Одним из эффективных способов повышения качества питания электротехники и её защиты от неблагоприятных режимов работы электросети является гальваническая развязка. Её широко применяют в оборудовании спутниковой связи, промышленной автоматизации, в других системах, для которых важна высокая стабильность и качество питания.
Что такое гальваническая развязка цепей простыми словами
Стандартное определение гласит, что гальванической развязкой называют осуществляемую между двумя разделёнными электроцепями передачу энергии или управляющего сигнала. При этом отсутствует прямой электрический контакт между такими цепями. Человеку, далекому от электротехники бывает непросто понять этот термин.
Если раскрыть его проще, то гальваническая развязка (изоляция) ― этот особый способ организации связи между двумя электроцепями. При её задействовании от одной цепи производится передача переменного или постоянного электрического тока или управляющего импульса к другой цепи без прямого электроконтакта между ними. Это означает, что цепи не соединяются друг с другом проводами, но энергия или импульсы между ними передаются.
Широкое применение гальваноразвязка получила в управляющих системах разного типа, источниках питания, в современном оборудовании для обеспечения связи.
Если раскрыть его проще, то гальваническая развязка (изоляция) ― этот особый способ организации связи между двумя электроцепями. При её задействовании от одной цепи производится передача переменного или постоянного электрического тока или управляющего импульса к другой цепи без прямого электроконтакта между ними. Это означает, что цепи не соединяются друг с другом проводами, но энергия или импульсы между ними передаются.
Широкое применение гальваноразвязка получила в управляющих системах разного типа, источниках питания, в современном оборудовании для обеспечения связи.
Зачем нужна гальваническая развязка
Применение гальваноразвязки в электротехническом оборудовании позволяет решать ряд ключевых задач при построении электроцепей:
Создание независимой сигнальной цепи
Включение в электросхему гальванической развязки обеспечивает создание контура тока сигнальной цепи, который не зависит от других контуров тока, образующихся при подключении электроприборов разного типа. Одним из наиболее распространённых вариантов является обособление сигнальной цепи с малым вольтажом от силовой цепи, в которой действует высокое рабочее напряжение. Это решает ряд основных проблем, связанных с электромагнитной совместимостью, в том числе:
Благодаря гальванической изоляции входного или выходного модуля электротехнического устройства, удаётся улучшить его совместимость и обеспечить стабильное взаимодействие с другими приборами в условиях возможного воздействия электромагнитных помех.
В электронных системах сбора данных, которые также называют многоканальными, может применяться групповая или поканальная гальваноразвязка. В первом случае она работает сразу на несколько измерительных каналов, во втором случае — применяется индивидуальная развязка для каждого отдельного канала измерений.
- повышение помехозащищенности;
- улучшение соотношения сигнал / шум в управляющей цепи;
- увеличение точности проводимых измерений.
Благодаря гальванической изоляции входного или выходного модуля электротехнического устройства, удаётся улучшить его совместимость и обеспечить стабильное взаимодействие с другими приборами в условиях возможного воздействия электромагнитных помех.
В электронных системах сбора данных, которые также называют многоканальными, может применяться групповая или поканальная гальваноразвязка. В первом случае она работает сразу на несколько измерительных каналов, во втором случае — применяется индивидуальная развязка для каждого отдельного канала измерений.
Электробезопасность при работе с оборудованием
Одна из важнейших задач, для решения которой в современной электротехнике служит гальваническая развязка, состоит в обеспечении электробезопасности в соответствии с нормами ГОСТ 52 319–2005. Этим стандартом устанавливаются требования к устойчивости изоляции в электрооборудовании управления и в измерительных системах.
Гальваническая развязка даёт возможность защитить людей, работающих с электрооборудованием, от поражения электротоком. Она рассматривается как одна из составляющих в общем комплексе мер по поддержанию электрической безопасности. Это означает, что гальваноразвязка применяется совместно с другими мерами и способами защиты, включая заземление, использование предохранительного оборудования, цепей ограничения вольтажа и силы тока и т. д.
