Въведение

Галваничната изолация (изолация), обикновено наричана просто изолация, е начинът, по който отделни части на електрическа система могат да бъдат при различни земни потенциали. Двете най-често срещани причини за отделяне са безопасността срещу повреди в продукти от промишлен клас и когато е необходимо кабелна комуникациямежду устройства, всяко със собствено захранване.

Методи за разделяне на мощността

трансформатори

Най-често срещаната форма на разединяване е използването на трансформатор. При проектиране на верига за стабилизиране на мощността, където се изисква отделяне, изолиращата част на дизайна е свързана с необходимостта от увеличаване / намаляване на нивото на напрежение и не се разглежда като отделна част от системата. В случай, че е необходимо да се изолира цялата електрическа система (например, много автомобилно тестово оборудване изисква захранващите устройства да бъдат изолирани от променливотоковата мрежа), трансформатор 1:1 може да бъде инсталиран последователно със системата, за да осигури необходима изолация.

Фигура 1 - Гама SMD трансформатори

Кондензатори

По-рядко срещан метод за разединяване е използването на последователни кондензатори. Поради възможността AC сигналите да протичат през кондензатори, този метод може да бъде ефективен начинизолиране на части от електрическата система от електрическата мрежа. Този метод е по-малко надежден от трансформаторния, тъй като в случай на повреда трансформаторът прекъсва веригата и кондензаторът дава късо съединение. Една от целите на осигуряването на галванична изолация от мрежата за променлив ток е, че в случай на повреда потребителят е в безопасност от работещ неограничен източник на ток.

Фигура 2 - Пример за използване на кондензатори за създаване на разделяне

Методи за изолиране на сигнала

Оптоизолатори

Когато се изисква сигнал да премине между две части на верига при различни земни потенциали, оптоизолаторът (оптрон) е популярно решение. Оптоизолаторът е фототранзистор, който се отваря ("включва"), когато вътрешният светодиод е под напрежение. Светлината, излъчвана от вътрешния светодиод, е пътя на сигнала и по този начин изолацията между земните потенциали не се нарушава.

Фигура 3 - Схема на типичен оптоизолатор

Сензор на Хол

Друг метод за предаване на информация между електрически системи с отделни земни потенциали е използването на сензор, базиран на ефекта на Хол. Сензорът на Хол открива индукцията неинвазивно и не изисква директен контакт с изследвания сигнал и не нарушава изолиращата бариера. Най-честата употреба на предаване на индуктивна информация през вериги при различни земни потенциали е в сензори за ток.

Фигура 4 - Сензор за ток, използван за измерване на ток през проводник

Заключение

Галваничната изолация (изолация) е разделянето на електрически системи/подсистеми, в които може да тече ток, различен от постоянен ток, и които могат да имат различни земни потенциали. Разделянето може да бъде разделено на основни категории: по мощност и по сигнал. Има няколко начина за постигане на отделяне и в зависимост от изискванията на проекта някои методи може да са за предпочитане пред други.

Практически пример


Фигура 5 - Диаграма на PoE проект (захранване през Ethernet, захранване през Ethernet) на базата на контролера TPS23753PW

В диаграмата по-горе няколко трансформатора и оптоизолатор се използват за създаване на импулсно захранване, което се използва в устройствата Ethernet PD (Powered Device). Конектор J2 има вътрешни магнити, които изолират цялата система от PoE източника. T1 и U2 изолират захранването (вляво от червената линия) от регулирания изход 3.3V (вдясно от червената линия).

В тази статия ще се съсредоточим основно върху оптичната изолация на аналогов сигнал. Ще бъдат разгледани бюджетен вариант. Също така основно внимание се обръща на скоростта на схемното решение.

Методи за разделяне на аналогов сигнал

Малък преглед. Има три основни начина за галванично изолиране на аналогов сигнал: трансформатор, оптичен и кондензатор. Първите две са намерили най-голяма употреба. Днес има целият класустройства, наречени изолационни усилватели или изолационни усилватели (изолиран усилвател). Такива устройства предават сигнал чрез неговото преобразуване (във веригата има модулатор на сигнала и демодулатор).

Фиг. 1. Обща схема на изолиращи усилватели.

Има устройства както за предаване на аналогов сигнал за напрежение (ADUM3190, ACPL-C87), така и специализирани устройства за директно свързване към токов шунт (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). В тази статия няма да разглеждаме скъпи устройства, но ще изброим някои от тях: iso100, iso124, ad202..ad215 и др.

Има и друг клас устройства - разделящи оптични усилватели с линеаризираща обратна връзка (Linear Optocoupler), тези устройства включват il300, loc110, hcnr201. Принципът на работа на тези устройства е лесен за разбиране, като разгледате типичната им схема на свързване.

Фиг.2. Типична схема за разделяне на оптични усилватели.

За повече информация относно изолационните усилватели можете да прочетете: A. J. Peyton, W. Walsh „Аналогова електроника с операционни усилватели“ (глава 2), също документа AN614 „Проста алтернатива на аналоговите изолационни усилватели“ от силициеви лаборатории, има добър сравнителна таблица. И двата източника са достъпни онлайн.

Специални микрочипове за оптична изолация на сигнала

Сега към бизнеса! Като начало, нека сравним три специализирани микросхеми: il300, loc110, hcnr201. Свързани по същата схема:

Фиг.3. Тестова схема за il300, hcнr201 и loc110.

Разликата е само в рейтингите за il300, hcnr201 R1, R3=30k, R2=100R и за loc110 съответно 10k и 200R (избрах различни рейтинги, за да постигна максимална производителност, но в същото време да не излизам извън допустимите граници , например от тока на излъчващия диод ). По-долу са вълнови форми, които говорят сами за себе си (по-долу: синьо е входният сигнал, жълто е изходният сигнал).

