Что такое гальваническая развязка

Способы гальванической развязки

Воспользуйтесь строкой поиска,
чтобы найти нужный материал

Главная Схемотехника Способы гальванической развязки.

Классическое определение гальванической развязки звучит следующим образом:Гальваническая развязка — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними.

Но думаю у новичков после прочтения этого определения возникают вопросы:Как это сделать и для чего это надо?

Сделать это можно многими способами, например, с помощью трансформатора.

На картинке видно, что обмотки трансформатора между собой не связаны проводом, а энергия передается с помощью магнитного поля.Гальваническая развязка с помощью трансформатора не требует большого количества знаний и позволяет с помощью магнитного поля передавать энергию для питания устройств и сигнал.

Но у этого способа гальванической развязки есть недостатки:

  • работает в определенной полосе частот;
  • работает только с переменным напряжением;

Другой не менее популярный способ реализации гальванической развязки с помощью оптрона, в котором сигнал передаётся с помощью света.

Этот способ гальванической развязки имеет низкий КПД из-за двойного преобразования(электричество — свет— электричество), что не позволяет использовать его для передачи большого количества энергии, а только для передачи сигнала.То есть с помощью трансформатора можно преобразовать напряжение с 220 в 12 вольт и от 12 вольт запитать необходимое устройство, а с помощью оптрона нельзя.

Ещё один интересный способ гальванической развязки реализуется с помощью датчиков, работающих на эффекте Холла. Принцип работы датчика Холла заключается в том, что он реагирует на изменение магнитного поля и вырабатывает напряжение, пропорциональное величине наведенной магнитной индукции.

Хотелось бы отметить что датчики Холла бывают двух типов: аналоговые и цифровые. Аналоговые преобразуют индукцию магнитного поля в напряжение величина которого зависит от полярности и силы поля, а цифровые определяют лишь факт наличия поля.

Использование аналогового датчика Холла позволяет делать приборы, которые могут измерять постоянный ток, протекающий по проводу, без непосредственного контакта с самим проводом.Цифровой датчик Холла можно встретить в компьютерном кулере.

Так для чего это всё-таки надо?

Гальваническая развязка применяется для решения следующих задач:

  • обеспечение независимости сигнальной цепи, тем самым улучшается помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения;
  • обеспечение безопасности при работе людей с электрическим оборудованием;

На этом всё.

Источник: hubstub.ru

Источник: https://hubstub.ru/circuit-design/135-sposoby-galvanicheskoy-razvyazki.html

Гальваническая развязка мифорелиста

В одном из постов на форуме www.rza.org.ua написано:

Во-первых, гибридный контакт не обеспечивает гальванической развязки обесточенной цепи, что недопустимо с точки зрения безопас-ности обслуживающего персонала, которому об этом ничего не известно (шрифтовое выделение моё. ОГЗ)

        В процитированном отрывке обратим внимание на два момента:

                — безопасность обслуживающего персонала;

                — которому (персоналу) об этом ничего не известно.

В начале приведем ещё одну цитату из Википедии

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.

Узнать из поста, какие же обесточенные цепи должны быть гальванически «развязаны» невозможно, как невозможно узнать о том, зачем нужно «развязывать» обесточенные цепи.

Обратимся к документу [1], устанавливающему требования к микропроцессорным устройствам релейной защиты и где написано:

        Таким образом, необходимо разделять внутренние цепи цифрового устройства релейной защиты (ЦРЗА) от цепей аппаратов и устройств, на входы которых поступают сигналы от ЦРЗА.

        Следует также учесть, что напряжение внутренних цепей ЦРЗА не превышает 24 В и, согласно действующим стандартам, относится к безопасному сверхнизкому напряжению [2].

        Следовательно, опасность для обслуживающего персонала представляют внешние цепи, подходящие к ЦРЗА.

В связи с тем, что разрыв внешней цепи контактом электромеханического реле не гарантирует отсутствие напряжения на всех проводниках, подходящих к его выводам, нельзя утверждать, что использование электромеханического реле обеспечивает большую безопасность, чем применение «гибридного контакта».