Гальваническая развязка даёт возможность защитить людей, работающих с электрооборудованием, от поражения электротоком. Она рассматривается как одна из составляющих в общем комплексе мер по поддержанию электрической безопасности. Это означает, что гальваноразвязка применяется совместно с другими мерами и способами защиты, включая заземление, использование предохранительного оборудования, цепей ограничения вольтажа и силы тока и т. д.
Исключение паразитных токов
Включение в схему гальванической изоляции даёт возможность исключить возникновение по заземляющей шине паразитных токов. Они возникают в результате разности потенциалов в отдельных участках цепи. Гальваноразвязка ― эффективное решение проблемы паразитных токов. Их исключение позволяет устранять вызываемые ими индуктивные наводки.
Уменьшение напряжения синфазных помех
Гальваническая развязка позволяет снизить напряжение синфазной помехи, возникающее на входе дифференциального приёмника сигнала аналогового типа. Такие помехи распространяются в одном направлении по всем линиям и далее ― к земляному проводнику. Они образуются в результате действия паразитных ёмкостей, возникающих между элементами системы.
Защита входных и выходных цепей
Использование гальваноразвязки даёт возможность эффективно защитить входные и выходные цепи от пробоя. Риск такого пробоя возникает в результате воздействия высокого синфазного напряжения.
Устройство гальванической развязки
Гальваническая развязка, как электротехническое оборудование, может иметь обособленное или встроенное исполнение.
В первом случае — это отдельный электрический прибор, который подключается к цепи. Например, это может быть разделяющий трансформатор, выполненный в собственном корпусе.
При встроенном исполнении гальваноразвязка представляет собой элемент, размещённый на печатной плате электроприбора. Так этот компонент в составе прибора может разделять части его схемы с высоким и низким рабочим напряжением, одновременно обеспечивая между ними связь. Его использование исключает прохождение тока большой величины на часть с низким напряжением, например, в случае короткого замыкания.
В первом случае — это отдельный электрический прибор, который подключается к цепи. Например, это может быть разделяющий трансформатор, выполненный в собственном корпусе.
При встроенном исполнении гальваноразвязка представляет собой элемент, размещённый на печатной плате электроприбора. Так этот компонент в составе прибора может разделять части его схемы с высоким и низким рабочим напряжением, одновременно обеспечивая между ними связь. Его использование исключает прохождение тока большой величины на часть с низким напряжением, например, в случае короткого замыкания.
Как работает гальваническая развязка
Гальваноразвязка позволяет осуществлять передачу электрической энергии или сигнального импульса между электроцепями, которые не имеют непосредственного контакта друг с другом. При этом принцип такой передачи зависит от типа применяемой гальванической изоляции.
В гальваноразвязке трансформаторного типа ток подаётся на первичную обмотку. Возникает переменное магнитное поле, формирующее магнитный поток в замкнутом сердечнике. Под действием индукции возникает переменный ток, протекающий по вторичной обмотке.
В развязке оптоэлектронного типа поступающий входной сигнал подаётся на светодиод. Под действием тока светодиод испускает световой поток, который проходит по передающей линии и попадает на фототранзистор. Под воздействием света на электродах фототранзистора возникает перепад напряжения или импульс тока.
В гальваноразвязке трансформаторного типа ток подаётся на первичную обмотку. Возникает переменное магнитное поле, формирующее магнитный поток в замкнутом сердечнике. Под действием индукции возникает переменный ток, протекающий по вторичной обмотке.
В развязке оптоэлектронного типа поступающий входной сигнал подаётся на светодиод. Под действием тока светодиод испускает световой поток, который проходит по передающей линии и попадает на фототранзистор. Под воздействием света на электродах фототранзистора возникает перепад напряжения или импульс тока.