Фиг.4. Осцилограма на преходния il300.

Фиг.5. Hcnr201 преходна форма на вълната.

Фиг.6. Преходна вълнова формалок110.

Сега помислете за чипа ACPL-C87B (обхват на входния сигнал 0..2V). Честно казано с нея, доста време се суетех. Имах две налични микросхеми, след като получих неочакван резултат на първата, се справих с втората много внимателно, особено при запояване. Събрах всичко според схемата, посочена в документацията:

Фиг.7. Типична схема заACPL— ° С87 от документацията.

Резултатът е същият. Запоих керамични кондензатори директно близо до захранващите крака, смених операционния усилвател (разбира се, проверих го на други вериги), сглобих отново веригата и т.н. Какво всъщност е проблемът: изходният сигнал има значителни колебания.

Фиг.8. Преходна вълнова формаACPL— ° С87.

Въпреки факта, че производителят обещава ниво на шума на изходния сигнал от 0,013 mVrms, а за опция "B" точността е ±0,5%. Какъв е проблема? Може би грешка в документацията, защото е трудно да се повярва в 0,013 mVrms. Неясен. Но нека да разгледаме колоната Условия на теста / Бележки срещу Vout Noise и Фигура 12 от документацията:

Фиг.9. Зависимостта на нивото на шума от големината на входния сигнал и честотата на изходния филтър.

Тук картината става малко по-ясна. Очевидно производителят ни казва, че можем да задушим тези шумове чрез нискочестотен филтър. Е, благодаря за съвета (иронично). Защо всичко това беше извършено по този хитър начин. Най-вероятно е ясно защо. По-долу са графики без и с изходен RC филтър (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Фиг.10. Преходна вълнова формаACPL— ° С87 без и с изходен филтър.

Използване на оптрони с общо предназначение за разделяне на сигнала

Сега да преминем към най-интересното. По-долу са диаграмите, които намерих в интернет.

Фиг.11. Типова схема за оптично разделяне на аналогов сигнал на два оптрона.

Фиг.12. Типова схема за оптично разделяне на аналогов сигнал на два оптрона.

Фиг.13. Типова схема за оптично разделяне на аналогов сигнал на два оптрона.

Това решение има както предимства, така и недостатъци. Предимството е по-високо изолационно напрежение, недостатъкът е, че две микросхеми могат да се различават значително по параметри, следователно, между другото, се препоръчва използването на микросхеми от една и съща партида.

Сглобих тази схема на чип 6n136:

Фиг.14. Отделяне на преходна форма на вълната при 6н136.

Получи се, но бавно. Опитах се да сглобя на други микросхеми (като sfh615), оказва се, но също бавно. Трябваше ми по-бързо. Освен това често веригата не работи поради възникнали автоколебания (в такива случаи те казват, че ACS е нестабилна))) Помага да се увеличи стойността на кондензатора C2 фиг. 16.

Един приятел посъветва домашен оптрон AOD130A. Резултат за лице:

Фиг.15. Осцилограма на преходното отделяне на AOD130A.

А ето и диаграмата:

Фиг.16: Диаграма на отделяне на AOD130A.

Необходим е един потенциометър (RV1 или RV2), в зависимост от това дали изходният сигнал е по-малък или по-голям от входния. По принцип беше възможно да се постави само един RV=2k последователно с R3=4.7k или дори да се остави само RV2=10k без R3. Принципът е ясен: да може да се настройва около 5к.

Изолационен чип на сигналния трансформатор

Нека да преминем към опцията за трансформатор. Микросхемата ADUM3190 се предлага в две версии при 200 и 400 kHz (имам ADUM3190TRQZ при 400), има и микросхема за по-високо изолационно напрежение ADUM4190. Отбелязвам, че кутията е най-малката от всички - QSOP16. Изходно напрежение Eaout от 0.4 до 2.4V. в моя микрочип изходно напрежениеизместване от около 100mV (вижда се на осцилограма Фиг. 18). Като цяло работи добре, но лично аз не съм напълно доволен от обхвата на изходното напрежение. Сглобява се по схемата от документацията:

Фиг.17. Диаграма ADUM3190 от документацията.

Някои вълнови форми:

Фиг.18. Осцилограма на преходния процес ADUM3190.

Резултати

Обобщете. Според мен най-добрият вариант е схемата за домашни ADO130A (откъде ги взеха?!). И накрая, малка сравнителна таблица:

Чипtr+закъснение (според осцилатори), µstf+закъснение (според осцилатори), µsОбхват напрежение, VВолтаж изолация, VШум (осцил.) mVp-p.Цена** за брой, r (05.2018)
IL30010 15 0-3* 4400 20 150
HCNR20115 15 0-3* 1414 25 150
LOC1104 6 0-3* 3750 15 150
ACPL-C87B15 15 0-2 1230 nd500
6N13610 8 0-3* 2500 15 50
AOD130A2 3 0.01-3* 1500 10 90
ADUM3190T2 2 0.4-2.4 2500 20 210

*- приблизително (според сглобена веригас оптимизация на скоростта)

** - средната цена за минимума.
Ярослав Власов

P.S. AOD130A, произведен от Proton OJSC (гравиран с тяхното лого в черен корпус), е добър. Старите (90-те в кафяв корпус) не стават.

Поредицата от статии се състои от три части:

Намеса в схемите.

По време на нормална работа на електронно устройство във веригата може да се появи шум.

Смущенията могат не само да попречат на нормалната работа на устройството, но и да доведат до пълната му повреда.


Ориз. 1. Смущение в полезния сигнал.

