Úvod
Galvanická izolace (izolace), běžně označovaná jednoduše jako izolace, je způsob, kterým mohou být jednotlivé části elektrického systému na různém zemním potenciálu. Dva nejběžnější důvody pro oddělení jsou bezpečnost proti selhání u produktů průmyslové kvality a tam, kde je to vyžadováno drátová komunikace mezi zařízeními, každé s vlastním napájením.
Metody oddělení výkonu
transformátory
Nejběžnější formou oddělení je použití transformátoru. Při návrhu obvodu stabilizace výkonu, kde je požadováno oddělení, je oddělovací část návrhu spojena s potřebou zvýšení/snížení napěťové úrovně a není považována za samostatnou část systému. V případě, že je nutné izolovat celý elektrický systém (například mnoho automobilových testovacích zařízení vyžaduje, aby byly napájecí zdroje izolovány od sítě střídavého proudu), lze do série se systémem nainstalovat transformátor 1:1, který zajistí nutná izolace.
Obrázek 1 - Rozsah SMD transformátorů
Kondenzátory
Méně běžnou metodou oddělení je použití kondenzátorů v sérii. Vzhledem k možnosti proudění střídavých signálů přes kondenzátory může být tato metoda efektivní způsob izolace částí elektrického systému od elektrické sítě. Tato metoda je méně spolehlivá než metoda transformátorová, protože v případě poruchy transformátor přeruší obvod a kondenzátor se zkratuje. Jedním z cílů zajištění galvanického oddělení od AC sítě je, že v případě poruchy je uživatel v bezpečí před fungujícím neomezeným zdrojem proudu.
Obrázek 2 - Příklad použití kondenzátorů pro vytvoření oddělení
Metody izolace signálů
Optoizolátory
Když je požadováno, aby signál procházel mezi dvěma částmi obvodu při různých zemních potenciálech, je populárním řešením optoizolátor (optočlen). Opto-izolátor je fototranzistor, který se otevře ("zapne"), když je vnitřní LED pod napětím. Světlo vyzařované interní LED je signálovou cestou a tím není porušena izolace mezi zemními potenciály.
Obrázek 3 - Schéma typického optoizolátoruHallův senzor
Další metodou přenosu informací mezi elektrickými systémy s oddělenými zemními potenciály je použití senzoru založeného na Hallově jevu. Hallův senzor detekuje indukci neinvazivně a nevyžaduje přímý kontakt se zkoumaným signálem a nenarušuje izolační bariéru. Nejběžnější využití předávání indukční informace obvody při různém zemním potenciálu je v proudových snímačích.
Obrázek 4 - Proudový senzor používaný k měření proudu procházejícího vodičem
Závěr
Galvanické oddělení (izolace) je oddělení elektrických systémů/subsystémů, ve kterých může protékat nestejnosměrný proud a které mohou mít různé zemní potenciály. Oddělení lze rozdělit do hlavních kategorií: podle výkonu a podle signálu. Existuje několik způsobů, jak dosáhnout oddělení, a v závislosti na požadavcích projektu mohou být některé metody výhodnější než jiné.
Praktický příklad
Obrázek 5 - Schéma projektu PoE (Power over Ethernet, Power over Ethernet) založené na řadiči TPS23753PW Ve výše uvedeném schématu je několik transformátorů a optoizolátor použito k vytvoření spínaného napájecího zdroje, který se používá v zařízeních Ethernet PD (Powered Device). Konektor J2 má vnitřní magnety, které izolují celý systém od PoE zdroje. T1 a U2 oddělují napájení (vlevo od červené čáry) od regulovaného 3,3V výstupu (vpravo od červené čáry).
V tomto článku se zaměříme především na optickou izolaci analogového signálu. Bude zváženo možnost rozpočtu. Také je hlavní pozornost věnována rychlosti obvodového řešení.
Metody oddělení analogového signálu
Malá recenze. Existují tři hlavní způsoby, jak galvanicky izolovat analogový signál: transformátor, optický a kondenzátor. První dva našly největší využití. Dnes existuje celá třída zařízení nazývaná izolační zesilovače nebo izolační zesilovače (Isolated Amplifier). Taková zařízení přenášejí signál pomocí jeho konverze (v obvodu je modulátor a demodulátor signálu).
Obr. 1. Obecné schéma izolačních zesilovačů.
Existují zařízení jak pro přenos analogového napěťového signálu (ADUM3190, ACPL-C87), tak specializovaná zařízení pro přímé připojení k proudovému bočníku (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). V tomto článku nebudeme uvažovat o drahých zařízeních, ale uvedeme některá z nich: iso100, iso124, ad202..ad215 atd.
Existuje také další třída zařízení - oddělovací optické zesilovače s linearizační zpětnou vazbou (Linear Optocoupler) mezi tato zařízení patří il300, loc110, hcnr201. Princip činnosti těchto zařízení je snadno pochopitelný při pohledu na jejich typické schéma zapojení.
Obr.2. Typický obvod pro oddělovací optické zesilovače.
Pro více informací o izolačních zesilovačích si můžete přečíst: A. J. Peyton, W. Walsh „Analog Electronics with Operational Amplifiers“ (kapitola 2), také dokument AN614 „A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers“ ze silikonových laboratoří, existuje dobrý srovnávací tabulka. Oba zdroje jsou dostupné online.
Speciální mikročipy pro optickou izolaci signálu
Nyní k podnikání! Pro začátek porovnejme tři specializované mikroobvody: il300, loc110, hcnr201. Zapojeno podle stejného schématu:
Obr.3. Testovací obvod pro il300, hcnr201 a loc110.