Типы гальванической развязки
В зависимости от исполнения и принципа действия гальванические развязки бывают следующих типов:
Трансформаторная развязка
Этот тип гальваноизоляции является самым старым и универсальным. Он может служить для передачи между разделяемыми электроцепями как электрической энергии, так и сигналов управления. При использовании этого вида развязки между разделяемыми цепями поддерживается только индуктивная связь. Обмотки, подключённые к каждой из сетей, имеют одинаковое число и толщину витков. Между собой они разделяются слоем фольги, подключённой к заземляющей линии.
При протекании электротока по первичной обмотке разделительного трансформатора создаётся магнитное поле, генерирующее электродвижущую силу во вторичной обмотке. В результате по ней тоже начинает протекать электроток.
Принцип действия трансформаторной развязки обуславливает возможность её применения только в сетях переменного тока.
При протекании электротока по первичной обмотке разделительного трансформатора создаётся магнитное поле, генерирующее электродвижущую силу во вторичной обмотке. В результате по ней тоже начинает протекать электроток.
Принцип действия трансформаторной развязки обуславливает возможность её применения только в сетях переменного тока.
Оптоэлектронные и оптические развязки, оптроны
Сегодня это самый распространённый тип гальваноразвязки. Принцип её действия не предусматривает возможность передачи между цепями электроэнергии. Она служит только для передачи сигналов управления переменного или постоянного тока.
Конструкция такой развязки состоит из первичного и вторичного элементов. Первичный элемент излучает световой поток, вторичный ― принимает его. Такой комплект называется оптрон, или оптопара. При подаче питания на светодиод он начинает излучать световой импульс, который через оптоволоконный кабель поступает на вторичный элемент. На его электродах возникает соответствующий электрический импульс.
Конструкция такой развязки состоит из первичного и вторичного элементов. Первичный элемент излучает световой поток, вторичный ― принимает его. Такой комплект называется оптрон, или оптопара. При подаче питания на светодиод он начинает излучать световой импульс, который через оптоволоконный кабель поступает на вторичный элемент. На его электродах возникает соответствующий электрический импульс.
Ёмкостная гальваническая развязка
Емкостная или конденсаторная гальваническая развязка, как и оптоэлектронная, не может служить для передачи между разделяемыми цепями электрической энергии. Её используют только для передачи между цепями сигналов управления высокой частоты.
Для создания такой развязки применяют разделительные конденсаторы малой ёмкости. Они не проводят постоянный ток, а для переменного тока оказывают значительное сопротивление. Это позволяет защитить управляющую цепь от воздействия токов высокого напряжения. При этом сопротивление для высокочастотных сигналов управления оказывается незначительным и практически не влияет на их прохождение.
Для создания такой развязки применяют разделительные конденсаторы малой ёмкости. Они не проводят постоянный ток, а для переменного тока оказывают значительное сопротивление. Это позволяет защитить управляющую цепь от воздействия токов высокого напряжения. При этом сопротивление для высокочастотных сигналов управления оказывается незначительным и практически не влияет на их прохождение.
Как сделать гальваническую развязку по питанию
Гальваническая развязка по питанию осуществляется, как правило, в микросборках. В сетях переменного тока применяются приборы с классической схемой трансформаторной гальваноразвязки.
Более сложным будет устройство микросборки для работы в сетях постоянного тока. В таких сборках используется изолированный DC/DC-преобразователь. В такой схеме прямоугольные электроимпульсы генерируются H-образным мостом и подаются на первичную обмотку, проходя через защитный конденсатор. На вторичной обмотке применяется выпрямитель, изготовленный из пары диодов и пары конденсаторов. В отличие от традиционного выпрямителя с 4 диодами такая схема уменьшает потери, вызванные прямым падением напряжения.
Поступающим от выпрямителя током обеспечивается заряд сглаживающего конденсатора. От него запитан линейный стабилизатор с малой величиной прямого падения. На его выходе размещается еще один конденсатор.