Можете да видите смущението на екрана на осцилоскопа, като го включите в изследваната част от веригата (фиг. 1). Продължителността на смущението може да бъде както много кратка (единици от наносекунди, така наречените "игли"), така и много дълга (няколко секунди). Формата и полярността на смущенията също са различни.
Разпространението (преминаването) на смущения става не само през кабелните връзки на веригата, но понякога дори между части от веригата, които не са свързани с проводници. Освен това интерференцията може да се наслагва, сумира една с друга. И така, едно слабо смущение може да не причини повреда във веригата на устройството, но едновременното натрупване на няколко слаби случайни смущения води до неправилна работа на устройството. Този факт многократно усложнява търсенето и отстраняването на смущенията, тъй като те придобиват още по-случаен характер.

Източниците на смущения могат да бъдат грубо разделени на:

  • Външен източник на смущения.Силно електромагнитно или електростатично поле в близост до устройството може да причини неизправности в електронното устройство. Например удар от мълния, превключване на реле с голям ток или електрозаваряване.
  • Вътрешен източник на смущения.Например, при включване/изключване на реактивен товар (двигател или електромагнит) в устройство, останалата част от веригата може да се повреди. Неправилен програмен алгоритъм също може да бъде източник на вътрешен шум.

За защита от външни смущения конструкцията или отделните й части се поставят в метален или електромагнитен екран, като се използват и схемни решения с по-малка чувствителност към външни смущения. От вътрешна намеса помага използването на филтри, оптимизиране на алгоритъма на работа, промяна на конструкцията на цялата верига и разположението на нейните части една спрямо друга.
Смята се за много елегантно да не се потискат всички смущения безразборно, а умишлено да се насочват към онези места във веригата, където те ще изчезнат, без да причиняват вреда. В някои случаи този начин е много по-прост, по-компактен и по-евтин.

Оценката на вероятността от смущения във веригите и начините за предотвратяването им не е лесна задача, изискваща теоретични познания и практически опит. Но въпреки това, с твърдост, можем да кажем, че вероятността от смущения се увеличава:

  • с увеличаване на превключвания ток или напрежение във веригата,
  • с увеличаване на чувствителността на частите на веригата,
  • с увеличаване на скоростта на приложените части.

За да не преработвате готовия дизайн поради чести повреди, по-добре е да се запознаете с възможните източници и пътища на разпространение на смущения още на етапа на проектиране на веригата. Тъй като около половината от всички прояви на смущения са свързани с "лоша" мощност, най-добре е да започнете проектирането на устройство с избор как да захранвате неговите части.

Смущения в захранването.

Фигура 2 показва типична блокова схема на електронно устройство, което се състои от захранване, управляваща верига, драйвер и задвижващ механизъм.
Повечето от най-простите роботи от поредицата на този сайт са изградени по тази схема.


Ориз. 2. Съвместно захранване на управляващата и силовата част.

В такива схеми могат условно да се разграничат две части: управление и мощност. Контролната част консумира сравнително малко ток и съдържа контролни или изчислителни вериги. Силовата част консумира много повече ток и включва усилвател и терминиращ товар.
Нека разгледаме всяка част от веригата по-подробно.


Ориз. 2 а.

Източник на сила(Фиг. 2 а.) могат да бъдат "батерии" или мрежово трансформаторно захранване. Захранването може също да включва регулатор на напрежението и малък филтър.


Ориз. 2 б.

Схема за управление- това е част от схемата (фиг. 2 б.), където всяка информация се обработва в съответствие с работата на алгоритъма. Тук могат да идват и сигнали от външни източници, например от всякакви сензори. Самата верига за управление може да бъде сглобена с помощта на микроконтролери или други микросхеми или на отделни елементи.

Комуникационни линиите просто свързват управляващата верига към драйвера на задвижващия механизъм, т.е. те са само проводници или печатни платки.


Ориз. 2 инча

Изпълнително устройство(фиг. 2 c.) често е механизъм, който преобразува електрически сигнал в механична работакато електродвигател или електромагнит. Тоест задвижващият механизъм преобразува електрическия ток в друга форма на енергия и обикновено консумира относително голям ток.


Ориз. 2 г.

Тъй като сигналът от управляващата верига е много слаб, така че драйвер или усилвател(фиг. 2d) е неразделна част от много схеми. Драйверът може да бъде изпълнен, например, само на един транзистор или специална микросхема, в зависимост от вида на задвижващия механизъм.


По правило основният източник на силни смущения е задвижващият механизъм. Смущенията, които се появяват тук, преминавайки през драйвера, се разпространяват по-нататък по захранващата шина (Смущенията на фиг. 2 са показани схематично с оранжева стрелка). И тъй като управляващата верига се захранва от един и същ източник на захранване, е вероятно тази намеса също да я засегне. Тоест, например, смущение, което се появява в двигателя, ще премине през драйвера и може да доведе до повреда в управляващата верига.
В прости схеми е достатъчно да поставите кондензатор с голям капацитет от около 1000 микрофарада и керамичен 0,1 микрофарад паралелно с източника на захранване. Те ще действат като обикновен филтър. Във вериги с токове на потребление от около 1 ампер или повече, за да се предпазите от силни смущения със сложна форма, ще трябва да инсталирате обемист, сложен филтър, но това не винаги помага.
В много схеми най-много по прост начинизползването на отделни източници на захранване за контролната и силовата част на веригата помага да се отървете от ефектите на смущенията, тоест използването на т.нар. отделно захранване.
Въпреки че отделното захранване се използва не само за борба с смущенията.

Разделно хранене.

