Izolacja galwaniczna: cel i metody. Co to jest izolacja galwaniczna Seria artykułów składa się z trzech części

Cykl artykułów składa się z trzech części:

Ingerencja w schematy.

Podczas normalnej pracy urządzenia elektronicznego w obwodzie mogą pojawić się szumy.

Zakłócenia mogą nie tylko zakłócać normalną pracę urządzenia, ale także prowadzić do jego całkowitej awarii.

Ryż. 1. Zakłócenie sygnału użytecznego.

Zakłócenie można zobaczyć na ekranie oscyloskopu, włączając go do badanej części obwodu (ryc. 1). Czas trwania interferencji może być bardzo krótki (jednostki nanosekund, tzw. „igły”) lub bardzo długi (kilka sekund). Inny jest również kształt i biegunowość interferencji.
Propagacja (przejście) zakłóceń następuje nie tylko przez połączenia przewodowe obwodu, ale czasami nawet między częściami obwodu, które nie są połączone przewodami. Ponadto zakłócenia mogą się nakładać, sumować. Tak więc pojedyncza słaba interferencja może nie spowodować awarii w obwodzie urządzenia, ale jednoczesna kumulacja kilku słabych zakłóceń losowych prowadzi do nieprawidłowej pracy urządzenia. Fakt ten wielokrotnie komplikuje wyszukiwanie i eliminację zakłóceń, ponieważ przybierają one jeszcze bardziej losowy charakter.

Źródła zakłóceń można z grubsza podzielić na:

• Zewnętrzne źródło zakłóceń. Silne pole elektromagnetyczne lub elektrostatyczne w pobliżu urządzenia może spowodować nieprawidłowe działanie urządzenia elektronicznego. Na przykład uderzenie pioruna, przełączanie przekaźników wysokoprądowych lub spawanie elektryczne.
• Wewnętrzne źródło zakłóceń. Na przykład, podczas włączania/wyłączania obciążenia biernego (silnika lub elektromagnesu) w urządzeniu, reszta obwodu może ulec awarii. Źródłem wewnętrznego szumu może być również nieprawidłowy algorytm programu.

W celu ochrony przed zakłóceniami zewnętrznymi konstrukcję lub jej poszczególne części umieszcza się w osłonie metalowej lub elektromagnetycznej, stosuje się również rozwiązania obwodów o mniejszej wrażliwości na zakłócenia zewnętrzne. Od ingerencji wewnętrznych pomaga zastosowanie filtrów, optymalizacja algorytmu pracy, zmiana konstrukcji całego obwodu i położenie jego części względem siebie.
Uważa się za bardzo eleganckie, aby nie tłumić wszystkich zakłóceń bezkrytycznie, ale celowo kierować je do tych miejsc w obwodzie, w których znikną bez powodowania szkód. W niektórych przypadkach ten sposób jest znacznie prostszy, bardziej kompaktowy i tańszy.

Oszacowanie prawdopodobieństwa wystąpienia zakłóceń w obwodach i sposobów ich zapobiegania nie jest zadaniem łatwym, wymagającym wiedzy teoretycznej i doświadczenia praktycznego. Niemniej jednak, z twardością, możemy powiedzieć, że prawdopodobieństwo zakłóceń wzrasta:

• wraz ze wzrostem przełączanego prądu lub napięcia w obwodzie,
• ze wzrostem czułości części obwodu,
• wraz ze wzrostem prędkości nakładanych części.

Aby nie przerabiać gotowego projektu z powodu częstych awarii, lepiej już na etapie projektowania obwodu zapoznać się z możliwymi źródłami i ścieżkami propagacji zakłóceń. Ponieważ około połowa wszystkich przejawów zakłóceń jest związana ze „złym” zasilaniem, najlepiej zacząć projektować urządzenie z wyborem sposobu zasilania jego części.

Zakłócenia zasilania.

Rysunek 2 przedstawia typowy schemat blokowy urządzenia elektronicznego, które składa się z zasilacza, obwodu sterującego, sterownika i elementu wykonawczego.
Większość najprostszych robotów z serii na tej stronie jest zbudowana według tego schematu.

Ryż. 2. Wspólne zasilanie części sterującej i zasilającej.

W takich schematach można warunkowo rozróżnić dwie części: kontrolę i moc. Część sterująca zużywa stosunkowo mało prądu i zawiera dowolne obwody sterujące lub obliczeniowe. Część zasilająca zużywa znacznie więcej prądu i zawiera wzmacniacz oraz obciążenie końcowe.
Rozważmy bardziej szczegółowo każdą część obwodu.

Ryż. 2a.

Źródło mocy(Rys. 2 a.) mogą być „baterie” lub zasilacz transformatora sieciowego. Zasilacz może zawierać również regulator napięcia i mały filtr.

Ryż. 2b.

System kontroli- jest to część schematu (rys. 2 b.), gdzie wszelkie informacje są przetwarzane zgodnie z działaniem algorytmu. Mogą tu również przychodzić sygnały z zewnętrznych źródeł, np. z dowolnych czujników. Sam obwód sterujący można zmontować za pomocą mikrokontrolerów lub innych mikroukładów lub na dyskretnych elementach.

Linie komunikacyjne po prostu łączą obwód sterujący ze sterownikiem siłownika, to znaczy są tylko okablowaniem lub ścieżkami PCB.

Ryż. 2 cale

Urządzenie wykonawcze(Rys. 2 c.) to często mechanizm, który przekształca sygnał elektryczny w pracę mechaniczną, taki jak silnik elektryczny lub elektromagnes. Oznacza to, że siłownik przekształca prąd elektryczny w inną formę energii i zwykle zużywa stosunkowo duży prąd.

