Гальваническая развязка аналогового сигнала — Робомехс

Гальваническая развязка — применение и принцип действия

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

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

Принцип действия

Гальваническая развязка в соответствии со своей функцией известна также под понятием гальванической изоляции. Данные системы обеспечивают электрическую изоляцию конкретной цепи по отношению к другим видам цепей, находящихся рядом. Применение гальванических развязок дает возможность бесконтактного управления, обеспечивает надежную защиту людей и оборудования от поражения электротоком.

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

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

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

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

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

Трансформаторная (индуктивная) развязка

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

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

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

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

Гальваническая развязка оптоэлектронного типа

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

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

Читайте также:  Как сделать габариты в поворотниках ваз 2112

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

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

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

Принцип действия емкостной развязки

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

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

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

Работа электромеханической развязки

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

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

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

Принцип работы гальванического элемента

Что такое гальванический элемент

Импульсный блок питания

Принцип действия поляризованного реле

Трансформаторы тока назначение и принцип действия

Гальваническая развязка (Часть 1). Виды и работа

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

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

Принцип действия

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

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

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

Виды

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

Индуктивная развязка

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Диодная оптопара

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

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

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

Транзисторная оптопара

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

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

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

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

Такая гальваническая развязка обладает некоторыми преимуществами:

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

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

Гальваническая развязка (Часть 2). Виды и задачи. Особенности

Гальваническая развязка это один из способов защитить работающий с электрическим оборудованием персонал. Такая развязка является основной мерой создания безопасности, которую необходимо рассматривать наровне с другими мерами безопасности: ограничение напряжения, заземление и зануление.

Емкостная гальваническая развязка

Такой вид развязки электрических цепей является еще одной разновидностью развязки цепей. При этом между цепями нет связи по току, земле и другим элементам.

В развязке, выполненной емкостями, для передачи данных применяется переменное электрическое поле. Между пластинами конденсаторов находится диэлектрик, который является изолятором между цепями.

Электрические параметры такой развязки определяют свойства диэлектрика, расстояние между обкладками и их размер. Достоинством емкостной гальванической изоляции является повышенная энергетическая эффективность, небольшие размеры устройства, способность передачи электроэнергии и невосприимчивость к внешним электромагнитным полям.

Это дает возможность создать экономичные и дешевые интегральные изоляторы, которые обладают устойчивостью к внешним факторам. Одним из недостатков развязки на основе конденсаторов является отсутствие дифференциального сигнала, в отличие от гальванической развязки индуктивного вида. В результате помехи и шум будут проходить вместе с рабочим сигналом.

Читайте также:  Понятия и определения принятые для поршневых двигателей

Поэтому для нормальной работы помехи и частоту сигнала разделяют таким образом, чтобы емкость оказывала незначительное сопротивление рабочему сигналу, а для помех была бы хорошей преградой. Так же как и в трансформаторной развязке, здесь применяется кодирование сигнала с дальнейшим его детектированием.

Недостатком конденсаторной развязки можно назвать невозможность передачи данных с постоянной составляющей. Емкостная гальваноразвязка – это наиболее дешевый вариант развязки электрических цепей. Однако из-за своей малой эффективности и отсутствия защиты от помех он не нашел широкого применения.

Электромеханическая развязка

Принцип работы электромеханического варианта развязки заключается в использовании реле, которое служит для соединения электрических цепей при определенных изменениях входящих данных. Такую развязку называют релейной.

Электромагнитное реле из-за своего простого принципа работы и повышенной надежности получило широкую популярность автоматических системах и защитных схемах электроустановок. Такие реле разделяют по виду рабочего тока на реле переменного и постоянного тока.

Реле, функционирующие на постоянном токе в свою очередь разделяют на поляризованные и нейтральные. Поляризованные реле работают в зависимости от полярности сигнала управления, реагируя соответствующим образом. Работа нейтрального реле не зависит от направления тока (полярности), который протекает по обмотке.

Действие электромагнитных реле заключается в применении электромагнитных сил, образующихся в металлическом сердечнике во время протекания тока по обмотке. Элементы реле закрепляются на основании, а сверху закрываются крышкой. Над сердечником смонтирован подвижный якорь, выполненный в виде пластины, с несколькими контактами, напротив которых расположены парные стационарные контакты.