        Поэтому нужно говорить о том, что всё написанное в рассматриваемом посте о безопасности персонала не имеет отношения к действительности и представляет очередную выдумку Электрика.

        Что же касается гальванической развязки внешних и внутренних цепей для обеспечения помехозащищенности ЦРЗА, то это обеспечивается совсем другими схемными решениями, не связанными с наличием или отсутствием «гибридного контакта».

        И ещё. Электрику, использующему ЦРЗА, наверное, всё-таки необходимо ознакомиться с руководством по его эксплуатации, а не писать перл: «которому  об этом ничего не известно».

Если же Электрику удалось встретить такое РЭ, где ничего не сказано о типе выходных контактов, желательно дать соответствующие ссылки на документ.

В документации ЦРЗА, выпускаемых НТЦ «Механотроника», содержится вся необходимая информация о выходных контактах.<\p>

1.РД 34.35.310-97. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. М.: ОРГРЭС, 1997 ( с изменением №1).

2. Напряжение (электрическое напряжение)

Источник: http://miforelist.narod.ru/Illiteracy/galvani.htm

Гальваническая развязка

Так осуществляется гальваническая развязка цепей, одна из которых связана со светодиодом, а другая — с фототранзистором. Итак, в данном случае, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Давным давно я на тему гальванической развязки даже песенку записал.

Развитие технологии полупроводниковых устройств в последние годы расширяет возможности построения оптоэлектронных узлов развязки, основанных на оптронах. Обеспечивающий развязку прибор специально ограничивает передачу энергии от одной цепи к другой.

На форуме даже есть соответствующий топик. Дело в том, что многие забывают, что осциллограф (и многое другое оборудование) соединен с землей.

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

Металл жалла вплавился в стекло очков (благо что отец носит очки — это спасло глаза) и по всему лицу. Еще спасло то, что отвертка была правильная — изоляция ручки выдержала. Дааа!!! Так оно и есть! Включил осцилл через развязывающий трансформатор — УЗО выбивать перестало при любом положении вилки в розетке.

Отсюда все беды с заземлением; занулением; рельсами, растворяемые блуждающими токами; грозозащитой; убитыми детьми, которые гвозди в розетку сунули и так далее. Это правда? Распределенная емкость между этой упавшей фазой и неупавшей нейтралью увеличилась.

Работало отлично, вот только напрягало постоянно вылетающее УЗО. Благодаря этой статье проблема снята :)) Теперь ещё и осциллографы отвязаны. Кстати, к борьбе с шумами и помехами это тоже относится.

Естественно этот провод подключён и к осциллам, и ни о какой полной гальванической отвязке уже речи нет. Включил БП через развязывающий транс — беда исчезла. Здесь наглядно показано, что при нулевом напряжении на конденсаторе, через него проходит ток; по сути это КЗ. Т.е. о гальванической развязке говорить кагбэ не приходится.

В случае конденсаторного БП, это не только ток зарядки, а ещё и ток нагрузки. А в качестве нагрузки может быть и человек, если случайно прикоснется (16 мА 50 Гц считается «током неотпускания»).

Гальваническая связь это непосредственный электрический контакт между двумя проводниками.

И здесь все зависит от емкости, чем больше емкость тем больше ток, тем сильнее шарахнет человека, если он окажется включенным в цепь где текут заряды.

Пример 2. Осциллограф

Но почему меня тогда ударило, когда я был в тапках и на паласе? Причём результат почти не зависит от высоты здания «d» и тучности человека «a» (поиграйтесь с этими параметрами). В качестве такого прибора может использоваться трансформатор или оптрон. В обоих случаях цепи оказываются электрически разделёнными, но между ними возможна передача энергии или сигналов.

ГОСТ52319-2005), принятыми в данном конкретном случае. Школа для электрика — сайт для электриков, людей, имеющих электротехническое образование, стремящихся к знаниям и желающих совершенствоваться и развиваться в своей профессии.

Электроэнергетика и электротехника, промышленное электрооборудование. 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.

Если прикоснуться к одному из выводов трансформатора, через вас ток не потечет — ему просто некуда течь, второй вывод трансформатора висит в воздухе.