Rozdíl je pouze v hodnocení pro il300, hcnr201 R1, R3=30k, R2=100R, respektive pro loc110 10k a 200R (zvolil jsem různá hodnocení, abych dosáhl maximálního výkonu, ale zároveň nepřekročil povolené limity např. proudem emitující diody ). Níže jsou průběhy, které mluví samy za sebe (dále: modrá je vstupní signál, žlutá je výstupní signál).
Obr.4. Oscilogram přechodného il300.
Obr.5. Hcnr201 přechodný průběh.
Obr.6. Přechodný průběhloc110.
Nyní zvažte čip ACPL-C87B (rozsah vstupního signálu 0..2V). Abych k ní byl upřímný, dlouho jsem se trápil. Měl jsem k dispozici dva mikroobvody, poté, co jsem dostal nečekaný výsledek na prvním, s druhým jsem zacházel velmi opatrně, zejména při pájení. Shromáždil jsem vše podle schématu uvedeného v dokumentaci:
Obr.7. Typické schéma proACPL— C87 z dokumentace.
Výsledek je stejný. Keramické kondenzátory jsem připájel přímo u výkonových nohou, vyměnil operační zesilovač (samozřejmě jsem to zkontroloval na jiných obvodech), obvod znovu sestavil atd. V čem je vlastně zádrhel: výstupní signál má značné výkyvy.
Obr.8. Přechodný průběhACPL— C87.
Nehledě na to, že výrobce slibuje úroveň šumu výstupního signálu 0,013 mVrms a pro možnost „B“ je přesnost ±0,5 %. Co se děje? Možná chyba v dokumentaci, protože je těžké uvěřit v 0,013 mVrms. Nejasný. Ale podívejme se na sloupec Test Conditions / Notes naproti Vout Noise a na obr. 12 dokumentace:
Obr.9. Závislost úrovně šumu na velikosti vstupního signálu a frekvenci výstupního filtru.
Zde je obrázek o něco jasnější. Zřejmě nám výrobce říká, že tyto zvuky můžeme utlumit přes low-pass filtr. Tak díky za radu (ironicky). Proč to všechno bylo vymyšleno tak rafinovaně. S největší pravděpodobností je jasné proč. Níže jsou grafy bez a s výstupním RC filtrem (R=1k, C=10nF (τ=10µS))
Obr.10. Přechodný průběhACPL— C87 bez a s výstupním filtrem.
Použití univerzálních optočlenů pro oddělení signálu
Nyní přejdeme k tomu nejzajímavějšímu. Níže jsou schémata, která jsem našel na internetu.
Obr.11. Typické schéma pro optické oddělení analogového signálu na dvou optočlenech.
Obr.12. Typické schéma pro optické oddělení analogového signálu na dvou optočlenech.
Obr.13. Typické schéma pro optické oddělení analogového signálu na dvou optočlenech.
Toto řešení má výhody i nevýhody. Výhodou je vyšší izolační napětí, nevýhodou je, že dva mikroobvody se mohou parametry výrazně lišit, proto se mimochodem doporučuje použít mikroobvody ze stejné šarže.
Sestavil jsem tento obvod na čipu 6n136:
Obr.14. Oddělení přechodného průběhu na 6N136.
Povedlo se, ale pomalu. Zkoušel jsem sestavit na jiných mikroobvodech (například sfh615), ukázalo se, ale také pomalu. Potřeboval jsem to rychleji. Navíc obvod často nefunguje kvůli vlastním oscilacím, ke kterým dochází (v takových případech říkají, že ACS je nestabilní))) Pomáhá zvýšit hodnotu kondenzátoru C2 obr. 16.
Jeden kamarád poradil domácí optočlen AOD130A. Výsledek obličeje:
Obr.15. Oscilogram přechodného oddělení na AOD130A.
A tady je schéma:
Obr.16: Schéma oddělení u AOD130A.
Je potřeba jeden potenciometr (RV1 nebo RV2), podle toho, zda je výstupní signál menší nebo větší než vstupní. V zásadě bylo možné dát do série pouze jeden RV=2k s R3=4,7k, nebo dokonce nechat pouze RV2=10k bez R3. Princip je jasný: umět upravit kolem 5k.
Čip pro izolaci signálního transformátoru
Přejděme k možnosti transformátoru. Mikroobvod ADUM3190 je dostupný ve dvou verzích na 200 a 400 kHz (já mám ADUM3190TRQZ na 400), existuje i mikroobvod pro vyšší izolační napětí ADUM4190. Podotýkám, že pouzdro je ze všech nejmenší - QSOP16. Výstupní napětí Eaout od 0,4 do 2,4V. v mém mikročipu výstupní napětí posunutí asi 100 mV (je vidět na oscilogramu obr. 18). Obecně to funguje dobře, ale osobně nejsem úplně spokojený s rozsahem výstupního napětí. Sestaveno podle schématu z dokumentace:
Obr.17. Diagram ADUM3190 z dokumentace.
Některé průběhy:
Obr.18. Oscilogram přechodného děje ADUM3190.
Výsledek
Shrnout. Podle mě je nejlepší varianta schéma pro domácí ADO130A (kde je jen vzali?!). A na závěr malá srovnávací tabulka:
| Čip | tr+zpoždění (podle oscilátorů), µs | tf+zpoždění (podle oscilátorů), µs | Rozsah napětí, V | Napětí izolace, V | Šum (oscil.) mVp-p. | Cena** za kus, r (05.2018) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IL300 | 10 | 15 | 0-3* | 4400 | 20 | 150 |
| HCNR201 | 15 | 15 | 0-3* | 1414 | 25 | 150 |
| LOC110 | 4 | 6 | 0-3* | 3750 | 15 | 150 |
| ACPL-C87B | 15 | 15 | 0-2 | 1230 | nd | 500 |
| 6N136 | 10 | 8 | 0-3* | 2500 | 15 | 50 |
| AOD130A | 2 | 3 | 0.01-3* | 1500 | 10 | 90 |
| ADUM3190T | 2 | 2 | 0.4-2.4 | 2500 | 20 | 210 |
*- přibližně (podle sestavený obvod s optimalizací rychlosti)
** - průměrná cena za minimum.
Jaroslav Vlasov
P.S. AOD130A vyrobený Proton OJSC (vyryto jejich logem v černém pouzdře) je dobrý. Ty staré (90. léta v hnědém pouzdře) nejsou dobré.
