Гальваническая изоляция достигается с помощью трансформаторов с коэффициентом трансформации, равным единице. Первичная катушка подключается к источнику сигнала, а вторичная катушка – к приемнику. На этом принципе основана гальваническая развязка трансформаторов, которая лежит в основе устройств магнитной модуляции.
Гальваническая изоляция
В электронике и электротехнике существует большое количество схем, требующих изоляции или отделения мощных напряжений от низковольтных цепей управления. Таким образом, создается защита низковольтного оборудования от высоковольтных воздействий. Другими словами, в этих цепях не течет нормальный электрический ток. В таких случаях при отсутствии тока между устройствами возникает высокое омическое сопротивление, вызывающее разрыв цепи. Эта проблема успешно решается с помощью гальванической развязки, которая устраняет гальваническую связь между устройствами.
Менее распространенным методом создания изоляции является последовательное использование конденсаторов. Поскольку сигналы переменного тока могут проходить через конденсаторы, этот метод может быть эффективным способом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем трансформаторный, поскольку в случае неисправности трансформатор разрывает цепь, а конденсатор замыкается. Одной из целей гальванической развязки от сети переменного тока является защита пользователя от действующего, неограниченного источника тока в случае неисправности.
Методы изоляции сигналов
Оптоизоляторы
Когда требуется передать сигнал между двумя частями цепи с разными потенциалами земли, популярным решением является оптопара (оптосоединитель). Оптопара представляет собой фототранзистор, который открывается (“включается”) при подаче напряжения на внутренний светодиод. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является сигнальным путем, поэтому изоляция между потенциалами земли не нарушается.
Рисунок 3 – Схема типичного оптоизолятора
Датчик Холла
Еще один метод передачи информации между электрическими системами с разными потенциалами земли – использование датчика Холла. Датчик Холла определяет индукцию неинвазивным способом и не требует прямого контакта с тестируемым сигналом, а также не нарушает изоляционный барьер. Наиболее распространенным применением для передачи индуктивной информации через цепи с различными потенциалами земли являются датчики тока.
Рисунок 4 – Датчик тока, используемый для измерения тока, протекающего через проводник
Каждый канал, изолированный в Texas Instruments, представляет собой относительно сложную схему.
Гальваническая изоляция. Кто, если не оптопара?
В электронике существует такое понятие, как гальваническая развязка. Классическое определение – это передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, эта формулировка покажется вам очень общей и даже загадочной. Если у вас есть инженерное образование или вы хорошо разбираетесь в физике, вы, вероятно, уже думаете о трансформаторах и оптопарах.
Следующая статья посвящена различным способам гальванической изоляции цифровые сигналы. Давайте поговорим о том, зачем он вообще нужен и как производители реализуют изолирующий барьер “внутри” современных микропроцессоров.
Как уже упоминалось выше, мы будем говорить о выделении цифровых сигналов. В остальной части текста гальваническая изоляция будет определяться как передача информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.
Почему это необходимо
Существует три основные задачи, которые решает цифровая изоляция сигнала.
Первое, что приходит на ум, это защита от высокого напряжения. На самом деле, обеспечение гальванической развязки является требованием безопасности для большинства электрических устройств.
Пусть микроконтроллер, который, естественно, имеет низкое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого высоковольтного устройства. Это более чем распространенная задача. Если нет изоляции между контроллером, который усиливает сигнал управления мощностью и напряжением, и устройством управления, микроконтроллер рискует просто перегореть. Кроме того, устройства ввода/вывода обычно подключены к цепям управления, а это значит, что человек, нажавший кнопку “вкл”, может легко замкнуть цепь и получить удар током в несколько сотен вольт.
Таким образом, сигнальная гальваническая развязка служит для защиты людей и машин.
Не менее популярно использование изолирующих барьерных схем для соединения электрических цепей с разным напряжением питания. Это просто: между цепями нет “электрической связи”, поэтому логические уровни информационного сигнала на входе и выходе схемы будут соответствовать подаче питания на “вход” и “выход” цепей соответственно.
Гальваническая изоляция также используется для повышения устойчивости системы к помехам. Одним из основных источников помех в электронном оборудовании является так называемый общий провод, которым часто является корпус оборудования. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает общий потенциал для передатчика и приемника, необходимый для передачи информационного сигнала. Поскольку общий провод обычно служит одним из полюсов питания, подключение к нему различных электронных устройств, особенно силовых, вызывает кратковременные импульсные помехи. Это устраняется путем замены “электрического соединения” на соединение с изолирующим барьером.