На фиг. 3 показва блокова схема на устройство. Тази схема използва две захранвания. Силовата част на веригата се захранва от захранване 1, а схемата за управление - от захранване 2. И двата източника на захранване са свързани с един от полюсите, този проводник е общ за цялата верига и сигналите се предават спрямо него по комуникационната линия.


Ориз. 3. Отделно захранване за контролната и силовата част.

На пръв поглед такава схема с две захранвания изглежда тромава и сложна. Всъщност такива отделни вериги за захранване се използват например в 95% от цялото домакинско оборудване. Отделни захранвания има просто различни намотки на трансформатори с различни напрежения и токове. Това е още едно предимство на отделните вериги за захранване: няколко устройства с различни захранващи напрежения могат да се използват в едно устройство. Например, използвайте 5 волта за контролера и 10-15 волта за двигателя.
Разглеждайки диаграмата на фиг. 3, може да се види, че смущението от захранващия блок не може да влезе в контролния блок по електропровода. Следователно необходимостта от потискане или филтриране напълно изчезва.


Ориз. 4. Отделно захранване със стабилизатор.

В мобилните конструкции, например мобилните роботи, поради размерите не винаги е удобно да се използват две батерии. Следователно отделно захранване може да бъде изградено с помощта на един комплект батерии. В този случай управляващата верига ще се захранва от основния източник на енергия чрез стабилизатор с филтър с ниска мощност, фиг. 4. В тази схема трябва да вземете предвид спада на напрежението в стабилизатора на избрания тип. Обикновено се използва батерия с по-високо напрежение от напрежението, изисквано от управляващата верига. В този случай работоспособността на веригата се запазва дори при частично разреждане на батериите.


Ориз. 5. L293 с отделно захранване.

Много драйверни микросхеми веднага са специално проектирани за използване в отделни вериги на захранване. Например, добре познатият драйверен чип L293 ( Ориз. 5) има изход Vss- за захранване на веригата за управление (Logic Supply Voltage) и изхода Срещу- за захранване на крайните етапи на захранващия драйвер (захранващо напрежение или изходно захранващо напрежение).
Във всички дизайни на роботи с микроконтролер или логически чип от серията, можете да включите L293 с отделна верига за захранване. В този случай захранващото напрежение на захранващата част (напрежение за двигатели) може да бъде в диапазона от 4,5 до 36 волта, а напрежението може да бъде приложено към Vss същото като за захранване на микроконтролер или логически чип (обикновено 5 волта) .

Ако управляващата част (микроконтролер или логически чип) се захранва през стабилизатора, а захранващата част се захранва директно от батерията, тогава това може значително да спести загуби на енергия. Тъй като стабилизаторът ще захранва само управляващата верига, а не цялата структура. То - друго предимство на отделното захранване: спестяване на енергия.

Ако погледнете отново диаграмата на Фигура 3, ще забележите, че в допълнение към общия проводник (GND), силовата част също е свързана към управляващата верига чрез комуникационни линии. В някои случаи шумът може също да премине през тези проводници от силовата част към управляващата верига. В допълнение, тези комуникационни линии често са силно податливи на електромагнитни влияния ("приемане"). От тези вредни явления можете да се отървете веднъж завинаги, като приложите т.нар галванична изолация.
Въпреки че галваничната изолация се използва не само за борба със смущенията.

Галванична изолация.

На пръв поглед подобно определение може да изглежда невероятно!
Как можете да изпратите сигнал без електрически контакт?
Всъщност има дори два начина, които позволяват това.


Ориз. 6.

Оптично предаване на сигналаизграден върху явлението фоточувствителност на полупроводниците. За това се използва двойка светодиод и фоточувствително устройство (фототранзистор, фотодиод), фиг. 6.


Ориз. 7.

Двойка LED-фотодетектори са изолирани в един корпус един срещу друг. Този детайл се нарича оптрон(чуждо име оптокоплер), фигура 7.
Ако през светодиода на оптрона премине ток, съпротивлението на вградения фотодетектор ще се промени. По този начин се осъществява безконтактно предаване на сигнала, тъй като светодиодът е напълно изолиран от фотодетектора.
За всяка линия за предаване на сигнала е необходим отделен оптрон. Честотата на оптично предавания сигнал може да варира от нула до няколко десетки или стотици килохерца.


Ориз. осем.

Индуктивно предаване на сигналасе основава на явлението електромагнитна индукция в трансформатор. Когато токът в една от намотките на трансформатора се промени, токът в другата намотка се променя. Така сигналът се предава от първата намотка към втората (фиг. 8). Тази връзка между намотките също се нарича трансформатор, а трансформаторът за галванична изолация понякога се нарича изолационен трансформатор.


Ориз. 9.

Конструктивно трансформаторите обикновено се изработват върху пръстеновидно феритно ядро, а намотките съдържат няколко десетки навивки от проводник (фиг. 9). Въпреки очевидната сложност на такъв трансформатор, той може да бъде направен самостоятелно за няколко минути. Продават се и готови малогабаритни трансформатори за галванично разделяне.
За всяка линия за предаване на сигнала е необходим отделен такъв трансформатор. Честотата на предавания сигнал може да варира от няколко десетки херца до стотици хиляди мегахерца.

В зависимост от вида на предавания сигнал и изискванията към веригата можете да изберете трансформаторна или оптична галванична изолация. Във вериги с галванична изолация от двете страни често се инсталират специални преобразуватели, които да съответстват (свързване, интерфейс) с останалата част от веригата.

Помислете сега за блокова диаграма, използваща галванична изолация между контролната и захранващата част на Фигура 10.


Ориз. 10. Отделно захранване и галванична изолация на комуникационния канал.