Разделительный трансформатор имеет тороидальный ферритовый сердечник. Первичная и вторичная обмотки защищены тефлоновой изоляцией. Трансформатор залит диэлектриком, что обеспечивает ему необходимую механическую прочность.
Более сложным будет устройство микросборки для работы в сетях постоянного тока. В таких сборках используется изолированный DC/DC-преобразователь. В такой схеме прямоугольные электроимпульсы генерируются H-образным мостом и подаются на первичную обмотку, проходя через защитный конденсатор. На вторичной обмотке применяется выпрямитель, изготовленный из пары диодов и пары конденсаторов. В отличие от традиционного выпрямителя с 4 диодами такая схема уменьшает потери, вызванные прямым падением напряжения.
Поступающим от выпрямителя током обеспечивается заряд сглаживающего конденсатора. От него запитан линейный стабилизатор с малой величиной прямого падения. На его выходе размещается еще один конденсатор.
Разделительный трансформатор имеет тороидальный ферритовый сердечник. Первичная и вторичная обмотки защищены тефлоновой изоляцией. Трансформатор залит диэлектриком, что обеспечивает ему необходимую механическую прочность.
Как сделать гальваническую развязку по передаче данных
Традиционным методом создания гальванической развязки в цепях передачи данных является использование оптронов. Однако, благодаря современным полупроводниковым технологиям, сегодня часто используются в качестве альтернативы оптическим парам цифровые изоляторы. Это микросхемы, которые поддерживают определённое число изолированных каналов, обладающих более высокой скоростью и точностью передачи сигнала по сравнению с оптической парой, отличающихся лучшей помехоустойчивостью.
Цифровые изоляторы могут строиться по разным принципам. Одна из принципиальных схем предусматривает использование импульсного трансформатора, который располагается в корпусе микросхемы отдельно на диэлектрической пленке. Также в корпусе расположена пара кристаллов, один из которых является передатчиком, а второй ― приёмником. Передатчик формирует два импульса по фронту проходящего управляющего сигнала, и один импульс ― по его спаду. Импульсный трансформатор даёт возможность получать соответствующие импульсы на приёмнике.
Более высокая степень помехоустойчивости достигается при использовании ёмкостных гальваноразвязок. Конденсаторы позволяют устранить связь между передатчиком и приёмником. Построенные на них развязки устойчивы к воздействию сторонних магнитных полей, отличаются малыми размерами. Кроме того, они отличаются повышенной энергоэффективностью.
Цифровые изоляторы могут строиться по разным принципам. Одна из принципиальных схем предусматривает использование импульсного трансформатора, который располагается в корпусе микросхемы отдельно на диэлектрической пленке. Также в корпусе расположена пара кристаллов, один из которых является передатчиком, а второй ― приёмником. Передатчик формирует два импульса по фронту проходящего управляющего сигнала, и один импульс ― по его спаду. Импульсный трансформатор даёт возможность получать соответствующие импульсы на приёмнике.
Более высокая степень помехоустойчивости достигается при использовании ёмкостных гальваноразвязок. Конденсаторы позволяют устранить связь между передатчиком и приёмником. Построенные на них развязки устойчивы к воздействию сторонних магнитных полей, отличаются малыми размерами. Кроме того, они отличаются повышенной энергоэффективностью.
Применение гальванической развязки в спутниковых системах связи
Современные гальванические развязки широко применяются при организации систем спутниковой связи. Они обеспечивают эффективную защиту спутникового оборудования от повреждения в результате нештатного воздействия высокого напряжения. Гальваноразвязка делает работу спутниковой тарелки безопасной, поскольку искусственно ограничивает передачу электроэнергии между цепями.
Защита спутниковой антенны при помощи гальванической развязки исключает попадание в цепь сторонних токов. Это предотвращает повреждение оборудования и исключает риски получения удара током пользователями.
Защита спутниковой антенны при помощи гальванической развязки исключает попадание в цепь сторонних токов. Это предотвращает повреждение оборудования и исключает риски получения удара током пользователями.