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.

1. Диф. вход осциллографа не знаю, а вот диф.щуп без общего провода работает на ура, для чего он собственно и создан. У меня отец все жизнь работает в цехах электроснабжения на больших заводах. Всегда по высокой стороне (минимум 10 КV) С детства помню его фразу — если лезешь на высокую сторону — всегда одной рукой. И желательно правой — если что — ток пройдет дальше от сердца.

И тут сунулся отверткой что-то прикрутить — вспышка. Причина — какому-то мудаку нужно было куда-то подать питание и он дернул тупо не тот рубильник. Оно то да, но в моем случае этот опыт обошолся почти в $100. В ноуте выгорел южный мост и еще повезло что быстро и недорого смог найти новую материнку. Поэтому было бы не плохо еще расписать важность и полезность заземления электроприборов.

В учебниках этого нет. Теперь понятно, почему у меня УЗО вышибает, когда я вилку от своей установки в розетку втыкаю. И перестаёт вышибать, если вилку на 180° перевернуть. Сергей, не подскажите, а можно ли не установку, а сам осциллограф через развязывающий трансформатор подключить, и убрать у осциллографа заземляющий провод?

А осцил немного потребляет, развязывающий транс для него маленький и незаметный получится.

Читайте также:  Определение соответствия выводных концов обмоток статора машин трехфазного тока

А зачем вообще на электростанции провод в землю зарывают? Наш покойный электронщик мне объяснял, что это делается для экономии проводов.

Проводящие слои почвы работают как нулевой провод в трёхфазной линии электроснабжения (т. к. сечение почвы большое, то и сопротивление у воображаемого провода маленькое).

Гальваническая изоляция входа и выхода устройств зачастую улучшает их совместимость с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В настоящее время очень широкое распространение получили два варианта гальванической развязки в схемах: трансформаторный и оптоэлектронный.

Также интересно:

Рыба

Источник: http://proslogogu.ru/galvanicheskaya-razvyazka/

Какая бывает гальваническая развязка

Название «гальваническая изоляция» или «гальваническая развязка» носит основной принцип гальванической (электрической) изоляции электрической цепи, которая рассматривается, по отношению к остальным электрическим цепям. С помощью гальванической развязки осуществляется передача сигнала или энергии от одной (рассматриваемой) электрической цепи к другой цепи, при этом отсутствует непосредственный электрический контакт между этими цепями.

Посредством гальванической развязки становится возможным сделать, например, сигнальную цепь независимой.

Это становится реально обеспечить, так как в целях обратной связи и при выполнении измерений происходит формирование независимого контура тока сигнальной цепи относительно контуров тока остальных цепей, к примеру, силовой.

Описанное решение прекрасно подходит для осуществления электромагнитной совместимости: увеличивается точность и помехозащищенность производимых измерений. Гальваническая изоляция выхода и входа устройств очень часто повышает их совместимость с остальными устройствами в условиях тяжелой электромагнитной обстановки.

Однозначно можно утверждать и то, что гальваническая развязка служит и для обеспечения безопасности людей при работе с электрическим оборудованием.

Но гальваническая развязка является только одной из мер, поэтому гальваническую изоляцию конкретной рассматриваемой цепи всегда требуется рассматривать обобщенно с остальными мерами обеспечения безопасности при работе с электрическими цепями.

К таким мерам также относятся: цепи ограничения тока и напряжения и защитное заземление.

Для того, чтобы на практике применить гальваническую развязку можно прибегнуть к разнообразным техническим решениям, например:

  • трансформаторная (индуктивная) гальваническая изоляция (развязка). Такая развязка используется для изоляции цифровых цепей и в трансформаторах;
  • оптическая развязка, выполненная с помощью оптореле или оптрона (оптопара). Это техническое решение как правило можно встретить на многих современных импульсных источниках питания;
  • емкостная гальваническая развязка. Она применяется в случаях, когда сигнал подается через конденсатор очень маленькой емкости;
  • электромеханическая развязка, которая осуществляется, например, с помощью электромеханического реле.