Ryż. 2 lata

Ponieważ sygnał z obwodu sterującego jest bardzo słaby, więc sterownik lub wzmacniacz(rys. 2d) jest integralną częścią wielu schematów. Sterownik może być wykonany na przykład tylko na jednym tranzystorze lub specjalnym mikroukładzie, w zależności od rodzaju siłownika.


Z reguły głównym źródłem silnych zakłóceń jest siłownik. Zakłócenia, które pojawiły się tutaj, po przejściu przez sterownik, rozprzestrzeniają się dalej wzdłuż szyny zasilającej (zakłócenia na rys. 2 pokazano schematycznie pomarańczową strzałką). A ponieważ obwód sterujący jest zasilany z tego samego źródła zasilania, prawdopodobne jest, że te zakłócenia również na niego wpłyną. Czyli np. zakłócenia, które pojawiają się w silniku, przejdą przez sterownik i mogą doprowadzić do uszkodzenia obwodu sterującego.
W prostych obwodach wystarczy umieścić równolegle ze źródłem zasilania kondensator o dużej pojemności około 1000 mikrofaradów i ceramiczny 0,1 mikrofaradów. Będą działać jak prosty filtr. W obwodach o prądach poboru około 1 ampera lub więcej, aby chronić się przed silnymi zakłóceniami o skomplikowanym kształcie, konieczne będzie zainstalowanie nieporęcznego, złożonego filtra, ale to nie zawsze pomaga.
W wielu obwodach najłatwiejszym sposobem na pozbycie się skutków zakłóceń jest zastosowanie oddzielnych zasilaczy dla części sterowniczej i zasilającej obwodu, czyli zastosowanie tzw. oddzielne zasilanie.
Chociaż oddzielne zasilanie służy nie tylko do zwalczania zakłóceń.

Oddzielne jedzenie.

Na ryc. 3 przedstawia schemat blokowy urządzenia. Ten obwód wykorzystuje dwa zasilacze. Część zasilająca obwodu jest zasilana przez zasilanie 1, a schemat sterowania - od zasilanie 2. Oba źródła zasilania są połączone jednym z biegunów, przewód ten jest wspólny dla całego obwodu i sygnały są przesyłane względem niego linią komunikacyjną.

Ryż. 3. Oddzielne zasilanie części sterującej i zasilającej.

Na pierwszy rzut oka taki układ z dwoma zasilaczami wygląda na nieporęczny i skomplikowany. W rzeczywistości takie oddzielne obwody zasilania są używane na przykład w 95% wszystkich urządzeń gospodarstwa domowego. Oddzielne zasilacze to po prostu różne uzwojenia transformatorów o różnych napięciach i prądach. To kolejna zaleta oddzielnych obwodów zasilania: w jednym urządzeniu można zastosować kilka jednostek o różnych napięciach zasilania. Na przykład użyj 5 V dla kontrolera i 10-15 V dla silnika.
Patrząc na schemat na ryc. 3 widać, że zakłócenia z jednostki zasilającej nie są w stanie dostać się do jednostki sterującej wzdłuż linii energetycznej. W konsekwencji całkowicie znika konieczność jego tłumienia lub filtrowania.

Ryż. 4. Oddzielny zasilacz ze stabilizatorem.

W konstrukcjach mobilnych, np. robotach mobilnych, ze względu na gabaryty nie zawsze wygodnie jest stosować dwa zestawy akumulatorów. Dzięki temu można zbudować oddzielny zasilacz przy użyciu jednego zestawu akumulatorów. W takim przypadku obwód sterujący będzie zasilany z głównego źródła zasilania poprzez stabilizator z filtrem małej mocy, rys. 4. W tym obwodzie należy wziąć pod uwagę spadek napięcia na stabilizatorze wybranego typu. Zazwyczaj używany jest zestaw akumulatorów o napięciu wyższym niż napięcie wymagane przez obwód sterujący. W takim przypadku sprawność obwodu jest zachowana nawet przy częściowym rozładowaniu akumulatorów.

Ryż. 5. L293 z osobnym zasilaczem.

Wiele mikroukładów sterowników jest od razu specjalnie zaprojektowanych do użytku w oddzielnych obwodach zasilania. Na przykład dobrze znany układ sterownika L293 ( Ryż. pięć) ma wyjście Vss- do zasilania obwodu sterującego (napięcie zasilania logiki) i wyjścia Vs- do zasilania końcowych stopni sterownika mocy (napięcie zasilania lub napięcie zasilania wyjściowego).
We wszystkich konstrukcjach robotów z mikrokontrolerem lub układem logicznym z serii można włączyć L293 z osobnym obwodem zasilania. W tym przypadku napięcie zasilania części zasilającej (napięcie dla silników) może mieścić się w zakresie od 4,5 do 36 woltów, a do Vss można przyłożyć takie samo jak do zasilania mikrokontrolera lub układu logicznego (zwykle 5 woltów) .

Jeśli część sterująca (mikrokontroler lub układ logiczny) jest zasilana przez stabilizator, a część zasilająca jest zasilana bezpośrednio z akumulatora, może to znacznie zmniejszyć straty energii. Ponieważ stabilizator będzie zasilał tylko obwód sterujący, a nie całą konstrukcję. Ten - kolejna zaleta oddzielnego zasilania: oszczędność energii.