Как это работает?
Традиционно гальваническая развязка основана на двух компонентах – трансформаторах и оптопарах. Если оставить в стороне детали, то первые используются для аналоговых сигналов, а вторые – для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому стоит напомнить читателю, что такое оптопара.
В нем используется пара световых излучателей (обычно светодиоды) и фотодетектор для передачи сигнала без электрического контакта. Электрический сигнал на входе преобразуется в “световые импульсы”, проходит через светопропускающий слой, воспринимается фотодетектором и снова преобразуется в электрический сигнал.
Оптоэлектронная развязка приобрела огромную популярность и в течение нескольких десятилетий была единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились схемы, которые вводят барьер изоляции за счет других, более современных технологий.
Цифровые изоляторы – это схемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых “превосходит” оптопару по скорости и точности передачи сигнала, уровню помехоустойчивости и, чаще всего, стоимости одного канала.
Изоляционный барьер в цифровых изоляторах изготавливается с использованием различных технологий. Известная компания Аналоговые устройства В цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера используется импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы находятся два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристаллический излучатель генерирует два коротких импульса на склоне информационного сигнала и один импульс на склоне информационного сигнала. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой принимать импульсы на кристаллический передатчик, на котором выполняется обратное преобразование.
Описанная технология успешно используется при реализации гальванической развязки, по многим параметрам превосходящей оптопары, но имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к шумам и риском искажений при работе с короткими входными импульсами.
Гораздо более высокий уровень помехоустойчивости достигается в системах, где разделительный барьер реализован на конденсаторах. Использование конденсаторов позволяет устранить постоянную связь между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.
Преимуществами емкостной изоляции являются высокая энергоэффективность, малые размеры и устойчивость к внешним магнитным полям. Это позволяет использовать недорогие интегральные изоляторы с высокой надежностью. Их производят две компании – Texas Instruments и Silicon Labs. Эти компании используют различные технологии изготовления каналов, но обе используют диоксид кремния в качестве диэлектрика. Этот материал обладает высокой диэлектрической прочностью и уже несколько десятилетий используется в производстве микропроцессоров. Следовательно, SiO2 может быть легко интегрирован в кристалл, а диэлектрический слой толщиной в несколько микрометров достаточен для обеспечения напряжения изоляции в несколько киловольт.
На одном (Texas Instruments) или обоих (Silicon Labs) кристаллах в корпусе цифрового изолятора имеются площадки для конденсаторов. Кристаллы соединяются через эти площадки таким образом, чтобы информационный сигнал проходил от приемника к передатчику через изолирующий барьер.
Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалле, они используют совершенно разные принципы передачи информационных сигналов.
Каждый изолированный канал Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.
Давайте посмотрим на его “нижнюю половину”. Информационный сигнал подается на RC-цепи, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, через эти импульсы сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения через емкостной барьер не подходит для медленно движущихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решил эту проблему, продублировав каналы – “нижняя половина” схемы является высокочастотным каналом и предназначена для сигналов от 100 кбит/с и выше.
Сигналы со скоростью ниже 100 кбит/с обрабатываются на “верхней половине” схемы. Входной сигнал предварительно модулируется на высокой тактовой частоте, модулированный сигнал подается на изолирующий барьер, сигнал регенерируется импульсами из RC-цепей и далее демодулируется.
Схема принятия решения на выходе канала изоляции “решает”, с какой “половины” сигнал должен быть подан на выход схемы.
Как видно из схемы каналов изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Позвольте напомнить читателю его суть.
Дифференциальная передача – это простой и эффективный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика “расщепляется” на два взаимно противоположных сигнала V+ и V-, которые одинаково нагружены синфазным шумом различной природы. Приемник вычитает эти сигналы, и результирующий шум Vsp устраняется.
Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах Silicon Labs. Эти чипы имеют более простую и надежную структуру. Входной сигнал подвергается высокочастотной модуляции OOK (On-Off Keying) для прохождения через емкостной барьер. Другими словами, “единица” информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а “ноль” – отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит через емкостную пару без искажений и восстанавливается на стороне передатчика.
Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят схемы ADUM по большинству ключевых характеристик. Микропроцессоры TI обеспечивают примерно такую же производительность, как и Silicon Labs, но в некоторых случаях уступают по точности передачи сигнала.
Где это работает
Я хотел бы добавить несколько слов о том, в каких ИС используется изолирующий барьер.
В первую очередь следует упомянуть цифровые изоляторы. Это несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в единый пакет. Доступны схемы с различными конфигурациями однонаправленных входных и выходных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для изоляции шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC контроллером для изоляции питания.
Серия Si86xx – цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами 
Серия Si860xx – Цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами 
Серия Si88xx – Цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC контроллером 
Серия Si823x – изолированный контроллер с высоким и низким ключом 
Серия Si8261 – входной драйвер изолированного светодиодного эмулятора 
Серия Si8920 – изолированный усилитель тока с шунтом 
Серия Si890x – Изолированный АЦП 
Принцип изоляции электрической цепи от других цепей в одном устройстве называется гальванической развязкой или изоляцией. Такая изоляция позволяет передавать сигнал или энергию от одной цепи к другой без прямого контакта между цепями.
Как это работает?
Чтобы понять, как работает гальваническая развязка, давайте рассмотрим, как она реализована в конструкции трансформатора.
Первичная обмотка электрически изолирована от вторичной обмотки. Между ними нет контакта, и ток не возникает, если, конечно, не пробита изоляция или не повреждена обмотка. Однако разность потенциалов в катушках может быть значительной.
Поэтому, даже если вторичная обмотка электрически соединена с корпусом оборудования и, следовательно, с землей, на корпусе не возникает паразитных токов, которые могут представлять опасность для работников или оборудования.
Типы
Изоляция электрических цепей осуществляется различными методами с использованием всевозможных электронных компонентов и деталей. Например, трансформаторы, конденсаторы и оптопары способны передавать электрические сигналы без прямого контакта. Части цепи взаимодействуют через световой поток, магнитное или электростатическое поле. Рассмотрим основные типы гальванической изоляции.
Индуктивная изоляция
Для создания трансформаторной (индуктивной) изоляции необходимо использовать магнитоиндуктивный элемент, называемый трансформатором. Это может быть как с сердечником, так и без него.
В развязке трансформаторного типа используются трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице. Первичная обмотка трансформатора подключается к источнику сигнала, а вторичная обмотка – к приемнику. Для развязки цепей таким образом можно использовать магнитомодуляционные устройства на основе трансформаторов.
Выходное напряжение, имеющееся на вторичной обмотке трансформатора, будет напрямую связано с входным напряжением устройства. Этот метод индуктивной изоляции имеет ряд серьезных недостатков:
- Значительные габаритные размеры, из-за которых невозможно сделать компактное устройство.
- Частотная модуляция гальванической развязки ограничивает полосу пропускания.
- На качество выходного сигнала влияют помехи от входного несущего сигнала.
- Работа трансформаторной изоляции возможна только при переменном напряжении.
Оптоэлектронная изоляция
Достижения в области электроники и информатики полупроводниковых элементов сегодня расширяют возможности проектирования развязывающих схем с оптоэлектронными узлами. Основой этих узлов развязки являются оптопары, в основе которых лежат тиристоры, диоды, транзисторы и другие светочувствительные элементы.
В оптической части схемы, которая соединяет приемник и источник данных, носителями сигнала являются фотоны. Фотонная нейтральность обеспечивает электрическую развязку выходных и входных цепей и согласование цепей с различными выходными и входными сопротивлениями.
При оптоэлектронной развязке приемник не оказывает влияния на источник сигнала, что делает возможным модуляцию сигналов в широком диапазоне частот. Важным преимуществом оптоэлектронных пар является их компактность, что позволяет использовать их в микроэлектронике.
Оптоэлектронная пара состоит из излучателя света, среды, проводящей световой поток, и приемника света, преобразующего его в электрический сигнал. Выходное и входное сопротивление в оптопаре очень высокое и может достигать нескольких миллионов Ом.
Принцип работы оптопары довольно прост. Свет, излучаемый светодиодом, направляется на фототранзистор, который принимает его и реагирует на световой сигнал.