Série článků se skládá ze tří částí:
Zásahy do schémat.
Během normálního provozu elektronického zařízení se může v obvodu objevit šum.
Rušení může nejen narušit normální provoz zařízení, ale také vést k jeho úplnému selhání.
Rýže. 1. Rušení užitečného signálu.
Rušení můžete vidět na obrazovce osciloskopu jeho zařazením do zkoumané části obvodu (obr. 1). Doba trvání interference může být buď velmi krátká (jednotky nanosekund, tzv. "jehly") nebo velmi dlouhá (několik sekund). Tvar a polarita interference je také odlišná.
K šíření (průchodu) rušení dochází nejen drátovými spoji obvodu, ale někdy i mezi částmi obvodu, které nejsou propojeny vodiči. Kromě toho lze interference překrývat, sčítat navzájem. Jediné slabé rušení tedy nemusí způsobit poruchu v obvodu zařízení, ale současné nahromadění několika slabých náhodných rušení vede k nesprávnému fungování zařízení. Tato skutečnost mnohonásobně komplikuje hledání a odstraňování rušení, protože nabývají ještě náhodnějšího charakteru.
Zdroje rušení lze zhruba rozdělit na:
- Vnější zdroj rušení. Silné elektromagnetické nebo elektrostatické pole v blízkosti zařízení může způsobit poruchy elektronického zařízení. Například úder blesku, spínání relé vysokého proudu nebo elektrické svářečské práce.
- Vnitřní zdroj rušení. Například při zapínání/vypínání reaktivní zátěže (motor nebo elektromagnet) v zařízení může selhat zbytek obvodu. Zdrojem vnitřního rušení může být i nesprávný algoritmus programu.
Pro ochranu před vnějším rušením je konstrukce nebo její jednotlivé části umístěny v kovovém nebo elektromagnetickém stínění a používají se i obvodová řešení s menší citlivostí na vnější rušení. Od vnitřního rušení pomáhá použití filtrů, optimalizace algoritmu práce, změna konstrukce celého obvodu a umístění jeho částí vůči sobě.
Za velmi elegantní se považuje nepotlačovat veškeré rušení bez rozdílu, ale záměrně je nasměrovat do těch míst v obvodu, kde vymřou, aniž by způsobily újmu. V některých případech je tento způsob mnohem jednodušší, kompaktnější a levnější.
Odhadnout pravděpodobnost rušení v obvodech a způsoby, jak jim zabránit, není snadný úkol, vyžaduje teoretické znalosti a praktické zkušenosti. S tvrdostí však můžeme říci, že pravděpodobnost interference se zvyšuje:
- se zvýšením spínaného proudu nebo napětí v obvodu,
- se zvyšující se citlivostí částí obvodu,
- se zvýšením rychlosti aplikovaných dílů.
Aby nedošlo k předělání hotového návrhu kvůli častým poruchám, je lepší se seznámit s možnými zdroji a cestami šíření rušení již ve fázi návrhu obvodu. Vzhledem k tomu, že zhruba polovina všech projevů rušení je spojena se „špatným“ napájením, je nejlepší začít navrhovat zařízení s výběrem způsobu napájení jeho částí.
Rušení napájení.
Obrázek 2 ukazuje typické blokové schéma elektronického zařízení, které se skládá z napájecího zdroje, řídicího obvodu, ovladače a ovladače.
Většina nejjednodušších robotů ze série na tomto webu je postavena podle tohoto schématu.
Rýže. 2. Společné napájení řídicí a silové části.
V takových schématech lze podmíněně rozlišit dvě části: ovládání a výkon. Řídicí část spotřebovává relativně málo proudu a obsahuje libovolné řídicí nebo výpočetní obvody. Výkonová část spotřebovává mnohem více proudu a obsahuje zesilovač a ukončovací zátěž.
Podívejme se podrobněji na každou část obvodu.
Rýže. 2a.
Zdroj energie(obr. 2 a.) mohou být "baterie" nebo napájecí zdroj síťového transformátoru. Součástí napájecího zdroje může být také regulátor napětí a malý filtr.
Rýže. 2b.
Schéma ovládání- jedná se o část schématu (obr. 2 b.), kde jsou jakékoli informace zpracovávány v souladu s činností algoritmu. Mohou sem také přicházet signály z externích zdrojů, například z libovolných senzorů. Samotný řídicí obvod lze sestavit pomocí mikrokontrolérů nebo jiných mikroobvodů nebo na diskrétních prvcích.
Komunikační linky jednoduše připojují řídicí obvod k ovladači akčního členu, to znamená, že jsou to jen kabely nebo dráhy PCB.
Rýže. 2 palce
Výkonné zařízení(obr. 2 c.) je často mechanismus, který převádí elektrický signál na mechanická práce jako je elektromotor nebo elektromagnet. To znamená, že aktuátor převádí elektrický proud na jinou formu energie a obvykle spotřebovává relativně velký proud.
Rýže. 2 r.
Jelikož je signál z řídícího obvodu velmi slabý, tak ovladač nebo zesilovač(obr. 2d) je nedílnou součástí mnoha schémat. Ovladač může být proveden například pouze na jednom tranzistoru nebo speciálním mikroobvodu, v závislosti na typu akčního členu.