Jeśli spojrzysz ponownie na schemat z rysunku 3, zobaczysz, że oprócz wspólnego przewodu (GND), część zasilająca z obwodem sterującym jest również połączona liniami komunikacyjnymi. W niektórych przypadkach hałas może również przechodzić przez te przewody z sekcji zasilania do obwodu sterującego. Ponadto te linie komunikacyjne są często bardzo podatne na wpływy elektromagnetyczne („odbiór”). Możesz raz na zawsze pozbyć się tych szkodliwych zjawisk stosując tzw izolacja galwaniczna.
Chociaż izolacja galwaniczna służy również nie tylko do zwalczania zakłóceń.

Izolacja galwaniczna.

Na pierwszy rzut oka taka definicja może wydawać się niesamowita!
Jak można przesłać sygnał bez kontaktu elektrycznego?
W rzeczywistości istnieją nawet dwa sposoby, które na to pozwalają.

Ryż. 6.

Transmisja sygnału optycznego zbudowany na zjawisku światłoczułości półprzewodników. W tym celu używa się pary diody LED i urządzenia światłoczułego (fototranzystor, fotodioda), rys. 6.

Ryż. 7.

Para fotodetektorów LED jest izolowana w jednej obudowie naprzeciw siebie. Ten szczegół nazywa się transoptor(obca nazwa optokopler), Rysunek 7.
Jeśli przez diodę LED transoptora przepływa prąd, zmieni się rezystancja wbudowanego fotodetektora. W ten sposób odbywa się bezstykowa transmisja sygnału, ponieważ dioda LED jest całkowicie odizolowana od fotodetektora.
Dla każdej linii transmisji sygnału wymagany jest oddzielny transoptor. Częstotliwość sygnału transmitowanego optycznie może wynosić od zera do kilkudziesięciu lub setek kiloherców.

Ryż. 8.

Transmisja sygnału indukcyjnego opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej w transformatorze. Gdy zmienia się prąd w jednym z uzwojeń transformatora, zmienia się prąd w drugim uzwojeniu. W ten sposób sygnał jest przesyłany z pierwszego uzwojenia do drugiego (ryc. 8). To połączenie między uzwojeniami jest również nazywane transformator, a transformator do izolacji galwanicznej jest czasami określany jako transformator izolujący.

Ryż. dziewięć.

Strukturalnie transformatory są zwykle wykonane na pierścieniowym rdzeniu ferrytowym, a uzwojenia zawierają kilkadziesiąt zwojów drutu (ryc. 9). Pomimo pozornej złożoności takiego transformatora, można go wykonać samodzielnie w kilka minut. Sprzedawane są również gotowe transformatory małogabarytowe do izolacji galwanicznej.
Dla każdej linii transmisji sygnału wymagany jest oddzielny taki transformator. Częstotliwość przesyłanego sygnału może wahać się od kilkudziesięciu herców do setek tysięcy megaherców.

W zależności od rodzaju przesyłanego sygnału i wymagań dotyczących obwodu można wybrać transformator lub optyczną izolację galwaniczną. W obwodach z obustronną izolacją galwaniczną często instaluje się specjalne przekształtniki, aby dopasować (sprzęg, interfejs) do reszty obwodu.

Rozważmy teraz schemat blokowy wykorzystujący izolację galwaniczną między częściami sterującymi i zasilającymi na rysunku 10.

Ryż. 10. Oddzielne zasilanie i izolacja galwaniczna toru komunikacyjnego.

Zgodnie z tym schematem widać, że żadne zakłócenia z części zasilającej nie mają możliwości przedostania się do części sterującej, ponieważ nie ma kontaktu elektrycznego między częściami obwodu.
Brak kontaktu elektrycznego między częściami obwodu w przypadku izolacji galwanicznej pozwala na bezpieczne sterowanie elementami wykonawczymi o wysokim napięciu. Na przykład, pewien rodzaj panelu sterowniczego zasilanego napięciem kilku woltów może być galwanicznie odseparowany od napięcia fazy sieciowej kilkuset woltów, co zwiększa bezpieczeństwo personelu obsługującego. Jest to ważna zaleta obwodów z izolacją galwaniczną.

Obwody sterownicze z izolacją galwaniczną prawie zawsze można znaleźć w urządzeniach krytycznych, a także w zasilaczach impulsowych. Zwłaszcza tam, gdzie istnieje nawet najmniejsza szansa na ingerencję. Ale nawet w urządzeniach amatorskich stosowana jest izolacja galwaniczna. Ponieważ nieznaczna komplikacja obwodu przez izolację galwaniczną daje całkowitą pewność bezproblemowej pracy urządzenia.

W tym artykule skupimy się przede wszystkim na optycznej izolacji sygnału analogowego. Rozważona zostanie opcja budżetowa. Główną uwagę przywiązuje się również do szybkości rozwiązania obwodu.

Metody odsprzęgania sygnału analogowego

Mała recenzja. Istnieją trzy główne sposoby separacji galwanicznej sygnału analogowego: transformator, optyczny i kondensatorowy. Pierwsze dwa znalazły największe zastosowanie. Obecnie istnieje cała klasa urządzeń zwanych wzmacniaczami izolacyjnymi lub wzmacniaczami odsprzęgającymi (Isolated Amplifier). Takie urządzenia przesyłają sygnał za pomocą jego konwersji (w obwodzie znajduje się modulator sygnału i demodulator).

Rys.1. Ogólny schemat wzmacniaczy izolacyjnych.

Istnieją urządzenia zarówno do przesyłania analogowego sygnału napięciowego (ADUM3190, ACPL-C87), jak i specjalistyczne urządzenia do bezpośredniego podłączenia do bocznika prądowego (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). W tym artykule nie będziemy rozważać drogich urządzeń, ale wymienimy niektóre z nich: iso100, iso124, ad202..ad215 itd.