На сегодняшний день наиболее широкое распространение получили два основных варианта гальваноразвязки в схемах. Это оптоэлектронный и трансформаторный тип гальванической развязки. 

Для того, чтобы построить гальваническую развязку трансформаторного типа, необходимо использовать магнитоиндукционный элемент (трансформатор) без сердечника или с сердечником или без сердечника.

При этом выходное напряжение, которое снимается со вторичной обмотки этого трансформатора, должно быть пропорционально входному напряжению устройства.

Но следует помнить, что при претворении данного способа в жизнь, очень важно иметь в виду нижеперечисленные недостатки этого метода, а именно:

  • несущий сигнал создает помехи, которые могут влиять на выходной сигнал;
  • частота пропускания ограничивается частотной модуляцией развязки;
  • достаточно большие габариты.

Благодаря тому, что в последние годы произошло резкое развитие технологии полупроводниковых устройств, то увеличились и возможности построения оптоэлектронных узлов развязки, которые основаны на оптронах.

Принцип работы оптрона очень прост: фототранзистор воспринимает свет, который излучается светодиодом. Таким образом выполняется гальваническая изоляция цепей, если одна из этих цепей связана с фототранзистором, а другая — со светодиодом.

Рассмотренное техническое решение имеет целый ряд достоинств и преимуществ: развязка способна работать с сигналами частотой до десятков мегагерц, достаточно широкий диапазон напряжений развязки, а именно до 500 вольт, что является очень важным аспектом для построения систем ввода данных, и, конечно же, совсем небольшие габариты компонентов.

В случае, если принято решение не использовать гальваническую изоляцию, то максимальный ток, который протекает между цепями, ограничивается только относительно небольшими электрическими сопротивлениями.

Это может в результате привести к протеканию выравнивающих токов, которые будут способны причинить вред как людям, которые будут прикасаться к незащищенному оборудованию, так и компонентам цепи.

Прибор, который обеспечивает развязку, специально ограничивает передачу энергии от одной цепи к другой.

Источник: http://ruaut.ru/content/publikacii/electro/kakaya-byvaet-galvanicheskaya-razvyazka.html

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

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 поллимидной 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 это 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.

Читайте также:  Типы солнечных электростанций

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 Keyring) 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 добавит 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

Конец. Надеюсь было интересно)

ссылка на оригинал статьи http://geektimes.ru/post/266016/

Источник: http://savepearlharbor.com/?p=268551

Что такое гальваническая развязка

Доброго времени суток, в сегодняшней статье вы узнаете, что такое гальваническая развязка, пример гальванической развязки и три способа решения гальванической развязки.

Начнём наш рассказ с небольшого вступления и термина из википедии, что такое гальваническая развязка.

В мире электрических устройств часто возникает необходимость исключить электрическую связь между высоким силовым напряжением и низким напряжением цепей управления. Говоря простым языком, требуется создать защиту низковольтных устройств от напряжения силовых цепей в сотни, а также может и тысяч вольт.

С технической точки зрения это означает, что в такой системе или электрическом устройстве необходимо исключить протекание тока в общих цепях (что такое ток ← здесь). Так как ток будет отсутствовать, это может означать наличие большого омического сопротивления между общими проводами двух устройств, что приводит к разрыву цепи.

Эту проблему может решить гальваническая развязка – устройство, которое исключает гальваническую связь между электрическими устройствами.

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.

Пример гальванической развязки

Давайте представим обычный промышленный электрический двигатель. В условиях производства большинство двигателей имеет рабочее питающее напряжение выше 200В, что является опасно для жизнедеятельности персонала.

Поэтому при подаче электрического тока на обмотки, то есть включение двигателя, производят при помощи дополнительных устройств, которые коммутируют силовые цепи.

Если посмотреть с другой стороны, то коммутаторы также должны управляться, например, кнопкой, и при этом гальваническая развязка защищает оператора от поражения опасным напряжением.