Какие параметры гальваноразвязки учесть при проектировании цепи
При создании схем цепей, в которых задействуются гальванические развязки, необходимо учитывать ряд параметров этих устройств, которые могут существенно влиять на работу оборудования.
Параметры гальванического барьера
Основной параметр гальванической изоляции ― паразитическая ёмкость, возникающая между изолированными цепями. Она определяет степень устойчивости гальваноразвязки к прохождению синфазных помех.
При изменении напряжения, действующего между сторонами гальванической изоляции, возникает ток заряда паразитической ёмкости, который проходит по электроцепям с обеих её сторон. При этом происходит падение напряжения на резисторах. Такое падение является помехой. Напряжение и электроток такой помехи будут тем выше, чем больше значение паразитической ёмкости и выше скорость, с которой изменяется напряжение между сторонами развязки.
Для схемы, включающей гальваническую развязку, можно рассчитать предельную скорость изменения напряжения между сторонами, при которой величина синфазной помехи будет оставаться в пределах допустимого. Это значение обязательно учитывается при построении схемы.
При изменении напряжения, действующего между сторонами гальванической изоляции, возникает ток заряда паразитической ёмкости, который проходит по электроцепям с обеих её сторон. При этом происходит падение напряжения на резисторах. Такое падение является помехой. Напряжение и электроток такой помехи будут тем выше, чем больше значение паразитической ёмкости и выше скорость, с которой изменяется напряжение между сторонами развязки.
Для схемы, включающей гальваническую развязку, можно рассчитать предельную скорость изменения напряжения между сторонами, при которой величина синфазной помехи будет оставаться в пределах допустимого. Это значение обязательно учитывается при построении схемы.
Излучение электромагнитных помех
Электронные приборы с гальваноразвязкой, как правило, имеют две отдельные цепи «земли». При этом их проводники располагаются так, что не связанные гальванически части оказываются на максимальном расстоянии друг от друга. Такая конструкция может выступать в качестве дипольной антенны. Если при работе развязки между развязанными сторонами схемы появляется паразитическая ёмкость, эта «антенна» излучает помехи.
Для устранения этих помех в тех частях схемы, на которые такие помехи могут негативно воздействовать, можно установить конденсатор. Его ёмкость должна значительно превышать суммарную паразитическую ёмкость.
Для устранения этих помех в тех частях схемы, на которые такие помехи могут негативно воздействовать, можно установить конденсатор. Его ёмкость должна значительно превышать суммарную паразитическую ёмкость.
Чувствительность к электромагнитным помехам
Важным свойством электромагнитных антенн является их обратимость. Если антенна хорошо принимает сигнал, она способна и хорошо излучать его, и наоборот. Соответственно, гальванические развязки, которые излучают помехи с высокой мощностью, очень чувствительны к внешним помехам. Микросборки развязок, которые излучают помехи с минимальной мощностью, отличаются минимальной чувствительностью к внешним помехам. Ошибки в передаче данных приборов, оборудованных гальваноразвязкой, будут возникать в тех случаях, если напряжение, которое возникает в результате воздействия внешних помех, оказывается сопоставимо с напряжением полезного сигнала.
Устойчивость к электростатическим разрядам
При воздействии на схему электростатических разрядов могут возникать всплески напряжения, которые вызывают нарушения работы разделяющего прибора. Также опасные колебания напряжения могут возникать в результате других явлений, в том числе, при разрыве токоведущего проводника, например, в случае разъединения разъёма.
В связи с этим все гальванические развязки, задействованные для создания электронных схем, должны проходить испытания на устойчивость к воздействию электростатических разрядов. В ходе таких испытаний определяется максимальная величина электростатического разряда, который выдерживает гальваноразвязка.
В связи с этим все гальванические развязки, задействованные для создания электронных схем, должны проходить испытания на устойчивость к воздействию электростатических разрядов. В ходе таких испытаний определяется максимальная величина электростатического разряда, который выдерживает гальваноразвязка.