Istnieje również inna klasa urządzeń - odsprzęgające wzmacniacze optyczne z linearyzującym sprzężeniem zwrotnym (Linear Optocoupler) urządzenia te to il300, loc110, hcnr201. Zasada działania tych urządzeń jest łatwa do zrozumienia, patrząc na ich typowy schemat połączeń.

Rys.2. Typowy układ do odsprzęgania wzmacniaczy optycznych.

Więcej informacji na temat wzmacniaczy izolacyjnych można znaleźć w: A. J. Peyton, W. Walsh „Analog Electronics with Operational Amplifiers” (Rozdział 2), a także dokument AN614 „A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers” z laboratoriów krzemowych, jest dobry tabela porównawcza. Oba źródła są dostępne online.

Specjalne mikroczipy do optycznej izolacji sygnału

Teraz do biznesu! Na początek porównajmy trzy specjalizowane mikroukłady: il300, loc110, hcnr201. Połączony według tego samego schematu:

Rys.3. Obwód testowy dla il300, hcnr201 i loc110.

Różnica dotyczy tylko ocen odpowiednio dla il300, hcnr201 R1, R3=30k, R2=100R oraz dla loc110 10k i 200R (wybrałem różne oceny, aby osiągnąć maksymalne osiągi, ale jednocześnie nie wykraczać poza dopuszczalne limity , na przykład przez prąd diody emitującej ). Poniżej znajdują się przebiegi, które mówią same za siebie (dalej: niebieski to sygnał wejściowy, żółty to sygnał wyjściowy).

Rys.4. Oscylogram nieustalonego il300.

Rys.5. Przebieg przejściowy Hcnr201.

Rys.6. Przebieg przejściowylok110.

Rozważmy teraz układ ACPL-C87B (zakres sygnału wejściowego 0..2 V). Szczerze mówiąc, długo się z nią awanturowałam. Miałem do dyspozycji dwa mikroukłady, po tym, jak uzyskałem nieoczekiwany wynik na pierwszym, bardzo ostrożnie obchodziłem się z drugim, zwłaszcza podczas lutowania. Wszystko zebrałem według schematu wskazanego w dokumentacji:

Rys.7. Typowy schemat dlaACPL— C87 z dokumentacji.

Wynik jest taki sam. Wlutowałem kondensatory ceramiczne bezpośrednio przy nogach zasilających, wymieniłem wzmacniacz operacyjny (oczywiście sprawdziłem to na innych obwodach), zmontowałem obwód itp. Na czym właściwie polega szkopuł: sygnał wyjściowy ma znaczne wahania.

Rys.8. Przebieg przejściowyACPL— C87.

Pomimo tego, że producent obiecuje poziom szumu sygnału wyjściowego na poziomie 0,013 mVrms i dla opcji „B” dokładność wynosi ±0,5%. O co chodzi? Być może błąd w dokumentacji, bo trudno uwierzyć w 0,013 mVrms. Niejasny. Ale spójrzmy na kolumnę Warunki testu / Uwagi obok Vout Noise i na Rys. 12 dokumentacji:

Ryc.9. Zależność poziomu szumu od wielkości sygnału wejściowego i częstotliwości filtra wyjściowego.

Tutaj obraz staje się nieco wyraźniejszy. Podobno producent mówi nam, że możemy te szumy zdusić przez filtr dolnoprzepustowy. Cóż, dzięki za radę (ironicznie). Dlaczego to wszystko wyszło w tak przebiegły sposób. Najprawdopodobniej jest jasne, dlaczego. Poniżej wykresy bez i z wyjściowym filtrem RC (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Rys.10. Przebieg przejściowyACPL— C87 bez iz filtrem wyjściowym.

Zastosowanie transoptorów ogólnego przeznaczenia do odsprzęgania sygnału

Przejdźmy teraz do najciekawszych. Poniżej schematy, które znalazłem w internecie.

Rys.11. Typowy schemat optycznego odsprzęgania sygnału analogowego na dwóch transoptorach.

Rys.12. Typowy schemat optycznego odsprzęgania sygnału analogowego na dwóch transoptorach.

Rys.13. Typowy schemat optycznego odsprzęgania sygnału analogowego na dwóch transoptorach.

To rozwiązanie ma zarówno zalety, jak i wady. Zaletą jest wyższe napięcie izolacji, wadą jest to, że dwa mikroukłady mogą znacznie różnić się parametrami, dlatego przy okazji zaleca się stosowanie mikroukładów z tej samej partii.

Zmontowałem ten obwód na chipie 6n136:

Rys.14. Oddzielenie przebiegu przejściowego przy 6n136.

Udało się, ale powoli. Próbowałem montować na innych mikroukładach (takich jak sfh615), okazuje się, ale też powoli. Potrzebowałem tego szybciej. Ponadto często obwód nie działa z powodu samo-oscylacji, które występują (w takich przypadkach mówią, że ACS jest niestabilny))) Pomaga to zwiększyć wartość kondensatora C2 ryc. 16.

Jeden przyjaciel poradził domowy transoptor AOD130A. Wynik twarzy:

Rys.15. Oscylogram odsprzęgania nieustalonego na AOD130A.

A oto schemat:

Ryc.16: Schemat rozprzęgania na AOD130A.

Potrzebny jest jeden potencjometr (RV1 lub RV2), w zależności od tego, czy sygnał wyjściowy jest mniejszy czy większy niż sygnał wejściowy. W zasadzie można było ustawić szeregowo tylko jeden RV=2k z R3=4,7k lub nawet pozostawić tylko RV2=10k bez R3. Zasada jest jasna: być w stanie wyregulować około 5 tys.