Коммутирующих устройства такие как, контакторы и пускатели, являются устройствами, у которых конструкция исключает электрический контакт между входом и выходом, контакты катушки электромагнита и силовой контактной группы пускателя. Связь осуществляется через механическое взаимодействие магнитного поля с конструктивными элементами пускателя, что способствует высокому напряжению питания двигателя не попадает на пульт управления.

Другие варианты решения гальванической развязке

Первый способ решения гальванической развязки

Простым способом решения являются трансформаторы, благодаря которым легко решается гальваническая развязка по питанию. Широкое применение получил этот способ в электро радиотехнике бытового назначения. Напряжение питания бытовых приборов, является опасным для жизни деятельности человека.

Например, при отсутствии гальванической развязки между бытовой электросетью и платой обработки телевизионного сигнала, опасный для жизни потенциал будет находиться на всех металлических элементах конструкции телевизора, а доступ к внутренним деталям телевизора доступен всем самоделкам и их членов семьи.

Вопрос защиты от электрического напряжения для таких устройств решается довольно таки просто: на входе бытового прибора между ним и электросетью ставится трансформатор. Его первичная обмотка включается в сеть, а вторичная подает индуктированный в ней ток для питания телевизора.

Вот здесь и начинает действовать трансформатор, с его помощью реализуется гальваническая развязка аналогового сигнала, что широко используется в различных устройствах.

Второй способ решения гальванической развязки

В развитии силовых полупроводниковых приборах (что такое полупроводник ← здесь), широкое распространение получили коммутирующие устройства оптотиристоры с оптронным, световым каналом управления.

Входная управляющая цепь оптрона содержащая лампочку или светодиод, которые включаются при подаче сигнала управления. Световой поток поступает на светочувствительный управляющий электрод тиристора, который включает силовую цепь анод-катод.

При этом обеспечивается 100% отсутствие гальванической связи вход-выход.

Третий способ решения гальванической развязки

Другой вариант оптронных устройств представляют собой оптотранзисторы, которыми легко решается гальваническая развязка аналогового сигнала, например, в датчиках измерительных приборов.

Использование гальванических развязок в технике имеет значительно больший спектр решаемых задач.

Если вам понравилась статья, ставьте лайк и пишите свои комментарии. Так же у вас есть возможность подписаться на рассылку свежих новостей (справа под меню).

Источники: http://proelektrik.ucoz.ru/publ/stati/chto_takoe_galvanicheskaja_razvjazka/3-1-0-189

Источник: http://master-informa.ru/remont-nissan/krany/38934-chto-takoe-galvanicheskaya-razvyazka

Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи

Как уже отмечалось, электрические линии связи (витые пары, коаксиальные кабели) требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и вообще любое функционирование сети. Оптоволоконные кабели решают все подобные проблемы автоматически.

Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, так как скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень велики.

Принцип согласования кабеля прост: на его концах необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля.

Как уже упоминалось, волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и т.д.).

Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50—100 Ом для коаксиального кабеля, до 100—150 Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля.

Читайте также:  Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя

Точное значение волнового сопротивления легко можно измерить с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа как раз по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Обычно требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не превышало 10% в ту или другую сторону.

Если согласующее, нагрузочное сопротивление Rн меньше волнового сопротивления кабеля Rв, то фронт передаваемого прямоугольного импульса на приемном конце будет затянут, если же Rн больше Rв, то на фронте будет колебательный процесс (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Передача сигналов по электрическому кабелю

Сетевые адаптеры, их приемники и передатчики специально рассчитываются на работу с данным типом кабеля с известным волновым сопротивлением. Поэтому даже при идеально согласованном на концах кабеле, волновое сопротивление которого существенно отличается от стандартного, сеть, скорее всего, работать не будет или будет работать со сбоями.

Здесь же стоит упомянуть о том, что сигналы с пологими фронтами передаются по длинному электрическому кабелю лучше, чем сигналы с крутыми фронтами. Их форма значительно меньше искажается (Рисунок 3.2). Это связано с разницей величин затухания для разных частот (высокие частоты затухают сильнее).

Меньше всего искажается форма синусоидального сигнала, он просто уменьшается по амплитуде. Для улучшения качества передачи нередко используются трапециевидные или колоколообразные импульсы (Рисунок 3.