Тази диаграма показва, че всяка намеса от силовата част няма начин да проникне в контролната част, тъй като няма електрически контакт между частите на веригата.
Липсата на електрически контакт между частите на веригата в случай на галванична изолация ви позволява безопасно да управлявате задвижващи механизми с мощност с високо напрежение. Например, някакъв контролен панел, захранван от няколко волта, може да бъде галванично разделен от мрежовото фазово напрежение от няколкостотин волта, което повишава безопасността на обслужващия персонал. Това е важно предимство на схемите с галванична изолация.

Управляващи вериги с галванична изолация почти винаги могат да бъдат намерени в критични устройства, както и в импулсни захранвания. Особено там, където има и най-малка възможност за намеса. Но дори и в аматьорските устройства се използва галванична изолация. Тъй като лекото усложняване на веригата чрез галванична изолация носи пълна увереност в безпроблемната работа на устройството.

Съдейки по няколко скорошни публикации, би било хубаво да се подчертае какво е галванична изолация и защо е необходима. Така:

Галванична изолация- предаване на енергия или сигнал между електрически вериги без електрически контакт между тях.

Сега нека да разгледаме някои примери :)
Пример 1. Мрежа
Най-често се говори за галванична изолация по отношение на мрежовото захранване и ето защо. Представете си, че сте хванали жицата от контакта с ръка. Вашата "връзка" по отношение на електричеството изглежда така:

И, да, токът на утечка на чехлите е достатъчен, за да почувствате "удар", когато докоснете "фазовия" проводник на мрежата. Ако чехлите са сухи, тогава такъв „удар“ обикновено е безвреден. Но ако стоите боси на мокър под, последствията могат да бъдат много ужасни.

Съвсем друг въпрос е, ако във веригата има трансформатор:

Ако докоснеш една от клемите на трансформатора, през теб няма да тече ток - просто няма къде да тече, втората клема на трансформатора виси във въздуха. Ако, разбира се, хванете двата извода на трансформатора и той даде достатъчно напрежение, тогава той ще изяде и така нататък.

Така че в този случай трансформаторът осигурява галванична изолация. В допълнение към трансформатора има много повече различни начинипредава сигнал без създаване на електрически контакт:

  • Оптични: оптрони, оптични влакна, соларни панели
  • Радио: приемници, предаватели
  • Звук: високоговорител, микрофон
  • Капацитивен: чрез много малък кондензатор
  • Механични: мотор-генератор
  • Все още можете да мислите
Пример 2: Осцилоскоп
Има мегакласически начин да взривиш половината схема. Форумът дори си има съответен. Факт е, че много хора забравят, че осцилоскопът (и много друго оборудване) е свързан към земята. Ето как изглежда пълната картина, когато свържете осцилоскоп към верига, захранвана директно от електрическата мрежа:

Запомнете - щом включите нещо във верига, то става част от веригата! Това важи и за различни измервателни уреди.

Правилният начин за измерване на нещо в такава верига е да го свържете чрез изолационен трансформатор 220->220:

Готови трансформатори 220-> 220 се намират доста трудно. Следователно можете да използвате така наречените превключватели. Превключвателят е два трансформатора, например 220-> 24, изключени последователно по следния начин:

Как изглежда на практика вероятно сте видели в:

Смяната е дори по-добра от един трансформатор 220->220.

  • Те осигуряват половината от капацитета между входа и изхода
  • Средната част може да бъде заземена и по този начин е много добре да се филтрират смущенията от мрежата
  • Можете да включите 3 трансформатора и след това можете да получите 440 или 110 волта
Естествено отколкото повече напрежениена изхода на трансформаторите, толкова по-малко ток протича и толкова по-добре.
песен
Преди много време дори написах песен на тема галванична изолация. Песен под спойлера.

Песен, текст и обяснения

Записах тази мини-песен, когато се занимавах с различни аудио електроники. Един приятел направи китарен лосион за тръба и мислейки, че трансформаторът, който превръща 220 в 220, е напълно безполезен, той го изхвърли от веригата, за което плати цената. Мислех, че това е подходяща тема за метъл мини-песен.

Хей Олдфаг! Вашият браузър не поддържа html5! Опресни!

Не си сложил аноден трансформатор
Захранва се директно от мрежата
Под крака имаше батерия
И ти хвана китарата с ръка

Ток пронизва тленното тяло
Извиваща се смъртна плът
Не можеш да отвориш ръката си
Вие сте сами и никой не може да помогне

Сълзене и парене
Електроните притискат сърцето ти
Ще победи или ще утихне?
Безопасността, не забравяйте, е преди всичко.


Между другото, в допълнение към развръзката в тази малка песен има още два добри съвета:
  • Да, всички работят с мрежово напрежениетрябва да се извършва от поне двама души.
  • Когато удари с ток, ръката се свива, така че в началото е по-добре да докосвате устройствата с гърба на дясната ръка.
Заключение
Естествено, темата за развръзката не свършва дотук. Например, много е трудно да се предават бързи сигнали чрез обмен. Но за това - малко по-късно.

Галванична изолация. верига на оптрона

КАКВО Е ОПТОКЪПЛЕР

Оптронът, известен също като оптрон, е електронен компонент, който предава електрически сигнали между две изолирани електрически вериги с помощта на инфрачервена светлина. Като изолатор, оптронът може да предотврати преминаването високо напрежениепо веригата. Предаването на сигнали през светлинната бариера се осъществява с помощта на IR светодиод и фоточувствителен елемент, като фототранзистор, е в основата на структурата на оптрона. Оптроните се предлагат в различни модели и вътрешни конфигурации. Един от най-често срещаните е IR диод и фототранзистор заедно в 4-пинов корпус, показан на фигурата.

По време на работа не трябва да се превишават определени параметри. Тези максимални стойности се използват заедно с графиките за правилно проектиране на режима на работа.