Hlavním zdrojem silného rušení je zpravidla akční člen. Rušení, které se zde objevilo, se po průchodu ovladačem šíří dále po napájecí sběrnici (rušení na obr. 2 je schematicky znázorněno oranžovou šipkou). A jelikož je řídicí obvod napájen ze stejného zdroje napájení, je pravděpodobné, že toto rušení ovlivní i jeho. To znamená, že například rušení, které se objeví v motoru, projde ovladačem a může vést k poruše v řídicím obvodu.
V jednoduchých obvodech stačí paralelně se zdrojem dát vysokokapacitní kondenzátor asi 1000 mikrofarad a keramický 0,1 mikrofarad. Budou fungovat jako jednoduchý filtr. V obvodech s odběrovými proudy přibližně 1 ampér nebo více budete muset pro ochranu před silným rušením složitého tvaru instalovat objemný složitý filtr, ale to vždy nepomůže.
V mnoha schématech nejvíce jednoduchým způsobem zbavit se vlivů rušení napomáhá použití oddělených napájecích zdrojů pro řídicí a silovou část obvodu, tedy použití tzv. samostatné napájení.
Ačkoli oddělené napájení se používá nejen k boji proti rušení.
Samostatné jídlo.
Na Obr. 3 ukazuje blokové schéma zařízení. Tento obvod využívá dva napájecí zdroje. Výkonová část obvodu je napájena z napájení 1, a schéma ovládání - od napájení 2. Oba napájecí zdroje jsou spojeny jedním z pólů, tento vodič je společný pro celý obvod a signály jsou vůči němu přenášeny po komunikační lince.
Rýže. 3. Oddělte napájení pro ovládací a silovou část.
Na první pohled vypadá takový obvod se dvěma napájecími zdroji těžkopádně a složitě. Ve skutečnosti se takové samostatné napájecí obvody používají například v 95 % veškerého vybavení domácností. Samostatné napájecí zdroje jsou jen různá vinutí transformátorů s různými napětími a proudy. To je další výhoda samostatných napájecích obvodů: v jednom zařízení lze použít několik jednotek s různým napájecím napětím. Například použijte 5 voltů pro regulátor a 10-15 voltů pro motor.
Při pohledu na schéma na Obr. 3 je vidět, že rušení z napájecí jednotky se nemůže dostat do řídící jednotky po elektrickém vedení. V důsledku toho zcela odpadá potřeba jej potlačovat nebo filtrovat.
Rýže. 4. Oddělte napájecí zdroj se stabilizátorem.
V mobilních konstrukcích, například mobilních robotů, není vzhledem k rozměrům vždy vhodné použít dva akumulátory. Proto lze vytvořit samostatný napájecí zdroj s použitím jediné baterie. V tomto případě bude řídicí obvod napájen z hlavního napájecího zdroje přes stabilizátor s nízkopříkonovým filtrem, Obr. 4. V tomto obvodu je třeba vzít v úvahu úbytek napětí na stabilizátoru zvoleného typu. Obvykle se používá baterie s vyšším napětím, než je napětí požadované řídicím obvodem. V tomto případě je zachována provozuschopnost obvodu i při částečném vybití baterií.
Rýže. 5. L293 se samostatným napájením.
Mnoho mikroobvodů ovladače je okamžitě speciálně navrženo pro použití v samostatných napájecích obvodech. Například známý čip ovladače L293 ( Rýže. 5) má výstup Vss- k napájení řídicího obvodu (Logic Supply Voltage) a výstupu vs- pro napájení koncových stupňů napájecího driveru (Supply Voltage nebo Output Supply Voltage).
Ve všech provedeních robotů s mikrokontrolérem nebo logickým čipem z řady můžete L293 zapnout samostatným napájecím obvodem. Napájecí napětí výkonové části (napětí pro motory) se v tomto případě může pohybovat v rozmezí od 4,5 do 36 voltů a na Vss lze přivést napětí stejné jako pro napájení mikrokontroléru nebo logického čipu (obvykle 5 voltů) .
Pokud je řídicí část (mikrokontrolér nebo logický čip) napájena přes stabilizátor a výkonová část je napájena přímo z bateriového bloku, lze tím výrazně ušetřit energetické ztráty. Protože stabilizátor bude napájet pouze řídicí obvod, nikoli celou strukturu. To - další výhoda samostatného napájení: úspora energie.
Pokud se znovu podíváte na schéma na obrázku 3, můžete vidět, že kromě společného vodiče (GND) je silová část s řídicím obvodem propojena také komunikačními linkami. V některých případech může šum také procházet těmito vodiči z výkonové části do řídicího obvodu. Kromě toho jsou tyto komunikační linky často vysoce citlivé na elektromagnetické vlivy („pickup“). Těchto škodlivých jevů se můžete jednou provždy zbavit aplikací tzv galvanická izolace.
I když galvanická izolace se také používá nejen k boji proti rušení.
Galvanická izolace.
Na první pohled se taková definice může zdát neuvěřitelná!
Jak můžete vyslat signál bez elektrický kontakt?
Ve skutečnosti existují dokonce dva způsoby, které to umožňují.
Rýže. 6.
Přenos optického signálu postaven na fenoménu fotosenzitivity polovodičů. K tomu slouží dvojice LED a fotocitlivé zařízení (fototranzistor, fotodioda), obr. 6.
Rýže. 7.
Dvojice LED fotodetektorů je izolována v jednom krytu proti sobě. Tento detail se nazývá optočlen(cizí jméno optokopler), Obrázek 7.
Pokud přes LED optočlenu prochází proud, změní se odpor vestavěného fotodetektoru. Takto dochází k bezkontaktnímu přenosu signálu, protože LED je zcela izolována od fotodetektoru.