3), близкие по форме к полуволне синуса, для чего искусственно затягиваются или сглаживаются фронты изначально прямоугольных сигналов.

Рисунок 3.2 – Затухание сигналов в электрическом кабеле

Рисунок 3.3 – Трапециевидный и колоколообразный импульсы

Экранирование электрических линий связи применяется для снижения влияния на кабель внешних электромагнитных полей. Экран представляет собой медную или алюминиевую оболочку (плетеную или из фольги), в которую заключаются провода кабеля. Экранирование будет работать, если экран заземлен, поскольку необходимо, чтобы наведенные на него токи стекали на землю.

Кроме того, экранирование заметно уменьшает и внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности передаваемой информации. Побочными полезными эффектами экранирования являются увеличение прочности кабеля и трудности с механическим подключением к кабелю для подслушивания. Экран заметно повышает стоимость кабеля, но также его механическую прочность.

Снизить влияние наведенных помех можно и без экрана, если использовать дифференциальную передачу сигнала (Рисунок 3.4). В этом случае передача идет по двум проводам, причем оба провода являются сигнальными.

Передатчик формирует противофазные сигналы, а приемник реагирует на разность сигналов в обоих проводах. Условием согласования является равенство сопротивлений согласующих резисторов R половине волнового сопротивления кабеля Rв.

Если оба провода имеют одинаковую длину и проложены рядом (в одном кабеле), то помехи действуют на оба провода примерно одинаково, и в результате разностный сигнал между проводами практически не искажается.

Именно такая дифференциальная передача применяется обычно в кабелях из витых пар. Но экранирование и в этом случае существенно улучшает помехоустойчивость.

Рисунок 3.4 – Дифференциальная передача сигналов по витой паре

Гальваническая развязка компьютеров от сети при использовании электрического кабеля совершенно необходима. Дело в том, что по электрическим кабелям (как по сигнальным проводам, так и по экрану) могут идти не только информационные сигналы, но и так называемый выравнивающий ток, возникающий вследствие неидеальности заземления компьютеров.

Когда компьютер не заземлен, на его корпусе образуется наведенный потенциал около 110 вольт переменного тока (половина питающего напряжения). Его можно ощутить на себе, если одной рукой взяться за корпус компьютера, а другой за батарею центрального отопления или за какой-нибудь заземленный прибор.

При автономной работе компьютера отсутствие заземления, как правило, не оказывает серьезного влияния на его работу. Правда, иногда увеличивается количество сбоев в работе машины.

Но при соединении нескольких территориально разнесенных компьютеров электрическим кабелем заземление становится серьезной проблемой.

Если один из соединяемых компьютеров заземлен, а другой нет, то возможен выход из строя одного из них или обоих. Поэтому компьютеры крайне желательно заземлять.

В случае использования трехконтактной вилки и розетки, в которых есть нулевой провод, это получается автоматически. При двухконтактной вилке и розетке необходимо принимать специальные меры, организовывать заземление отдельным проводом большого сечения. Стоит также отметить, что в случае трехфазной сети желательно обеспечить питание всех компьютеров от одной фазы.

Но проблема осложняется еще и тем, что «земля», к которой присоединяются компьютеры, обычно далека от идеала. Теоретически заземляющие провода компьютеров должны сходиться в одной точке, соединенной короткой массивной шиной с зарытым в землю массивным проводником.

Такая ситуация возможна только если компьютеры не слишком разнесены, и заземление действительно сделано грамотно. Обычно же заземляющая шина имеет значительную длину, в результате чего стекающие по ней токи создают довольно большую разность потенциалов между ее отдельными точками.

Особенно велика эта разность потенциалов в случае подключения к шине мощных и высокочастотных потребителей энергии.

Присоединенные к одной и той же шине, но в разных точках, компьютеры имеют на своих корпусах разные потенциалы (Рисунок 3.5). В результате по электрическому кабелю, соединяющему компьютеры, потечет выравнивающий ток (переменный с высокочастотными составляющими).

