Гальваническая развязка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Разделительный трансформатор — самый распространённый пример гальванической развязки.

Гальвани́ческая развя́зка — передача энергии или информационного сигнала между электрическими цепями, не имеющими непосредственного электрического контакта между ними.

Гальванические развязки используются для передачи сигналов с целью снижения помех, для бесконтактного управления и для защиты оборудования от повреждения и людей от поражения электрическим током.

При гальванической развязке электрические потенциалы разделённых цепей могут сильно различаться, иногда говорят, они имеют «плавающие» относительно друг друга потенциалы.

Виды развязок[править | править код]

По способу организации гальванической развязки они разделяются на

  • Трансформаторные.
  • Оптоэлектронные: оптопары, оптоволоконные линии связи, фотогальванические элементы.
  • Акустические — передача информации происходит через звуковой, например, ультразвуковой канал.
  • Радиоканалы.
  • Звуковой: громкоговоритель, микрофон
  • Емкостные — передача сигнала производится на высоких частотах через разделяющие конденсаторы малой ёмкости.
  • Развязки на коммутируемых конденсаторах.
  • С преобразователями, основанными на эффекте Холла и гигантском магнитосопротивлении.
  • Механические, например: мотор-генераторы, реле.

Трансформаторная развязка[править | править код]

Гальваническая развязка у трансформатора. Первичная обмотка (сверху) электрически изолирована от вторичной обмотки (снизу).

Исторически первый вид развязок. Используется до сих пор как для передачи мощности, так и для передачи информационного сигнала. Через силовые трансформаторы возможна передача очень большой мощности, вплоть до сотен МВт. Для передачи информации обычно используют миниатюрные импульсные и высокочастотные трансформаторы.

Иногда для электробезопасности применяют специальные разделительные силовые трансформаторы. Обычно силовые трансформаторы понижающие, то есть напряжение вторичных обмоток ниже напряжения первичной обмотки, разделительные трансформаторы, как правило, имеют коэффициент трансформации 1:1. Применение таких трансформаторов в целях электробезопасности обусловлено тем что низковольтные промышленные и бытовые сети имеют заземление присоединенное к «земле» — с которой также электрически связаны, например, водопроводные трубы. При отсутствии разделительного трансформатора пробой изоляции ручного электроинструмента может причинить электротравму работнику. Так как вторичная обмотка разделительного трансформатора не имеет электрической связи с «землёй», аварийное нарушение изоляции инструмента практически электробезопасно.

У автотрансформаторов первичная и вторичная обмотки совмещены, и поэтому автотрансформаторы не являются устройствами гальванического разделения и не применяются для гальванического разделения в целях электробезопасности.

Недостаток трансформаторной гальванической развязки для передачи информационного сигнала — принципиальная невозможность непосредственной передачи сигналов постоянного тока и медленно изменяющихся сигналов через трансформатор. Поэтому в таких развязках прибегают к какому-либо виду модуляции, например, частотной модуляции и передача информации при этом происходит с помощью передачи высокочастотного несущего сигнала. На приёмном конце высокочастотный сигнал демодулируется с восстановлением переданной информации.

Оптоэлектронные и оптические развязки[править | править код]

Принцип работы оптоэлектронной развязки, широко используемой в современных цифровых системах
Гальваническая развязка для передачи аналоговых сигналов с улучшенной точностью[1]. Если фототоки фотодиодов равны во всем диапазоне изменения входного сигнала (), то нелинейность канала компенсируется.

В устройствах этого типа сигнал передаётся с помощью оптического излучения и используются исключительно для передачи информационных сигналов, так как через такие развязки трудно и технически нецелесообразно передавать большую мощность.

В настоящее время оптические развязки наиболее используемый и популярный тип информационных развязок.

Принцип их действия основан на излучении света каким-либо управляемым электрическим сигналом светоизлучателем, передаче оптического сигнала в гальванически изолированную часть и обратное преобразование излучения в электрический сигнал.

В качестве излучателей сейчас обычно используются светодиоды, а в качестве приёмников света — фотодиоды, фототранзисторы или фототиристоры. Комбинацию светодиод и приемник излучения принято называть оптопарой или оптроном, если конструктивно излучатель и приёмник излучения скомпонованы в одном корпусе. Передача в оптическом канале обычно применяют в инфракрасном диапазоне, так как энергетические характеристики полупроводниковых приёмников и излучателей в этом диапазоне лучше, чем в видимом диапазоне.