Pro každou linku pro přenos signálu je vyžadován samostatný optočlen. Frekvence opticky přenášeného signálu se může pohybovat od nuly do několika desítek nebo stovek kilohertzů.
Rýže. osm.
Indukční přenos signálu je založen na jevu elektromagnetické indukce v transformátoru. Když se změní proud v jednom z vinutí transformátoru, změní se proud v druhém vinutí. Signál je tedy přenášen z prvního vinutí do druhého (obr. 8). Toto spojení mezi vinutími se také nazývá transformátor, a transformátor pro galvanické oddělení je někdy označován jako oddělovací transformátor.
Rýže. 9.
Konstrukčně jsou transformátory obvykle vyrobeny na prstencovém feritovém jádru a vinutí obsahují několik desítek závitů drátu (obr. 9). Navzdory zjevné složitosti takového transformátoru jej lze vyrobit nezávisle za několik minut. Prodávají se i hotové transformátory malých rozměrů pro galvanické oddělení.
Pro každé vedení přenosu signálu je vyžadován samostatný takový transformátor. Frekvence přenášeného signálu se může pohybovat od několika desítek hertzů až po stovky tisíc megahertzů.
V závislosti na typu přenášeného signálu a požadavcích na obvod lze zvolit buď transformátor nebo optické galvanické oddělení. V obvodech s galvanickým oddělením na obou stranách se často instalují speciální převodníky, které odpovídají (spojování, propojení) se zbytkem obvodu.
Zvažte nyní blokové schéma využívající galvanické oddělení mezi řídicí a výkonovou částí na obrázku 10.
Rýže. 10. Samostatné napájení a galvanické oddělení komunikačního kanálu.
Podle tohoto schématu je vidět, že jakékoli rušení ze silové části nemá jak proniknout do řídicí části, protože mezi částmi obvodu není žádný elektrický kontakt.
Absence elektrického kontaktu mezi částmi obvodu v případě galvanického oddělení umožňuje bezpečně ovládat akční členy s vysokonapěťovým výkonem. Například některý druh ústředny napájený několika volty lze galvanicky oddělit od fázového napětí sítě několik stovek voltů, což zvyšuje bezpečnost obsluhy. To je důležitá výhoda obvodů s galvanickým oddělením.
Řídicí obvody s galvanickým oddělením lze téměř vždy nalézt v kritických zařízeních, stejně jako ve spínaných zdrojích. Zejména tam, kde existuje byť jen sebemenší šance na rušení. Ale i v amatérských zařízeních se používá galvanické oddělení. Jelikož mírná komplikace obvodu galvanickým oddělením přináší naprostou důvěru v bezproblémový chod zařízení.
Soudě podle několika nedávných příspěvků by bylo hezké zdůraznit, co je galvanická izolace a proč je potřeba. Tak:
Galvanická izolace- přenos energie nebo signálu mezi elektrickými obvody bez elektrického kontaktu mezi nimi.
A teď se podívejme na pár příkladů :)
Příklad 1. Síť
Nejčastěji se mluví o galvanickém oddělení ve vztahu k napájení ze sítě a zde je důvod. Představte si, že jste rukou chytili drát ze zásuvky. Vaše "připojení" z hlediska elektřiny vypadá takto:A ano, svodový proud pantoflí je dostatečný k tomu, abyste ucítili „ránu“, když se dotknete „fázového“ drátu sítě. Pokud jsou pantofle suché, pak je takový „úder“ obvykle neškodný. Pokud však stojíte bosí na mokré podlaze, následky mohou být velmi hrozivé.
Je úplně jiná věc, pokud je v obvodu transformátor: 
Pokud se dotknete jedné ze svorek transformátoru, neproteče vámi žádný proud – prostě nemá kam téct, druhá svorka transformátoru visí ve vzduchu. Pokud samozřejmě chytneš oba vývody transformátoru a ten vydá dostatečné napětí, tak to hltá a tak dále.
V tomto případě tedy transformátor poskytuje galvanické oddělení. Kromě transformátoru je jich mnohem více různé způsoby přenášet signál bez vytvoření elektrického kontaktu:
- Optické: optočleny, optické vlákno, solární panely
- Rádio: přijímače, vysílače
- Zvuk: reproduktor, mikrofon
- Kapacitní: přes velmi malý kondenzátor
- Mechanické: motor-generátor
- Stále můžete přemýšlet
Příklad 2: Osciloskop
Existuje mega-klasický způsob, jak vyhodit do vzduchu polovinu schématu. Fórum má dokonce odpovídající. Faktem je, že mnoho lidí zapomíná, že osciloskop (a mnoho dalších zařízení) je spojen se zemí. Takto vypadá úplný obrázek, když připojíte osciloskop k obvodu napájenému přímo ze sítě:
Pamatujte – jakmile něco zapojíte do obvodu, stane se to součástí obvodu! To platí i pro různá měřící zařízení.
Správný způsob měření do něčeho v takovém obvodu je připojit to přes izolační transformátor 220->220: 
Hotové transformátory 220-> 220 se shánějí poměrně obtížně. Využít tedy můžete tzv. posunovače. Posuvník jsou dva transformátory, například 220-> 24, vypnuté v sérii takto: 
Jak to vypadá v praxi, jste pravděpodobně viděli v: 
Výměna je ještě lepší než jeden transformátor 220->220.
- Poskytují poloviční kapacitu mezi vstupem a výstupem
- Střední část lze uzemnit a tím je velmi dobré odfiltrovat rušení ze sítě
- Můžete zapnout 3 transformátory a pak můžete získat 440 nebo 110 voltů
píseň
Kdysi dávno jsem dokonce napsal píseň na téma galvanické izolace. Píseň pod spoilerem.Píseň, text a vysvětlení
Tuto mini písničku jsem nahrál, když jsem dělal různou audio elektroniku. Jeden kamarád vyrobil lotion na lampovou kytaru a v domnění, že transformátor, který z 220 udělá 220 je úplně k ničemu, ho vyhodil z obvodu, za což zaplatil. Říkal jsem si, že tohle je docela téma na metalovou miniskladbu.