Откъм входа диодът, излъчващ инфрачервени лъчи, има определен максимален ток и напрежение, превишаването на които ще доведе до изгаряне на излъчващия елемент. Но дори сигналът, който е твърде малък, няма да може да го накара да свети и няма да позволи импулсът да бъде предаден по-нататък по веригата.

Предимства на оптроните

  • възможността за осигуряване на галванична изолация между входа и изхода;
  • за оптроните няма фундаментални физически или конструктивни ограничения за постигане на произволно високи напрежения и разделителни съпротивления и произволно малък капацитет;
  • възможността за внедряване на безконтактно оптично управление на електронни обекти и произтичащото от това разнообразие и гъвкавост на конструктивните решения на управляващите вериги;
  • еднопосочно разпространение на информацията по оптичния канал, без обратна връзка от приемника към излъчвателя;
  • широка честотна лента на оптрона, без ограничение отстрани ниски честоти;
  • възможността за предаване както на импулсен сигнал, така и на постоянен компонент през верига на оптрона;
  • възможност за управление на изходния сигнал на оптрона чрез въздействие върху материала на оптичния канал и произтичащата от това възможност за създаване на различни сензори, както и различни устройства за предаване на информация;
  • възможността за създаване на функционални микро електронни устройствас фотодетектори, чиито характеристики при осветяване се изменят по сложно зададен закон;
  • имунитет на оптичните комуникационни канали към въздействието на електромагнитни полета, което ги прави имунизирани срещу смущения и изтичане на информация, а също така изключва взаимни смущения;
  • физическа и конструктивно-технологична съвместимост с други полупроводникови и радиоелектронни устройства.

Недостатъци на оптроните

  • значителна консумация на енергия поради необходимостта от двойно преобразуване на енергия (електричество - светлина - електричество) и ниска ефективност на тези преходи;
  • повишена чувствителност на параметрите и характеристиките към въздействието на повишена температура и проникваща радиация;
  • временно влошаване на параметрите на оптрона;
  • сравнително високо ниво на вътрешен шум, дължащо се, подобно на двата предишни недостатъка, на особеностите на физиката на светодиодите;
  • сложност на изпълнение обратна връзка, причинени от електрическа изолация на входните и изходните вериги;
  • конструктивно и технологично несъвършенство, свързано с използването на хибридна непланарна технология, с необходимостта от комбиниране в едно устройство на няколко отделни кристала от различни полупроводници, разположени в различни равнини.

Приложение на оптрони

  1. Като елементи на галванична изолация оптроните се използват: за свързване на блокове на оборудването, между които има значителна потенциална разлика; за защита на входните вериги на измервателните устройства от смущения и смущения.
  2. Друга основна област на приложение на оптроните е оптичното, безконтактно управление на вериги с висок ток и високо напрежение. Стартиране на мощни тиристори, триаци, управление на електромеханични релейни устройства. Импулсни блоковехранене.
  3. Създаването на "дълги" оптрони (устройства с разширен гъвкав оптичен световод) отвори напълно нова посока за използване на оптрони - комуникация на къси разстояния.
  4. Различни оптрони се използват и в радиотехнически модулационни вериги, автоматична настройкаусилване и други. Тук се използва въздействието върху оптичния канал, за да се приведе веригата в оптимален работен режим, за безконтактна промяна на режима.
  5. Възможността за промяна на свойствата на оптичния канал при различни външни въздействия върху него ви позволява да създадете цяла серия от сензори за оптрони: това са сензори за влажност и съдържание на газ, сензор за наличието на определена течност в обема, сензори за чистотата на повърхностната обработка на обекта и скоростта на неговото движение.

Универсалността на оптроните като елементи на галванична изолация и безконтактно управление, разнообразието и уникалността на много други функции са причината областите на приложение на оптроните да са компютърна техника, автоматизация, комуникационно и радио оборудване, автоматизирани системи за управление, измервателна техника , системи за контрол и регулиране, медицинска електроника, устройства за визуално показване. Повече за различни видовеоптрони, вижте този документ.

elwo.ru

Галванична изолация: принципи и схема

Галваничната изолация е принципът на електрическа изолация на разглежданата текуща верига по отношение на други вериги, които присъстват в едно устройство и подобрява техническите характеристики. Галванична изолацияизползвани за решаване на следните задачи:

  1. Постигане на независимост на сигналната верига. Използва се при свързване на различни устройства и устройства, осигурява независимостта на електрическата сигнална верига по отношение на токовете, възникващи при свързването на различни видове устройства. Независимото галванично свързване решава проблемите с електромагнитната съвместимост, намалява ефекта от смущенията, подобрява съотношението сигнал/шум в сигналните вериги и повишава действителната точност на измерване на протичащите процеси. Галваничната изолация с изолиран вход и изход допринася за съвместимостта на устройствата с различни устройствапри сложни параметри на електромагнитната среда. Многоканален измервателни уредиимат групови или канални обмени. Разделянето може да бъде еднакво за няколко канала за измерване или може да бъде канал по канал за всеки канал автономно.
  2. Изпълнение на изискванията на действащия GOST 52319-2005 за електрическа безопасност. Стандартът регулира съпротивлението на изолацията в електрическото контролно и измервателно оборудване. Галваничната изолация се счита за една от набор от мерки за осигуряване на електрическа безопасност, тя трябва да работи успоредно с други методи за защита (заземяване, вериги за ограничаване на напрежението и тока, предпазни устройства и др.).

Може да се осигури отделяне различни методии технически средства: галванични вани, индуктивни трансформатори, цифрови изолатори, електромеханични релета.