Преимущество оптронной развязки по сравнению с трансформаторной — меньшие габариты, дешевизна и возможность передавать медленно меняющиеся сигналы, в том числе сигналы постоянного тока.

Недостаток оптической развязки для передачи аналоговых сигналов низких частот — существенная нелинейность канала при передаче, неравномерность коэффициента передачи 10—30 % во всем диапазоне изменения сигнала. Поэтому для передачи медленно меняющихся аналоговых сигналов с достаточной точностью, как и в случае трансформаторной развязки применяют модуляцию-демодуляцию.

Другой способ точной передачи медленно меняющегося сигнала через оптический канал — компенсационный. При этом методе один светоизлучатель (светодиод) засвечивает два приёмника излучения (фотодиода или фототранзистора), один из приёмников включён в обратную связь источника тока светодиода, второй, гальванически изолированный, включён в обратную связь усилителя фотодиода как показано на рисунке. Если нелинейная функция передачи от светодиода на оба фотоприёмника одинаковая, то нелинейности взаимно компенсируются и гальваническая развязка становится с достаточной для многих применений точностью линейной. Практически в такой структуре достижимо улучшение линейности передачи в канале до 1 %.

Конденсаторная гальваническая развязка[править | править код]

Один из вариантов конденсаторной гальванической развязки
Структурная схема информационной гальванической развязки через пару конденсаторов. Красной линией изображён синфазный сигнал.
М — модулятор, преобразующий входной сигнал в последовательности коротких импульсов;
БУ — буферный усилитель-фазорасщепитель, преобразующий входной импульсный сигнал на две линии в которых фаза импульсов отличается на 180 градусов;
ДУ — дифференциальный импульсный усилитель;
ДМ — демодулятор, преобразующий импульсные последовательности в непрерывный аналоговый сигнал.

Применяется исключительно для передачи информационных сигналов. Эта развязка может называться гальванической развязкой только условно, так как гальванически развязываемые цепи соединены электрически через ёмкостную связь, импеданс которой конечен и падает при повышении частоты разности плавающих потенциалов «земель» разделяемых цепей.

Если ёмкость конденсаторов мала, то токи промышленной частоты, протекающие через развязывающие конденсаторы малы. Например, обычная ёмкость развязывающих конденсаторов около 1 пФ, и импеданс гальванической развязки для промышленной частоты составляет порядка 3 ГОм. Электрическая прочность (пробойное напряжение) развязывающих конденсаторов может составлять несколько киловольт, поэтому этот тип развязок разрешён для применения в в электрофизическом оборудовании для медицинского обследования и лечения пациентов, например, в электрокардиографах.

Так как такая развязка принципиально не передаёт медленно изменяющиеся сигналы и сигналы постоянного тока, при передаче информационного сигнала обязательно применяют какой-либо тип модуляции.

Пример цепи конденсаторной гальванической развязки показан на рисунке. В этой схеме импульсный сигнал передаётся через несимметричный конденсаторный мост с разными коэффициентами передачи ёмкостных делителей напряжения в плечах моста.

Другой пример гальванической развязки показан на рисунке. В этой схеме информационный сигнал, промодулированный каким-либо методом, передаётся в дифференциальном виде через два конденсатора связи, с типовой ёмкостью около 1 пФ.

Этот принцип гальванического разделения применён во многих микросхемах «усилителей с гальванической развязкой» многих производителей полупроводниковых компонентов. Обычно в таких микросхемах применяют сигма-дельта модуляцию.

Преимущество конденсаторного метода гальванического разделения — простота, но недостаток — требует применения модулятора-демодулятора.

Применение[править | править код]

Без использования развязки предельный ток, протекающий между цепями, ограничен только электрическими сопротивлениями, которые обычно относительно малы. В результате возможно протекание выравнивающих токов и других токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепью. Прибор, обеспечивающий развязку, искусственно ограничивает передачу энергии из одной цепи в другую. В качестве такого прибора может использоваться разделительный трансформатор или оптрон. В обоих случаях цепи оказываются электрически разделёнными, но между ними возможна передача энергии или сигналов.

Ссылки[править | править код]

Примечания[править | править код]