Čau Oldfagu! Váš prohlížeč nepodporuje html5! Obnovit!
Nedal jsi anodový transformátor
Napájeno přímo ze sítě
Pod nohou byla baterie
A chytil jsi kytaru rukouProud proniká smrtelným tělem
Svíjející se smrtelné maso
Nemůžeš otevřít ruku
Jste sami a nikdo vám nemůže pomociTrhání a pálení
Elektrony zmáčknou vaše srdce
Porazí nebo odezní?
Bezpečnost, pamatujte, je nade vše.
Mimochodem, kromě rozuzlení v této malé písničce existují ještě dva dobré tipy:
- Ano, všechny fungují síťové napětí musí provádět alespoň dvě osoby.
- Při zasažení proudem se ruka smršťuje, proto je nejprve lepší dotýkat se zařízení hřbetem pravé ruky.
Závěr
Tím téma rozuzlení samozřejmě nekončí. Například je velmi obtížné přenášet rychlé signály přes ústřednu. Ale o tom - o něco později.Galvanická izolace. optočlenový obvod
| Optočlen, také známý jako optočlen, je elektronická součástka, která přenáší elektrické signály mezi dvěma izolovanými elektrickými obvody pomocí infračerveného světla. Jako izolant může optočlen bránit průchodu vysokého napětí podél řetězu. K přenosu signálů přes světelnou závoru dochází pomocí IR LED a základem struktury optočlenu je fotocitlivý prvek, např. fototranzistor. Optočleny jsou dostupné v různých modelech a vnitřních konfiguracích. Jednou z nejběžnějších je IR dioda a fototranzistor společně ve 4pinovém pouzdře, jak je znázorněno na obrázku.
Během provozu nesmí být překročeny určité parametry. Tyto maximální hodnoty se používají ve spojení s grafy pro správný návrh režimu provozu.
Na vstupní straně má infračervená emitující dioda určitý maximální propustný proud a napětí, jejichž překročení způsobí spálení emitujícího prvku. Ale ani signál, který je příliš malý, nebude schopen jej rozzářit a nedovolí, aby byl impuls přenášen dále po obvodu. Výhody optočlenů
Nevýhody optočlenů
Aplikace optočlenů
Všestrannost optočlenů jako prvků galvanické izolace a bezdotykového řízení, rozmanitost a jedinečnost mnoha dalších funkcí jsou důvodem, proč oblastmi použití optočlenů jsou výpočetní technika, automatizace, komunikační a rádiová zařízení, automatizované řídicí systémy, měřicí technika. , řídicí a regulační systémy, lékařská elektronika, vizuální zobrazovací zařízení. Více o různé typy optočleny, viz tento dokument. |
elwo.ru
Galvanické oddělení: principy a schéma
Galvanické oddělení je principem elektrického oddělení uvažovaného proudového obvodu ve vztahu k ostatním obvodům, které jsou přítomny v jednom zařízení a zlepšuje technický výkon. Galvanická izolace používá se k řešení následujících úloh:
- Dosažení nezávislosti signálového řetězce. Používá se při připojování různých zařízení a zařízení, zajišťuje nezávislost obvodu elektrického signálu s ohledem na proudy, které vznikají při připojování různých typů zařízení. Nezávislá galvanická vazba řeší problémy elektromagnetické kompatibility, snižuje vliv rušení, zlepšuje odstup signálu od šumu v signálových obvodech a zvyšuje skutečnou přesnost měření probíhajících procesů. Galvanické oddělení s izolovaným vstupem a výstupem přispívá ke kompatibilitě zařízení s různá zařízení za složitých parametrů elektromagnetického prostředí. Vícekanálový měřící nástroje mají skupinové nebo kanálové výměny. Oddělení může být stejné pro několik měřicích kanálů nebo může být kanál po kanálu pro každý kanál autonomně.
- Splnění požadavků současného GOST 52319-2005 na elektrickou bezpečnost. Norma upravuje odpor izolace v elektrických řídicích a měřicích zařízeních. Galvanické oddělení je považováno za jedno ze souboru opatření k zajištění elektrické bezpečnosti, musí fungovat souběžně s dalšími způsoby ochrany (uzemnění, obvody omezující napětí a proud, bezpečnostní armatury atd.).
Může být zajištěno oddělení různé metody a technické prostředky: galvanické lázně, indukční transformátory, digitální izolátory, elektromechanická relé.
Schémata řešení pro galvanické oddělení
Při výstavbě komplexních systémů pro digitální zpracování příchozích signálů souvisejících s provozem v průmyslových podmínkách musí galvanické oddělení řešit následující úkoly:
- Chraňte počítačové obvody před kritickými proudy a napětími. To je důležité, pokud provozní podmínky zahrnují vystavení průmyslovým elektromagnetickým vlnám, jsou potíže s uzemněním atd. K takovým situacím dochází také u vozidel, která mají velký vliv člověka. Chyby mohou způsobit úplné selhání drahého zařízení.
- Chraňte uživatele před poškozením elektrický šok. Nejběžnější problém se týká zdravotnických prostředků.
- Minimalizujte škodlivé účinky různých interferencí. Důležitý faktor v laboratořích, které provádějí přesná měření, při stavbě přesných systémů, na metrologických stanicích.
V současné době jsou široce používány transformátorové a optoelektronické izolace.