Układ izolacji transformatora sygnałowego

Przejdźmy do opcji transformatora. Mikroukład ADUM3190 jest dostępny w dwóch wersjach przy 200 i 400 kHz (mam ADUM3190TRQZ przy 400), jest też mikroukład dla wyższego napięcia izolacji ADUM4190. Zaznaczam, że obudowa jest najmniejsza ze wszystkich - QSOP16. Napięcie wyjściowe Eaout od 0,4 do 2,4V. W moim mikroukładzie wyjściowe napięcie polaryzacji wynosi około 100 mV (widoczne na oscylogramie na ryc. 18). Generalnie działa dobrze, ale osobiście nie jestem do końca zadowolony z zakresu napięć wyjściowych. Zmontowane według schematu z dokumentacji:

Rys.17. Schemat ADUM3190 z dokumentacji.

Niektóre przebiegi:

Rys.18. Oscylogram stanu nieustalonego ADUM3190.

Wyniki

Podsumować. Moim zdaniem najlepszą opcją jest schemat na domowe ADO130A (skąd oni je dostali?!). I na koniec mała tabela porównawcza:

*- w przybliżeniu (wg zmontowanego obwodu z optymalizacją prędkości)

** - średnia cena za minimum.
Jarosław Własow

PS AOD130A firmy Proton OJSC (z wygrawerowanym logo w czarnej obudowie) jest dobry. Stare (lata 90. w brązowej obudowie) nie są dobre.

Wstęp

Izolacja galwaniczna (izolacja), potocznie nazywana po prostu izolacją, to sposób, w jaki poszczególne części systemu elektrycznego mogą mieć różne potencjały uziemienia. Dwie najczęstsze przyczyny odsprzęgania to odporność na awarie w produktach klasy przemysłowej oraz konieczność komunikacji przewodowej między urządzeniami, z których każde ma własne zasilanie.

Metody odsprzęgania zasilania

transformatory

Najpopularniejszą formą odsprzęgnięcia jest zastosowanie transformatora. Przy projektowaniu układu stabilizacji mocy, gdzie wymagane jest odsprzęgnięcie, część izolacyjna projektu wiąże się z koniecznością podwyższenia/obniżenia poziomu napięcia i nie jest traktowana jako odrębna część układu. W przypadku, gdy konieczne jest odizolowanie całego układu elektrycznego (na przykład wiele samochodowych urządzeń testujących wymaga izolacji zasilaczy od sieci prądu przemiennego), można zainstalować szeregowo z układem transformator 1:1, aby zapewnić niezbędna izolacja.

Rysunek 1 - Zakres transformatorów SMD

Kondensatory

Mniej powszechną metodą odsprzęgania jest szeregowe stosowanie kondensatorów. Ze względu na możliwość przepływu sygnałów prądu przemiennego przez kondensatory, metoda ta może być skutecznym sposobem odizolowania części systemu elektrycznego od sieci prądu przemiennego. Ta metoda jest mniej niezawodna niż metoda transformatorowa, ponieważ w przypadku awarii transformator przerywa obwód i następuje zwarcie kondensatora. Jednym z celów zapewnienia izolacji galwanicznej od sieci prądu przemiennego jest to, aby w przypadku awarii użytkownik był bezpieczny od działającego nieograniczonego źródła prądu.

Rysunek 2 — Przykład wykorzystania kondensatorów do odsprzęgnięcia

Metody izolacji sygnału

Optoizolatory

Gdy wymagany jest sygnał do przejścia między dwiema częściami obwodu o różnych potencjałach uziemienia, popularnym rozwiązaniem jest optoizolator (transoptor). Optoizolator to fototranzystor, który otwiera się („włącza”), gdy wewnętrzna dioda LED jest zasilana. Światło emitowane przez wewnętrzną diodę LED jest ścieżką sygnału, dzięki czemu izolacja między potencjałami masy nie zostaje przerwana.

Czujnik Halla

Inną metodą przesyłania informacji pomiędzy układami elektrycznymi o oddzielnych potencjałach uziemienia jest zastosowanie czujnika opartego na efekcie Halla. Czujnik Halla wykrywa indukcję bezinwazyjnie i nie wymaga bezpośredniego kontaktu z badanym sygnałem oraz nie narusza bariery izolacyjnej. Najczęstszym zastosowaniem przekazywania informacji indukcyjnych przez obwody o różnych potencjałach uziemienia są czujniki prądu.

Rysunek 4 - Czujnik prądu używany do pomiaru prądu przez przewodnik

Wniosek

Izolacja galwaniczna (izolacja) to oddzielenie systemów/podsystemów elektrycznych, w których może płynąć prąd inny niż DC i które mogą mieć różne potencjały uziemienia. Oddzielenie można podzielić na główne kategorie: według mocy i według sygnału. Istnieje kilka sposobów na oddzielenie i w zależności od wymagań projektu, niektóre metody mogą być lepsze od innych.

Praktyczny przykład

Na powyższym schemacie kilka transformatorów i optoizolator służy do stworzenia zasilacza impulsowego, który jest używany w urządzeniach Ethernet PD (Powered Device). Złącze J2 posiada wewnętrzne magnesy, które izolują cały system od źródła PoE. T1 i U2 izolują zasilanie (na lewo od czerwonej linii) od stabilizowanego wyjścia 3,3V (na prawo od czerwonej linii).

W tym artykule opowiem o tym, jak wykonać prostą izolację galwaniczną z sieci 220 V dosłownie na kolanie od starego UPS (a dokładniej od dwóch).