Диаграми на решение за галванична изолация

При изграждането на сложни системи за цифрова обработка на постъпващи сигнали, свързани с работа в индустриални условия, галваничното разединяване трябва да решава следните задачи:

  1. Защитете компютърните вериги от критични токове и напрежения. Това е важно, ако работните условия включват излагане на промишлени електромагнитни вълни, има трудности със заземяването и т.н. Такива ситуации възникват и в превозни средства, които имат голям фактор на човешкото влияние. Грешките могат да причинят пълна повреда на скъпо оборудване.
  2. Защитете потребителите от вреда токов удар. Най-честият проблем е свързан с медицинските изделия.
  3. Минимизиране на вредните ефекти от различни смущения. Важен фактор в лаборатории, които извършват точни измервания, при изграждане на прецизни системи, в метрологични станции.

В момента широко се използват трансформаторни и оптоелектронни изолации.

Принципът на работа на оптрона

Оптронна верига

Светодиодът е предубеден и получава светлина само от фототранзистора. По този метод се осъществява галванично свързване на вериги, които са свързани от едната страна със светодиода, а от другата страна с фототранзистора. Предимствата на оптоелектронните устройства включват способността за предаване на комуникации в широк диапазон, способността за предаване на чисти сигнали при високи честоти и малки линейни размери.

Умножители на електрически импулси

Те осигуряват необходимото ниво на електрическа изолация, състоят се от предаватели-излъчватели, комуникационни линии и приемни устройства.

Импулсни умножители

Комуникационната линия трябва да осигурява необходимото ниво на изолация на сигнала; в приемните устройства импулсите се усилват до стойностите, необходими за стартиране на тиристорите.

Използването на електрически трансформатори за разединяване повишава надеждността инсталирани системиизграден на базата на последователни многокомплексни канали в случай на повреда на един от тях.

Параметри на мултиплексни канали

Съобщенията в канала се състоят от информация, команди или сигнали за отговор, като един от адресите е свободен и се използва за изпълнение на системни задачи. Използването на трансформатори повишава надеждността на функционирането на системи, сглобени на базата на серийни многокомплексни канали и осигурява работата на устройството в случай на повреда на няколко приемника. Благодарение на използването на многостепенно управление на предаването на нивото на сигнала се осигуряват високи индикатори за устойчивост на шум. AT общ режимфункциониране, разрешено е изпращане на съобщения до няколко потребителя, което улеснява първоначалната инициализация на системата.

Най-простото електрическо устройство е електромагнитно реле. Но галваничната изолация, базирана на това устройство, има висока инерция, относително големи размери и може да осигури само малък брой потребители с голямо количество консумирана енергия. Такива недостатъци пречат на широкото приложение на релетата.

Push-pull галваничната изолация може значително да намали количеството електрическа енергия, използвана в режим на пълно натоварване, като по този начин подобрява икономическото представяне на устройствата.

Push-pull отделяне

Благодарение на използването на галванична изолация е възможно да се създадат модерни вериги автоматично управление, диагностика и управление с висока безопасност, надеждност и стабилност на работа.

plast-product.ru

Галванична изолация. Кой, ако не оптрон?

В електрониката има такова нещо като галванична изолация. Класическата му дефиниция е пренос на енергия или сигнал между електрически вериги без електрически контакт. Ако сте начинаещ, тогава тази формулировка ще изглежда много обща и дори загадъчна. Ако имате инженерен опит или просто помните добре физиката, тогава най-вероятно вече сте мислили за трансформатори и оптрони.

Статията под разрез е посветена различни начинигалванична изолация цифрови сигнали. Ще ви кажем защо изобщо е необходимо и как производителите внедряват изолационна бариера „вътре“ в съвременните микросхеми.

Речта, както вече беше споменато, ще се фокусира върху изолацията на цифровите сигнали. По-нататък в текста под галванична изолация разбираме предаването на информационен сигнал между две независими електрически вериги.

Защо е необходимо

Има три основни задачи, които се решават чрез отделяне на цифров сигнал.

Първото нещо, което идва на ум, е защитата от високо напрежение. Наистина, осигуряването на галванична изолация е изискване за безопасност за повечето електрически уреди. Нека микроконтролерът, който естествено има ниско захранващо напрежение, задава управляващите сигнали за мощен транзистор или друго устройство с високо напрежение. Това е повече от обичайна задача. Ако няма изолация между драйвера, който увеличава управляващия сигнал по отношение на мощността и напрежението, и управляващото устройство, тогава микроконтролерът рискува просто да изгори. В допълнение, входно-изходните устройства обикновено са свързани с управляващи вериги, което означава, че човек, който натисне бутона за включване, може лесно да затвори веригата и да получи удар от няколкостотин волта. Така че галваничната изолация на сигнала служи за защита на хората и оборудването.
Не по-малко популярно е използването на микросхеми с изолационна бариера за свързване на електрически вериги с различни захранващи напрежения. Тук всичко е просто: между веригите няма „електрическа връзка“, така че сигналът, логическите нива на информационния сигнал на входа и изхода на микросхемата, ще съответстват на захранването на „входа“ и „изхода ” вериги, съответно.
Галваничната изолация се използва и за повишаване на шумоустойчивостта на системите. Един от основните източници на смущения в радиоелектронното оборудване е така нареченият общ проводник, често тялото на устройството. При предаване на информация без галванична изолация, общият проводник осигурява общия потенциал на предавателя и приемника, необходим за предаване на информационния сигнал. Тъй като обикновеният проводник обикновено служи като един от полюсите на захранването, свързването на различни електронни устройства към него, особено захранващи, води до краткотраен импулсен шум. Те се изключват при подмяна електрическа връзка» за свързване чрез изолационна преграда.