В первоначальном положении якорь притянут пружиной. При включении питания электромагнит преодолевает усилие пружины и притягивает якорь, тем самым размыкает или замыкает пары контактов, в зависимости от устройства реле.

После отключения питания пружина притягивает якорь в первоначальное положение. Некоторые исполнения реле содержат в схеме электронные компоненты в виде конденсатора, подключенного параллельно контактам для снижения помех и уменьшения искрения, а также резистора, подключенного к катушке для четкости работы реле.

Задачи гальванической изоляции

Гальваническая развязка призвана решать две основные задачи, которые в свою очередь разделяются на несколько определенных задач.

Независимость сигнальных цепей

Обеспечение независимости цепей сигналов при подключении устройств и приборов осуществляется за счет создания гальванической изоляции независимого контура сигналов относительно других цепей, которые имеются в этих устройствах и приборах.

Такая независимость способна решить множество проблем электромагнитной совместимости:
  • Улучшение защиты от помех.
  • Снижение шума в цепи сигналов.
  • Возрастание точности измерения.

Изолированный выход или вход с помощью гальванической развязки часто способствует качественной совместимости с различными устройствами.

В измерительных системах с несколькими каналами для сбора информации гальваническая изоляция бывает:
  • Групповая. Такая развязка выполняется одна одновременно на несколько каналов.
  • Индивидуальная. Ее называют поканальной, так как она выполняется отдельно для каждого канала.
Создание электробезопасности

С помощью гальванической развязки можно сделать безопасной работу с электрооборудованием. Такая электробезопасность будет полностью удовлетворять требованиям соответствующих действующих стандартов. Для электрооборудования при работах по управлению, измерению, а также при лабораторных работах используется ГОСТ52319 – 2005. В нем определены требования к устойчивости изоляции при испытаниях.

Следует отметить, что гальваническая изоляция является технической мерой создания электробезопасности, поэтому ее рассматривают совместно с различными защитами и блокировками.

Недостатки

Главным недостатком гальванической развязки цепи является высокий уровень помех. Однако в схемах с низкой частотой эта задача решается подключением аналоговых и цифровых фильтров.

В высокочастотных цепях емкость системы по отношению к земле и емкость между катушками трансформатора является ограничивающим фактором по отношению к преимуществам систем с гальванической развязкой. Емкость с землей можно снизить с помощью оптического кабеля и уменьшения геометрических размеров изолированной системы.

Популярной ошибкой при использовании цепей с гальванической изоляцией является неправильное понимание такого термина, как «напряжение изоляции». Если эта величина в модуле ввода равна 3000 В, это отнюдь не говорит о том, что на входы модуля можно подавать такую величину напряжения при эксплуатации.

В описаниях импортных устройств гальванической изоляции не всегда имеется толковое объяснение этому понятию. В отечественной литературе по импортным приборам и устройствам неоднозначно описывается параметр напряжения изоляции. Одни описывают напряжение, допустимое при работе изоляции длительное время (рабочее напряжение).

Другие этот параметр объясняют напряжением при испытании изоляции. При этом напряжение прикладывают к изоляции в течение определенного времени. Напряжение при испытании может в несколько раз быть выше рабочего напряжения, и служит для ускоренных методов испытаний в процессе эксплуатации. Воздействие на изоляцию, определяемое таким высоким напряжением, зависит от продолжительности тестового импульса.

Ссылка на основную публикацию
Газовый баллончик Контроль Ум отзывы, цена, использование, устройство
Газовый баллончик Контроль Ум Быстрая доставка курьером до квартиры Описание Отзывы 0 Вопрос - Ответ 0 Газовый баллончик Контроль Ум...
ГАЗ-24 Волга (1969-1992) характеристики и цена, фотографии и обзор
ГАЗ 2410 - ВОЛГА - легковой автомобиль представительского класса Мощность двигателя 95лс Тип топлива Бензин Евро 1 Вид коробки передач...
ГАЗ-2402 семиместная; Волга; Юрия Никулина Украина За рулем
Золотую; Волгу; со стразами создали в Воронеже Фото: Роман Ольшанников Читайте также: Кабриолет для бедных мажоров сняли на дороге в...
Газовый двигатель внутреннего сгорания – устройство, плюсы и минусы видео; АвтоНоватор
Работа двигателя на сжатом природном газе Автомобильный справочник для настоящих любителей техники Ввиду повсеместных усилий, направленных на снижение выбросов СO2,...
Adblock detector