Mam nadzieję, że dla nikogo nie jest tajemnicą, dlaczego potrzebna jest izolacja galwaniczna od sieci. Wiele osób prawdopodobnie zna jeden z najłatwiejszych sposobów na wysadzenie połowy obwodu za pomocą uziemionego oscyloskopu. Dlatego poważnie myślałem o odsprzęganiu właśnie po zakupie oscyloskopu. W najprostszym przypadku odsprzęgnięcie wygląda jak transformator o przełożeniu 1:1. Dlatego początkowo pojawił się pomysł, aby wziąć trochę TS-270 i przewinąć go. Ale nie chciałem przewijać i nie miałem pod ręką dodatkowego transformatora o wystarczającej mocy. Ale jakoś w pracy pojawił się stary UPS. Mniej więcej tak:

I wtedy wpadł na pomysł, żeby zrobić rozwiązanie na „przerzutkach”, czyli gdy dwa identyczne transformatory są włączone odwrotnie:

Oczywiście im wyższe napięcie na wyjściu transformatorów, tym mniej płynie prąd i tym lepiej, ale nie musiałem wybierać i zastosowałem zasadę „tak jak jest”. Postanowiono wykorzystać obudowę UPS i transformator, który jest już tam zainstalowany. Chińczycy musieli kontrolować obecność napięcia na wyjściu:

Po znalezieniu i naprawieniu drugiego transformatora pozostało tylko podłączyć wszystko.

W rezultacie mamy ostateczny schemat, zgodnie z którym łączymy transformatory:

Wykluczony fragment. Nasz magazyn istnieje dzięki darowiznom od czytelników. Pełna wersja tego artykułu jest dostępna tylko

I otrzymujemy coś takiego:

Najpierw wyrzuciłem natywną płytkę, ale jak się okazało, obudowa bardzo traci na sztywności i musiałem ją odłożyć na swoje miejsce, po wcześniejszym wylutowaniu wszystkich detali:

Następnie podłączyłem woltomierz:

Użyłem uzwojenia wtórnego 18 V do zasilania podświetlenia standardowego włącznika. Użyłem standardowego bezpiecznika UPS wielokrotnego użytku jako bezpiecznika wejściowego i wstawiłem zwykły uchwyt bezpiecznika, aby chronić wyjście.

I voila! Nasze połączenie działa.

International Rectifier, twórca i producent energoelektroniki od 1947 roku, produkuje szeroką gamę przekaźników optycznych do wszelkiego rodzaju zastosowań. Najpopularniejsze z nich można podzielić na następujące grupy:

• Szybko działający (PVA, PVD, PVR);

• ogólny cel (PVT);

• Niskie napięcie średniej mocy (PVG, PVN);

• Potężne wysokie napięcie (PVX).

PVA33: szybki przekaźnik
do przełączania sygnału

Seria przekaźników AC PVA33 - jednobiegunowy, normalnie otwarty. Przeznaczony do ogólnych celów przełączania sygnałów analogowych.

Zasada działania urządzenia jest następująca (ryc. 1). Napięcie przyłożone do wejścia przekaźnika powoduje przepływ prądu przez diodę LED arsenku galu (GaAlAs), co prowadzi do intensywnego świecenia tego ostatniego. Strumień świetlny wchodzi do zintegrowanego generatora fotowoltaicznego (FGG), który tworzy różnicę potencjałów między bramką a źródłem klucza wyjściowego, przenosząc je w stan przewodzenia. MOSFET-y mocy (HEXFET - opatentowana technologia IR) są używane jako przełączniki mocy wyjściowej. W ten sposób uzyskuje się całkowitą izolację galwaniczną obwodów wejściowych od obwodów wyjściowych.

Ryż. jeden.

Zaletami takiego rozwiązania w porównaniu z konwencjonalnymi przekaźnikami elektromechanicznymi i kontaktronowymi są znaczne wydłużenie żywotności i szybkości działania, zmniejszenie strat mocy oraz minimalizacja gabarytów. Te zalety poprawiają jakość produktów opracowywanych do różnych zastosowań, takich jak multipleksowanie sygnału, automatyczne urządzenia testujące, systemy akwizycji danych i inne.

Poziom napięcia, który przekaźnik tej serii jest w stanie przełączać, mieści się w zakresie od 0 do 300 V (wartość szczytowa) zarówno prądu przemiennego, jak i stałego. W tym przypadku poziom minimalny jest określany (przy prądzie stałym) przez rezystancję kanału tranzystorów wyjściowych, która wynosi średnio około 1 oma (maksymalnie do 20 omów).

Charakterystykę dynamiczną urządzenia określa czas włączenia-wyłączenia, który wynosi około 100 µs. W ten sposób gwarantowana częstotliwość przełączania przekaźnika może osiągnąć 500 Hz lub więcej.

Maksymalna częstotliwość przełączanego sygnału zależy głównie od charakterystyki częstotliwościowej zastosowanych tranzystorów i dla przełączników MOS sięga setek kiloherców. Przekaźniki są dostarczane w 8-pinowych pakietach DIP i są dostępne w dwóch wersjach: przelotowej i natynkowej.

PVT312: przekaźnik telekomunikacyjny
ogólny cel

przekaźnik fotoelektryczny PVT312, jednobiegunowy, normalnie otwarty, może być stosowany zarówno na prąd stały, jak i przemienny.

Ten przekaźnik półprzewodnikowy został specjalnie zaprojektowany do zastosowań telekomunikacyjnych. seria przekaźników PVT312L(z przyrostkiem „L”) używać aktywnego obwodu ograniczającego prąd, który pozwala im wytrzymać przejściowe skoki prądu. PVT312 jest dostępny w 6-pinowej obudowie DIP.