В деталях работа оптопары заключается в следующем. Входной сигнал подается на светодиод, который излучает свет через оптическое волокно. Затем световой поток регистрируется фототранзистором, на выходе которого генерируется дифференциальный или импульсный электрический выходной ток. Таким образом достигается гальваническая развязка цепей, подключенных к светодиоду с одной стороны и к фототранзистору с другой.
Диодный оптоизолятор
В этой паре источником светового потока является светодиод. Такая пара может использоваться вместо ключа и работать с сигналами в несколько десятков МГц.
Когда необходимо передать сигнал, источник подает питание на светодиод, в результате чего свет попадает на фотодиод. Свет заставляет фотодиод открыться и провести через него ток.
Приемник воспринимает появление тока как рабочий сигнал. Недостатком диодных оптопар является невозможность контролировать большие токи без вспомогательных компонентов. Другим недостатком является их низкая эффективность.
Транзисторные оптопары
Эти оптопары имеют более высокую чувствительность, чем диодные оптопары, и поэтому более экономичны. Но скорость отклика и частота соединения у них ниже. Оптические пары транзисторов имеют низкое сопротивление в открытом состоянии и высокое сопротивление в закрытом состоянии.
Управляющие токи для пары транзисторов больше, чем выходной ток пары диодов. Транзисторные оптоизоляторы могут использоваться различными способами:
- Без базового свинца.
- С базовым свинцом.
Без вывода базы ток коллектора будет напрямую зависеть от тока светодиода, но транзистор будет иметь большое время отклика, поскольку цепь базы всегда открыта.
Для вывода базы можно увеличить скорость срабатывания, подключив вспомогательный резистор между эмиттером и базой транзистора. Это заставляет транзистор не переходить в состояние проводимости, пока ток диода не достигнет значения, необходимого для падения напряжения на резисторе.
Такая гальваническая изоляция имеет ряд преимуществ:
- Широкий диапазон напряжения развязки (до 0,5 кВ). Это играет важную роль при проектировании систем ввода информации.
- Гальваническая изоляция может работать на высоких частотах до нескольких десятков МГц.
- Компоненты такой схемы изоляции имеют незначительные габаритные размеры.
В отсутствие гальванической развязки самые большие токи, проходящие между цепями, могут быть ограничены только малыми электрическими сопротивлениями. Это приводит к возникновению эквипотенциальных токов, которые вызывают повреждение компонентов электрической цепи и работника, случайно прикоснувшегося к незащищенному электрооборудованию.
Гальваническая изоляция – Передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними. Гальванические изоляторы используются для передачи сигналов, для бесконтактного управления и для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.
Гальваническая изоляция
Гальваническая изоляция – Передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними. Гальванические изоляторы используются для передачи сигналов, для бесконтактного управления и для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.
Без использования изолятора предел тока, протекающего между цепями, ограничивается только электрическими сопротивлениями, которые обычно относительно малы. В результате могут протекать эквипотенциальные и другие токи, которые могут повредить компоненты цепи или травмировать людей, прикасающихся к оборудованию, находящемуся в электрическом контакте с цепью. Изолирующее устройство искусственно ограничивает передачу энергии от одной цепи к другой. В качестве такого устройства может быть использован трансформатор или оптопара. В обоих случаях цепи электрически изолированы, но между ними может передаваться энергия или сигналы.
- Найдите и аннотируйте ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
- Схемотехника
Фонд Викимедиа . 2010 .
гальваническая изоляция – 3.4.3 гальваническая развязка: компонент искробезопасного электрооборудования, который позволяет сигналу проходить от входа к выходу без прямого электрического соединения между ними. Примечание для… ПК Глоссарий терминов для нормативно-технической документации
гальваническая развязка входных и выходных цепей – Входные и выходные темы EN Двухсторонняя изоляция Двухсторонняя изоляция … Руководство технического переводчика
Гальваническая изоляция входных, выходных цепей и цепей питания – Intent] EN FR Topics Электротехника, основные понятия EN 3 way isolationelectrical 3 way isolationthree way isolation … Руководство технического переводчика
изоляция – Содержание 1 В технике 2 В искусстве 3 Топонимы 4 См. также … Википедия
Коммутирующий регулятор напряжения – Импульсный регулятор напряжения – это регулятор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме[1], то есть большую часть времени он находится либо в выключенном состоянии, когда его сопротивление максимально, либо в … … Википедия
ГОСТ Р МЭК 60079-0-2011: Взрывоопасные атмосферы. Часть 0: Оборудование. Общие требования – Терминология ГОСТ Р МЭК 60079-0-2011: Взрывоопасные атмосферы. Часть 0: Оборудование. Общие требования: 3.27 взрывозащищенный колпачок: Резьбовой колпачок, который испытывается отдельно от корпуса оборудования, но сертифицирован как часть ….. Глоссарий терминов для стандартов и технической документации.