Рисунок 3.5 – Выравнивающий ток при отсутствии гальванической развязки

Хуже, когда компьютеры подключаются к разным шинам заземления. Выравнивающий ток может достигать в этом случае величины в несколько ампер. Подобные токи смертельно опасны для малосигнальных узлов компьютера.

Кроме того выравнивающий ток существенно влияет на передаваемый сигнал, порой полностью забивая его. Даже тогда, когда сигналы передаются без участия экрана (например, по двум проводам, заключенным в экран) вследствие индуктивного действия выравнивающий ток мешает передаче информации.

Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в одной точке.

Однако если каждый из компьютеров самостоятельно заземлен, то заземление экрана в одной точке становится невозможным без гальванической развязки компьютеров от сети. Таким образом не должно быть связи по постоянному току между корпусом («землей») компьютера и экраном («землей») сетевого кабеля.

В то же время, информационный сигнал должен передаваться из компьютера в сеть и из сети в компьютер. Для гальванической развязки обычно применяют импульсные трансформаторы, которые входят в состав сетевого оборудования (например, сетевых адаптеров).

Трансформатор пропускает высокочастотные информационные сигналы, но обеспечивает полную изоляцию по постоянному току.

Рисунок 3.6 – Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника)

Грамотное соединение компьютеров локальной сети электрическим кабелем обязательно должно включать в себя следующее (Рисунок 3.6):

· оконечное согласование кабеля с помощью терминаторов;

· гальваническую развязку компьютеров от сети;

· заземление каждого компьютера;

· заземление экрана (если, конечно, он есть) в одной точке.

Не стоит пренебрегать каким–либо из этих требований. Например, гальваническая развязка сетевых адаптеров часто рассчитывается на допустимое напряжение изоляции всего лишь 100 В, что при отсутствии заземления одного из компьютеров может легко привести к выходу из строя его адаптера.

Следует отметить, что для присоединения коаксиального кабеля обычно применяются разъемы в металлическом корпусе.

Этот корпус не должен соединяться ни с корпусом компьютера, ни с «землей» (на плате адаптера он установлен с пластиковой изоляцией от крепежной планки).

Заземление экрана кабеля сети лучше производить не через корпус компьютера, а отдельным специальным проводом, что обеспечивает лучшую надежность. Пластмассовые корпуса разъемов RJ–45 для кабелей с неэкранированными витыми парами снимают эту проблему.

Важно также учитывать, что экран кабеля, заземленный в одной точке, является радиоантенной с заземленным основанием. Он может улавливать и усиливать высокочастотные помехи с длиной волны, кратной его длине.

Для снижения этого «антенного эффекта» применяется многоточечное заземление экрана по высокой частоте. В каждом сетевом адаптере «земля» сетевого кабеля соединяется с «землей» компьютера через высоковольтные керамические конденсаторы. Для примера на рисунке 3.

7 показана упрощенная схема гальванической развязки, применяемая в сетевых адаптерах Ethernet.

Рисунок 3.7 – Схема гальванической развязки в сети Ethernet

Приемопередатчик напрямую связан с кабелем сети, но гальванически развязан с помощью трансформаторов от компьютера и остальной части сетевого адаптера. Это продиктовано особенностями протокола CSMA/CD и манчестерского кода, применяемых в Ethernet.

Для обеспечения полной развязки питание приемопередатчика осуществляется посредством преобразователя питающего напряжения, имеющего внутри также трансформаторную гальваническую развязку. Оплетка коаксиального кабеля соединена с общим проводом компьютера через высоковольтный конденсатор.

Параллельно конденсатору включен резистор с большим сопротивлением (1 МОм), который предотвращает электрический удар пользователя при одновременном касании им оплетки кабеля (корпуса разъема) и корпуса компьютера.

В случае применения витых пар все гораздо проще. Каждая витая пара имеет развязывающие импульсные трансформаторы на обоих своих концах. Ни один из проводов витой пары не заземляется (они оба сигнальные). К тому же разъемы для витых пар имеют пластмассовый корпус.



Источник: https://infopedia.su/8x11e3b.html

Ссылка на основную публикацию