Zastosowania: klucze telekomunikacyjne, wyzwalacze, ogólne obwody przełączające.

Schematy połączeń mogą być trzech typów (ryc. 2). W pierwszym przypadku dwa klucze mikroukładu są połączone szeregowo. Pozwala to, ze względu na symetrię powstałego obwodu, przełączać napięcie przemienne. Taki schemat nazywa się włączeniem typu „A”. Typ „B” różni się tym, że używany jest tylko jeden z dwóch kluczy mikroukładu. Pozwala to jednak przełączać więcej, jednak tylko na prąd stały. W trzeciej opcji (typ „C”) klawisze są połączone równolegle, zwiększając w ten sposób maksymalną możliwą wartość prądu.

Ryż. 2.

PVG612: przekaźnik niskiego napięcia średniego napięcia
Zasilanie prądem zmiennym

Seria przekaźników fotoelektrycznych PVG612 - jednobiegunowe, normalnie otwarte przekaźniki półprzewodnikowe. Kompaktowe urządzenia serii PVG612 służą do izolowanego przełączania prądów do 1 A przy napięciach od 12 do 48 V AC lub DC.

Przekaźniki tego typu są ciekawe, ponieważ są w stanie przełączać stosunkowo duże (dla danego typu urządzenia) prądy przemienne, zachowując przy tym szybkość działania charakterystyczną dla rozwiązań tranzystorów MOS.

PVDZ172N: niskie napięcie średnie
moc dla prądu stałego

Przekaźniki tej serii (rys. 3), w przeciwieństwie do opisanych powyżej, są przeznaczone do przełączania prądów tylko o stałej biegunowości o mocy do 1,5 A i napięciu do 60 V. Na przykład przekaźniki te są stosowane w sterowanie urządzeniami oświetleniowymi, silnikami, elementami grzejnymi itp. .d.

Ryż. 3.

PVDZ172N są dostępne jako normalnie otwarte, jednobiegunowe, 8-pinowe pakiety DIP.

Inne możliwe zastosowania to sprzęt audio, zasilacze, komputery i urządzenia peryferyjne.

PVX6012: do dużych obciążeń

W przypadku dużych obciążeń o niskiej częstotliwości IR oferuje przekaźnik fotoelektryczny PVX6012(rys. 4) (jednobiegunowy, normalnie otwarty). W urządzeniu zastosowano klucz wyjściowy oparty na tranzystorze bipolarnym z izolowaną bramką (IGBT), który umożliwił uzyskanie niskiego spadku napięcia w stanie otwartym oraz niskich prądów strat w stanie zamkniętym przy odpowiednio dużej szybkości działania (7 ms on/ 1ms wyłączony).

Ryż. 4.

PVX6012 jest dostępny w 14-pinowej obudowie DIP, która, co ciekawe, wykorzystuje tylko cztery piny - to rozwiązanie pozwala na lepsze chłodzenie urządzenia.

Główne obszary zastosowania to: sprzęt testowy; sterowanie i automatyka przemysłowa; wymiana przekaźników elektromechanicznych; wymiana przekaźników rtęciowych.

PVI: fotoizolator do zewnętrznych
klawisze dużej mocy

Urządzenia z tej serii nie są przekaźnikami we właściwym tego słowa znaczeniu. Oznacza to, że nie są w stanie przełączać przepływów dużej energii za pomocą małych. Zapewniają jedynie galwaniczną izolację wejścia od wyjścia, stąd ich nazwa – izolator fotowoltaiczny (rys. 5).

Ryż. pięć.

Dlaczego potrzebujemy takiego „nedorele”? Faktem jest, że urządzenia z serii PVI generują elektrycznie izolowane napięcie DC podczas odbierania sygnału wejściowego, co wystarcza do bezpośredniego sterowania bramkami potężnych tranzystorów MOSFET i IGBT. W rzeczywistości jest to przekaźnik optyczny, ale bez klucza wyjściowego, do którego twórca może użyć osobnego tranzystora, który jest dla niego odpowiedni pod względem mocy.

PVI są idealne do zastosowań wymagających przełączania wysokiego prądu i/lub wysokiego napięcia z izolacją optyczną między obwodem sterującym a obwodami o dużej mocy.

Oprócz serii izolatorów PVI1050N zawiera dwa wyjścia sterowane jednocześnie, co umożliwia ich połączenie szeregowe lub równoległe w celu uzyskania wyższej wartości prądu sterującego (MOS) lub wyższej wartości napięcia sterującego (IGBT). W ten sposób można faktycznie uzyskać sygnał wyjściowy 10 V / 5 μA szeregowo i 5 V / 10 μA równolegle.

Dwa wyjścia PVI1050N mogą być również używane oddzielnie, pod warunkiem, że różnica potencjałów między wyjściami nie przekracza 1200 V DC.Izolacja wejście-wyjście wynosi 2500 V DC.

Urządzenia tej serii dostępne są w 8-pinowych pakietach DIP i służą do organizowania kontroli potężnych obciążeń, przetworników napięcia itp.

PVR13: podwójny szybki przekaźnik

Główną cechą tej serii jest obecność dwóch niezależnych przekaźników w jednej obudowie (rys. 6), z których każdy może być załączony jako typ „A”, „B” lub „C” (objaśnienie typów , patrz opis PVT312 powyżej). Maksymalne napięcie przełączania 100 V (DC/AC), prąd 300 mA. Poza tym przekaźnik ten jest zbliżony do PVA33 pod względem zakresu i właściwości, a także jest przeznaczony do przełączania sygnałów analogowych o średniej częstotliwości (do setek kiloherców).

