можешь разжать свою руку
Ты один и никто не может помочь

Разрывая и выжигая
Электроны сжимают сердце твое
Будет биться или утихнет?
Безопасность, запомни, превыше всего.


Кстати, кроме развязки в этой мелкой песенке еще два неплохих совета:
  • Да, все работы с сетевым напряжением нужно выполнять как минимум вдвоем.
  • Когда бьет током, рука сжимается, поэтому, сначала к приборам лучше прикасаться тыльной стороной правой руки.

Заключение
Естественно, на этом тема развязки не заканчивается. К примеру, через развязку очень сложно передавать быстрые сигнал. Но про это — немного попозже.

Решение проблемы заземления газового котла. Гальваническая развязка.

Современное газовое отопительное оборудование требует подключения к сети с заземлением. Однако практически весь старый жилой фонд оборудован двухпроводной сетью 220 В без заземления, а в этом случае обеспечить нормальную работу котла крайне затруднительно.

В северных частях земного шара необходимость в отоплении с помощью газового котла очень остра. Но данный аппарат, если он энергозависимый от электричества, очень требователен к качеству подаваемого электрического тока. Да, первая проблема — напряжение. Оно порой занижено или повышено. А иногда вовсе скачет, например, из за соседского электрического котла, во время его включений и выключений. На этот случай обязательно в сеть врезается стабилизатор напряжения. Проблема решена.
Вторая проблема — временные перебои электричества. Так как вся автоматика газового котла, а также циркуляционный насос, нуждаются в электрическом токе, долгие отключения напряжения вызовут проблемы теплоснабжения. Здесь могут помочь генераторы, работающие от бензинового или дизельного топлива, или специальный источник бесперебойного питания от фирмы «Востоктехторг», работающий от аккумуляторов 12 Вольт.
И, наконец, третья проблема — заземление.

Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством[1]. В электротехнике при помощи заземления добиваются снижения напряжения прикосновения до безопасного для человека и животных значения.
Искусственное заземление — это преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.
Заземляющее устройство (ЗУ) состоит из заземлителя (проводящей части или совокупности соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду) и заземляющего проводника, соединяющего заземляемую часть (точку) с заземлителем. Заземлитель может быть простым металлическим стержнем (чаще всего стальным, реже медным) или сложным комплексом элементов специальной формы.
Качество заземления определяется значением сопротивления заземления / сопротивления растеканию тока (чем ниже, тем лучше), которое можно снизить, увеличивая площадь заземляющих электродов и уменьшая удельное электрическое сопротивление грунта: увеличивая количество заземляющих электродов и / или их глубину; повышая концентрацию солей в грунте, нагревая его и т. д.
Электрическое сопротивление заземляющего устройства различно для разных условий и определяется / нормируется требованиями ПУЭ и соответствующих стандартов.

Российская проблема. Заземление есть, но лучше бы его не было — помехи, наводки, блуждающие токи, напряжение на шине «земля» до 127 В. Увы — это не редкость.
В Якутии все еще сложнее. Для вечномерзлого грунта, температура которого всегда составляет -3 -5 С°, характерно удельное сопротивление в 10-50 тысяч Ом*м. Чтобы достигнуть необходимого сопротивления заземления в таких условиях — необходимо смонтировать количество заземляющих электродов в десятки раз превышающее количество электродов, необходимое в обычном грунте. Т.е. не 4 — 6 электродов, а 40 — 60. Что зачастую просто не выполнимо.
Но все не так пессимистично, как кажется. Решение этих проблем есть — гальваническая развязка.

Гальваническая развязка — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними. Гальванические развязки используются для передачи сигналов, для бесконтактного управления и для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.
Гальваническая развязка позволяет обеспечить, в частности, независимость сигнальной цепи, поскольку формируется независимый контур тока сигнальной цепи относительно контуров токов других цепей, например силовой цепи, при проведении измерений и в цепях обратной связи. Такое решение полезно для обеспечения электромагнитной совместимости: повышается помехозащищенность и точность измерений. Гальваническая изоляция входа и выхода устройств зачастую улучшает их совместимость с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке.

В нашем каталоге включено специальное устройство, позволяющее выполнять гальваническую развязку или сопряжение цепи питания приборов системы отопления и цепи сетевого электропитания дома. Это устройство позволяет выполнять правильное и безопасное подключение оборудования в домах, где «заземление» не предусмотрено, или качество заземления не удовлетворяет показателям технических нормативов.
Эффективность работы данного прибора была подтверждена в ходе лабораторных испытаний устройства, проведенных инженерами международных электротехнических лабораторий по заданию известных мировых производителей газового теплового оборудования. В ходе этих испытаний было показано полное соответствие требованиям по электропитанию современного газового оборудования.
Инженеры таких известных компаний как Ariston, Bosch, Baxi, Buderus, Vaillant, рекомендуют использование устройства гальванического сопряжения для организации безопасного электропитания теплового оборудования данных брендов.

Устройство гальванической трансформаторной развязки позволяет:

  •  эффективно использовать тепловое оборудование при отсутствии постоянного заземления на объекте
  • обеспечить безопасную эксплуатацию газового оборудования в случае аварийных ситуаций в электрической сети, включая случаи изменения фазировки внешнего электропитания
  • уменьшить вероятность поражения электрическим током пользователей подключенных приборов в аварийных ситуациях.

И в заключенни короткое представление прибора от нашего сервисного центра:

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о