Princip činnosti optočlenu
Optočlenový obvod
Světelná dioda je předepjatá a přijímá světlo pouze z fototranzistoru. Podle této metody se provádí galvanické spojení obvodů, které jsou spojeny na jedné straně s LED a na druhé straně s fototranzistorem. Mezi výhody optoelektronických zařízení patří schopnost přenášet komunikaci v širokém rozsahu, schopnost přenášet čisté signály na vysokých frekvencích a malé lineární rozměry.
Násobiče elektrických impulsů
Poskytují požadovanou úroveň elektrické izolace, skládají se z vysílačů-emitorů, komunikačních linek a přijímacích zařízení.
Pulzní multiplikátory
Komunikační linka musí zajišťovat požadovanou úroveň izolace signálu, v přijímacích zařízeních jsou impulsy zesíleny na hodnoty potřebné pro spuštění tyristorů.
Použití elektrických transformátorů pro oddělení zvyšuje spolehlivost instalované systémy postavena na bázi sériových multikomplexních kanálů pro případ výpadku jednoho z nich.
Parametry multiplexních kanálů
Kanálové zprávy se skládají z informačních, příkazových nebo odpovědních signálů, jedna z adres je volná a používá se k provádění systémových úloh. Použití transformátorů zvyšuje spolehlivost fungování systémů sestavených na základě sériových multikomplexních kanálů a zajišťuje provoz zařízení v případě poruchy několika přijímačů. Díky použití vícestupňového řízení přenosu na úrovni signálu jsou k dispozici indikátory vysoké odolnosti proti šumu. V obecný režim fungování, je povoleno odesílání zpráv několika spotřebitelům, což usnadňuje počáteční inicializaci systému.
Nejjednodušším elektrickým zařízením je elektromagnetické relé. Ale galvanické oddělení založené na tomto zařízení má velkou setrvačnost, relativně velké rozměry a může poskytnout jen malému počtu spotřebitelů velké množství spotřebované energie. Takové nedostatky brání širokému použití relé.
Push-pull galvanické oddělení může výrazně snížit množství elektrické energie spotřebované v režimu plné zátěže, a tím zlepšit ekonomický výkon zařízení.
Odpojování push-pull
Díky použití galvanického oddělení je možné vytvářet moderní obvody automatické ovládání, diagnostiku a řízení s vysokou bezpečností, spolehlivostí a stabilitou provozu.
plast-product.ru
Galvanická izolace. Kdo, když ne optočlen?
V elektronice existuje něco jako galvanická izolace. Jeho klasická definice je přenos energie nebo signálu mezi elektrickými obvody bez elektrického kontaktu. Pokud jste začátečník, pak vám tato formulace bude připadat velmi obecná a dokonce záhadná. Pokud máte inženýrské zkušenosti nebo si jen dobře pamatujete fyziku, pak jste s největší pravděpodobností již přemýšleli o transformátorech a optočlenech.
Článek pod střihem je věnován různé způsoby galvanická izolace digitální signály. Řekneme vám, proč je to vůbec potřeba a jak výrobci implementují izolační bariéru „uvnitř“ moderních mikroobvodů.
Řeč, jak již bylo zmíněno, se zaměří na izolaci digitálních signálů. Dále v textu galvanickým oddělením rozumíme přenos informačního signálu mezi dvěma nezávislými elektrickými obvody.
Proč je to potřeba
Existují tři hlavní úkoly, které se řeší oddělením digitálního signálu.
První věc, která vás napadne, je ochrana proti vysokému napětí. Zajištění galvanického oddělení je skutečně bezpečnostním požadavkem pro většinu elektrických spotřebičů. Nechte mikrokontrolér, který má přirozeně nízké napájecí napětí, nastavit řídicí signály pro výkonový tranzistor nebo jiné vysokonapěťové zařízení. To je více než běžný úkol. Pokud mezi driverem, který zvyšuje výkon a napětí řídicího signálu, a řídicím zařízením není žádná izolace, pak mikrokontrolér riskuje, že jednoduše shoří. Vstupně-výstupní zařízení jsou navíc obvykle spojena s řídicími obvody, což znamená, že osoba, která zmáčkne tlačítko „zapnout“, může obvod snadno uzavřít a dostat ráz několik set voltů. Galvanické oddělení signálu tedy slouží k chránit lidi a zařízení. 
Neméně populární je použití mikroobvodů s izolační bariérou pro rozhraní elektrických obvodů s různým napájecím napětím. Všechno je zde jednoduché: mezi obvody není žádné „elektrické spojení“, takže signál, logické úrovně informačního signálu na vstupu a výstupu mikroobvodu, budou odpovídat napájení na „vstupu“ a „výstupu“. ” obvody, resp. 
Galvanické oddělení se také používá ke zvýšení odolnosti systémů proti rušení. Jedním z hlavních zdrojů rušení radioelektronických zařízení je tzv. společný vodič, často tělo zařízení. Při přenosu informace bez galvanického oddělení poskytuje společný vodič celkový potenciál vysílače a přijímače nezbytný pro přenos informačního signálu. Jelikož společný vodič obvykle slouží jako jeden z napájecích pólů, dochází k připojení různých elektronických zařízení, zejména silových, ke krátkodobému impulznímu šumu. Při výměně jsou vyloučeny elektrické připojení» pro připojení přes izolační bariéru. 
Jak to funguje
Tradičně je galvanické oddělení postaveno na dvou prvcích - transformátorech a optočlenech. Pokud vynecháte detaily, pak první se používají pro analogové signály a druhé pro digitální. Uvažujeme pouze druhý případ, proto má smysl čtenáři připomenout, kdo je optočlen.Pro přenos signálu bez elektrického kontaktu se používá dvojice světelného zářiče (nejčastěji LED) a fotodetektoru. Elektrický signál na vstupu je přeměněn na "světelné pulsy", prochází vrstvou propouštějící světlo, je přijímán fotodetektorem a je převáděn zpět na elektrický signál.