Ryż. 6.

Dostępne w 16-pinowych obudowach DIP z przewodami przewlekanymi.

Główne charakterystyki przekaźników optoelektronicznych IR przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Parametry przekaźników optoelektronicznych IR

Zastosowanie przekaźników optoelektronicznych IR

Systemy kontrolne. W interfejsach ACS jednym z palących problemów jest organizacja komunikacji między obwodami sterowania i przełączanymi z zapewnieniem niezawodnej izolacji galwanicznej. Oznacza to, że konieczne jest zorganizowanie transmisji informacji (na przykład sygnału do siłownika) bez kontaktu elektrycznego. Jednym z pierwszych tego typu urządzeń były przekaźniki elektromechaniczne, w których informacje przekazywane były za pomocą pola magnetycznego. Jednak obecność części mechanicznych prowadziła do iskrzenia styków i niskiej prędkości takich układów.

Zastosowanie transmisji sygnału poprzez strumień świetlny (przekaźniki optoelektroniczne) w interfejsach ACS (rys. 7) w porównaniu z łącznikami elektromechanicznymi zapewnia wyższą niezawodność, szybkość przełączania, trwałość, lepsze wskaźniki masy i gabarytów; a zaletą w porównaniu z przełącznikami elektronicznymi jest brak wspólnego punktu i wzajemne oddziaływanie obwodów podczas przełączania.

Ryż. 7.

Obecność izolacji galwanicznej w układzie sterowania jest jedną z ważnych właściwości przełącznika, ponieważ pozwala na tworzenie oddzielnych przepływów sterowania, co z kolei pozwala zapewnić niezależność elektryczną stref informacyjnych i wykonawczych systemu. Optyczna izolacja galwaniczna izoluje mikroelektroniczny sprzęt sterujący od obwodów wysokoprądowych i wysokonapięciowych urządzeń peryferyjnych, co prowadzi do wzrostu odporności na zakłócenia, żywotności i spadku ceny takiego sprzętu.

Ryż. 8.

Kolejną niezbędną funkcją w aparaturze pomiarowej jest przełączanie trybów pracy (zakresu pomiarowego, wzmocnienia, rodzaju połączenia, itp.), które wcześniej było wykonywane mechanicznie. Na przykład, aby zmierzyć napięcie, woltomierz jest podłączony równolegle do obwodu, natomiast do pomiaru prądu sprzęt pomiarowy musi być połączony szeregowo z obwodem. W niektórych urządzeniach do realizacji takiego przełącznika konieczne było zastosowanie innego wejścia, mechanicznie przełączającego linię pomiarową. Jest to raczej niewygodne w przypadku częstej zmiany mierzonego parametru, dlatego zastosowanie przekaźników optoelektronicznych może skutecznie rozwiązać ten problem, znacznie zwiększając wygodę użytkowania urządzenia.

Z kolei w systemach akwizycji danych konieczność zastosowania przekaźnika optycznego wynika często z dużego prawdopodobieństwa uszkodzenia wrażliwych obwodów wejściowych aparatury pomiarowej (przetwornice analogowo-cyfrowe i częstotliwości). Taki niepożądany efekt może wystąpić np. ze względu na dużą długość przewodów od przekształtnika pierwotnego do elementu pomiarowego, co przyczynia się do indukcji zakłóceń elektrostatycznych. Ponadto istotny wpływ mogą mieć zarówno stany nieustalone podczas włączania/wyłączania sprzętu, jak i błędy w jego użytkowaniu, np. obecność sygnału wejściowego o dużej amplitudzie podczas awarii zasilania.

Wszystkie te czynniki prowadzą do konieczności zastosowania izolacji galwanicznej. Przykładem są przekaźniki serii PVT312L z wbudowanym aktywnym układem tłumienia tętnienia prądu, które mogą być skutecznie stosowane w urządzeniach o długich przewodach lub pracujących w trudnych środowiskach elektromagnetycznych (przewodowe systemy monitoringu środowiska zakładowego, przetworniki przemysłowe).

Telekomunikacja. Obiecującym kierunkiem jest również wykorzystanie optorelay w dziedzinie komunikacji. Istnieje kilka unikalnych funkcji, które mogą wykorzystać zalety przekaźnika optycznego. Obejmują one izolację galwaniczną między modemem a linią telefoniczną, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przez wyładowania elektrostatyczne (w tym wyładowania atmosferyczne); realizacja określonych funkcji urządzeń telefonicznych (wybieranie impulsowe i tonowe, wykrywanie stanu połączenia i stanu linii) itp.

Wniosek

W ostatnich latach obserwuje się tendencję do stałego wzrostu zapotrzebowania na przekaźniki optoelektroniczne IR. Głównymi odbiorcami przekaźników półprzewodnikowych są giganci przemysłowi naszego kraju - przedsiębiorstwa produkujące instrumenty i transportowe, duże korporacje państwowe Rostelecom, Rosatom, Koleje Rosyjskie. Producenci doceniają wygodę i wysoką wydajność przekaźników IR do zastosowań przemysłowych.

Z drugiej strony stale rosną wymagania dotyczące niezawodności sprzętu elektronicznego z przemysłu wojskowego i lotniczego. Zagadnienie jest bardzo istotne, co wymaga konkretnych rozwiązań technicznych, które ograniczą awarie sprzętu podczas eksploatacji. Żaden z ekspertów nie wątpi, że przekaźniki półprzewodnikowe mogą poprawić niezawodność urządzeń specjalnego przeznaczenia.