Как работи

Традиционно галваничната изолация се изгражда от два елемента - трансформатори и оптрони. Ако пропуснете подробностите, първите се използват за аналогови сигнали, а вторите за цифрови. Разглеждаме само втория случай, така че има смисъл да напомним на читателя кой е оптрон.За предаване на сигнал без електрически контакт се използва двойка светлинен излъчвател (най-често LED) и фотодетектор. Електрическият сигнал на входа се преобразува в "светлинни импулси", преминава през светлопропускливия слой, получава се от фотодетектора и се преобразува обратно в електрически сигнал.

Изолацията на оптрона спечели огромна популярност и в продължение на няколко десетилетия беше единствената технология за отделяне на цифрови сигнали. Но с развитието на полупроводниковата индустрия, с интегрирането на всичко и всичко, се появиха микросхеми, които реализират изолационна бариера за сметка на други, по- модерни технологии. Цифровите изолатори са микросхеми, които осигуряват един или повече изолирани канали, всеки от които превъзхожда оптрон по скорост и точност на предаване на сигнала, по отношение на устойчивост на шум и най-често по цена на канал.

Изолационната бариера на цифровите изолатори се произвежда по различни технологии. Добре известната компания Analog Devices използва импулсен трансформатор като бариера в цифровите изолатори ADUM. Вътре в корпуса на микросхемата има два кристала и, направени отделно върху полимиден филм, импулсен трансформатор. Кристалният предавател генерира два къси импулса по предната част на информационния сигнал и един импулс по протежение на спада на информационния сигнал. импулсен трансформаторпозволява с малко закъснение да се приемат на предавателя кристални импулси, върху които се извършва обратното преобразуване.

Описаната технология се използва успешно при прилагането на галванична изолация, в много отношения превъзхождаща оптроните, но има редица недостатъци, свързани с чувствителността на трансформатора към смущения и риска от изкривяване при работа с къси входни импулси.

Много по-високо ниво на устойчивост на смущения се осигурява в микросхеми, където изолационната бариера е реализирана върху капацитети. Използването на кондензатори позволява да се изключи комуникацията постоянен токмежду приемника и предавателя, което в сигналните вериги е еквивалентно на галванична изолация.

Ако последното изречение ви развълнува .. Ако изпитвате изгарящо желание да изкрещите, че не може да има галванична изолация на кондензатори, тогава препоръчвам да посетите теми като тази. Когато яростта ви утихне, имайте предвид, че всички тези противоречия датират от 2006 г. Там, както и през 2007 г., ние, както знаете, няма да се върнем. А изолаторите с капацитивна бариера отдавна се произвеждат, използват и работят перфектно.

Предимствата на капацитивното разделяне са висока енергийна ефективност, малки размери и устойчивост на външни магнитни полета. Това ви позволява да създавате евтини интегрирани изолатори с високи ставкинадеждност. Те се произвеждат от две компании - Texas Instruments и Silicon Labs. Тези компании използват различни технологии за създаване на канал, но и в двата случая силициевият диоксид се използва като диелектрик. Този материал има висока електрическа якост и се използва в производството на микросхеми от няколко десетилетия. В резултат SiO2 лесно се интегрира в кристала и диелектричен слой с дебелина няколко микрометра е достатъчен, за да осигури изолиращо напрежение от няколко киловолта.Върху едната (от Texas Instruments) или двете (от Silicon Labs) са разположени кондензаторни подложки. Кристалите са свързани чрез тези подложки, така че информационният сигнал преминава от приемника към предавателя през изолиращата бариера. Въпреки че Texas Instruments и Silicon Labs използват много сходни технологии за интегриране на капацитивната бариера в чипа, те използват напълно различни принципи за предаване информационния сигнал.

Всеки изолиран канал в Texas Instruments е сравнително сложна верига.

Помислете за неговата "долна половина". Информационният сигнал се подава към RC вериги, от които се вземат къси импулси по нарастващите и падащите фронтове на входния сигнал и сигналът се възстановява с помощта на тези импулси. Този начин на преминаване на капацитивната бариера не е подходящ за бавно променящи се (нискочестотни) сигнали. Производителят решава този проблем чрез дублиране на канали - "долната половина" на веригата е високочестотен канал и е предназначен за сигнали от 100 Kbps. Сигнали под 100 kbps се обработват в "горната половина" на веригата. Входният сигнал се подлага на предварителна PWM модулация с висока тактова честота, модулираният сигнал се подава към изолационната бариера, сигналът се възстановява чрез импулси от RC веригите и допълнително се демодулира. Схемата за вземане на решение на изхода на изолирания канал "решава" от коя "половина" сигналът трябва да бъде изпратен към изхода на микросхемата.

Както можете да видите в диаграмата на изолиращия канал на Texas Instruments, както нискочестотните, така и високочестотните канали използват диференциално сигнализиране. Нека припомня на читателя неговата същност.

Диференциалното предаване е просто и ефективен начинзащита срещу смущения в общ режим. Входният сигнал от страната на предавателя се "разделя" на два сигнала V+ и V-, инверсни един на друг, които са еднакво засегнати от смущения в общ режим от различен характер. Приемникът изважда сигналите и в резултат на това шумът Vsp се елиминира.

Диференциалното предаване се използва и в цифрови изолатори от Silicon Labs. Тези микросхеми имат по-проста и по-надеждна структура. За да премине през капацитивната бариера, входният сигнал се подлага на високочестотна OOK (On-Off Keyring) модулация. С други думи, "единицата" на информационния сигнал е кодирана от наличието на високочестотен сигнал, а "нулата" - от липсата на високочестотен сигнал. Модулираният сигнал преминава без изкривяване през двойка капацитети и се възстановява от страната на предавателя.