РД 91.020.00-КТН-276-07: Нормы проектирования молниезащиты магистральных нефтепроводов и сооружений связи ОАО “АК “Транснефть” и его дочерних обществ – Терминология РД 91.020.00 КТН 276 07: Нормы проектирования молниезащиты магистральных нефтепроводов и сооружений связи ОАО “АК “Транснефть” и его дочерних обществ: 3.1 Безопасное расстояние (защитное разделение… …. Глоссарий терминов для нормативно-технической документации
Молниезащита – Молниезащита (грозозащита и молниеотвод) – это комплекс технических решений и специальных устройств, направленных на обеспечение безопасности здания и находящегося в нем имущества и людей. Ежегодно на Земле происходит до 16 миллионов гроз, что означает, что … … Википедия
Оптрон – Различные типы оптопар Оптический передатчик (оптрон) – это электронное устройство, состоящее из излучателя света (обычно светодиода, в ранних продуктах – миниатюрной лампочки) и фотодетектора (биполярного и полевого фототранс … Википедия
Гальваническая изоляция (гальваническая развязка, гальваническая изоляция) – это название, данное общему принципу электрической изоляции данной электрической цепи от других цепей, присутствующих в устройстве. Гальваническая изоляция обычно используется для решения одной из двух задач (или обеих):
Термин: гальваническая изоляция
Гальваническая изоляция (гальваническая изоляция, гальваническая развязка) – это название, данное общему принципу электрической изоляции данной цепи от других цепей, имеющихся в аппаратуре. Гальваническая изоляция обычно используется для одной из двух целей (или для обеих):
1. обеспечение независимости сигнальная цепь (1) Для поддержания независимости сигнальной цепи от других цепей путем обеспечения гальванической развязки от других цепей, возникающей при соединении устройств и оборудования вместе. Например, это может быть независимость схемы измерения от схемы привода. Независимость сигнальной цепи решает ряд проблем Электромагнитная совместимость (ЭМС): повышает устойчивость к помехам, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует его лучшей совместимости с другими устройствами в жесткой электромагнитной среде. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка может быть группа (один для нескольких каналов измерения) или канал за каналом (индивидуально для каждого измерительного канала).
2) Обеспечить электробезопасность при работе с оборудованием в соответствии с государственными стандартами электробезопасности. ГОСТ 12.2.091-2012 распространяется на электрооборудование для измерения, контроля и лабораторного использования и устанавливает требования к сопротивлению изоляции (испытательному напряжению). Следует отметить, что гальваническая изоляция – является технической мерой электробезопасности, поэтому требования к изоляции для данной цепи всегда должны рассматриваться в сочетании с другими мерами электробезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д.), принятыми в данном случае. В любом случае, напряжение испытания изоляции, указанное в документации на оборудование, должно быть во много раз выше номинального напряжения изолированных цепей.
Следует отметить, что гальваническая изоляция Отметим, что гальваническая развязка цепей может обеспечиваться различными техническими методами: трансформаторная (индуктивная) гальваническая развязка (трансформаторы, цифровые изоляторы на принципе высокочастотного трансформатора), оптическая гальваническая развязка (оптроны, оптопары), емкостная гальваническая развязка (цифровые изоляторы на емкостном принципе), электромеханическая развязка (электромеханические реле). Эти методы отличаются не только по очевидным параметрам работы “по назначению”, но и, например, по менее очевидным параметрам обеспечения “степени независимости” изолируемых цепей. Например, обычный сетевой трансформатор может иметь межобмоточную емкость в тысячи пФ, тогда как оптопара может иметь межобмоточную емкость в десятые доли пФ. Эта емкость оказывает значительное влияние на сквозные токи на высоких частотах через муфту и эффективно определяет независимость изолированных цепей для фазных напряжений с высокой скоростью нарастания.
| Перейти к другим терминам | Статья создана: | 06.07.2014 |
| О терминологии | Последний пересмотр: | 26.07.2019 |