Izolace optočlenů si získala obrovskou popularitu a po několik desetiletí byla jedinou technologií pro oddělení digitálních signálů. S rozvojem polovodičového průmyslu, s integrací všeho a všech se však objevily mikroobvody, které realizují izolační bariéru na úkor ostatních, více moderní technologie. Digitální izolátory jsou mikroobvody, které poskytují jeden nebo více izolovaných kanálů, z nichž každý „překonává“ optočlen v rychlosti přenosu signálu a přesnosti, pokud jde o odolnost proti šumu a nejčastěji v ceně za kanál.
Izolační bariéra digitálních izolátorů se vyrábí různými technologiemi. Známá společnost Analog Devices používá pulzní transformátor jako bariéru v digitálních izolátorech ADUM. Uvnitř pouzdra mikroobvodu jsou dva krystaly a pulsní transformátor, vyrobený samostatně na polimidovém filmu. Krystalový vysílač generuje dva krátké impulsy podél přední části informačního signálu a jeden impuls podél poklesu informačního signálu. pulzní transformátor umožňuje s mírným zpožděním přijímat na vysílači krystalové impulsy, na kterých se provádí inverzní převod.
Popsaná technologie se úspěšně používá při realizaci galvanického oddělení, v mnoha ohledech předčí optočleny, má však řadu nevýhod spojených s citlivostí transformátoru na rušení a rizikem zkreslení při práci s krátkými vstupními impulsy.
Mnohem vyšší úroveň odolnosti proti rušení je zajištěna v mikroobvodech, kde je izolační bariéra implementována na kapacitách. Použití kondenzátorů umožňuje vyloučit komunikaci přes stejnosměrný proud mezi přijímačem a vysílačem, což v signálových obvodech odpovídá galvanickému oddělení. 
Pokud vás poslední věta nadchla .. Pokud cítíte palčivou touhu křičet, že na kondenzátorech nemůže být galvanické oddělení, tak doporučuji navštívit podobná vlákna. Až váš vztek opadne, vezměte prosím na vědomí, že všechny tyto kontroverze se datují do roku 2006. Tam, stejně jako v roce 2007, se, jak víte, nevrátíme. A izolátory s kapacitní bariérou se dávno vyrábějí, používají a fungují perfektně.
Výhody kapacitního oddělení jsou vysoká energetická účinnost, malé rozměry a odolnost vůči vnějším magnetickým polím. To vám umožní vytvářet levné integrované izolátory s vysoké sazby spolehlivost. Vyrábějí je dvě společnosti – Texas Instruments a Silicon Labs. Tyto společnosti používají různé technologie pro vytvoření kanálu, nicméně v obou případech je jako dielektrikum použit oxid křemičitý. Tento materiál má vysokou elektrickou pevnost a již několik desetiletí se používá při výrobě mikroobvodů. Výsledkem je, že SiO2 je snadno integrován do krystalu a dielektrická vrstva o tloušťce několika mikrometrů je dostatečná k zajištění izolačního napětí několika kilovoltů.Na jedné (pro Texas Instruments) nebo na obou (pro Silicon Labs) jsou umístěny kondenzátorové podložky. Krystaly jsou propojeny přes tyto podložky, takže informační signál prochází z přijímače do vysílače přes izolační bariéru Přestože Texas Instruments a Silicon Labs používají velmi podobné technologie pro integraci kapacitní bariéry na čip, používají zcela odlišné principy přenosu informační signál.
Každý izolovaný kanál u Texas Instruments je poměrně složitý obvod.
Zvažte jeho „spodní polovinu“. Informační signál je přiváděn do RC řetězců, ze kterých jsou odebírány krátké impulsy podél náběžné a sestupné hrany vstupního signálu a pomocí těchto impulsů je signál obnoven. Tento způsob průchodu kapacitní bariérou není vhodný pro pomalu se měnící (nízkofrekvenční) signály. Výrobce tento problém řeší duplikací kanálů – „spodní polovina“ obvodu je vysokofrekvenční kanál a je určena pro signály od 100 Kbps. Signály pod 100 kbps jsou zpracovávány v "horní polovině" okruhu. Vstupní signál je podroben předběžné PWM modulaci s vysokou hodinovou frekvencí, modulovaný signál je přiveden na izolační bariéru, signál je obnoven impulsy z RC řetězců a dále demodulován. Rozhodovací obvod na výstupu izolovaného kanálu „rozhoduje“, ze které „poloviny“ má být signál odeslán na výstup mikroobvodu.
Jak můžete vidět na diagramu kanálů izolátoru Texas Instruments, nízkofrekvenční i vysokofrekvenční kanály používají diferenciální signalizaci. Dovolte mi, abych čtenáři připomněl její podstatu.
Diferenciální převodovka je jednoduchá a efektivní způsob ochrana proti běžnému rušení. Vstupní signál na straně vysílače je „rozdělen“ na dva vzájemně inverzní signály V+ a V-, které jsou stejně ovlivňovány běžným rušením různé povahy. Přijímač odečítá signály a v důsledku toho je eliminován šum Vsp.
Diferenciální přenos se také používá v digitálních izolátorech od Silicon Labs. Tyto mikroobvody mají jednodušší a spolehlivější strukturu. Aby vstupní signál prošel kapacitní bariérou, je podroben vysokofrekvenční modulaci OOK (On-Off Keyring). Jinými slovy, "jeden" z informačního signálu je zakódován přítomností vysokofrekvenčního signálu a "nula" - nepřítomností vysokofrekvenčního signálu. Modulovaný signál prochází bez zkreslení dvojicí kapacit a je obnoven na straně vysílače.