Что такое гальваническая развязка. Транзисторный ключ переменного тока Гальваническая развязка перевертыш

Цикл статей состоит из трёх частей:

Помехи в схемах.

В процессе нормальной работы электронного устройства могут появляться помехи в схеме.

Помехи могут не только препятствовать нормальной работе устройства, но и привести к его полному выходу из строя.

Рис. 1. Помехи в полезном сигнале.

Увидеть помехи можно на экране осциллографа, включив его в исследуемую часть схемы (Рис. 1). Длительность помех может быть как очень маленькой (единицы наносекунд, так называемые "иголки"), так и очень большой (несколько секунд). Форма и полярность помех тоже бывает разная.
Распространение (прохождение) помех происходит не только по проводным соединениям схемы, но иногда даже и между частями схемы, не соединёнными проводкниами. Кроме того помехи могут накладываясь, суммироваться друг с другом. Так, единичная слабая помеха может не вызвать сбоя в схеме устройства, но одновременное скопление нескольких слабых случайных помех приводит к неверной работе устройства. Этот факт во много раз усложняют поиск и устранение помех, так как они принимают ещё более случайный харрактер.

Источники помех можно грубо разделить:

• Внешний источник помех. Находящийся рядом с устройством источник сильного электромагнитного или электростатического поля может привести к сбоям в электронном устройстве. Например разряд молнии, релейная коммутация больших токов или работа электросварки.
• Внутненний источник помех. Например, при включении/выключении нагрузки с реактивным собпротивлением (электромотора или электромагнита) в устройстве, может происходить сбой в работе остальной части схемы. Неверный алгоритм программы тоже может быть источником внутренних помех.

Для защиты от внешних помех конструкцию или отдельные её части помещают в металлический или электромагнитный экран, а так же применяют схемные решения с меньшей чувствительностью к внешним помехам. От внутренних помех помогает применение фильтров, оптимизация алгоритма работы, изменение построения всей схемы и расположения её частей относительно друг друга.
Очень элегантным считается не безразборное подавление всех помех, а сознательное направление их в те места схемы, где они затухнут, не причинив вреда. В ряде случаев такой путь намного проще, компактнее и дешевле.

Оценка вероятности появления помех в схемах и пути их предотвращения - задача не простая, требующая теоретических знаний и практического опыта. Но тем не менее с твёрдостью можно сказать, что вероятность появления помехи возрастает:

• с увеличением коммутируемого тока или напряжения в цепи,
• с увеличением чувствительности частей схемы,
• с увеличением быстродействия применённых деталей.

Что бы не переделывать готовую конструкцию из за частых сбоев, лучше уже на стадии проектирования схемы ознакомиться с возможными источниками и путями распространения помех. Так как около половины всех проялвений помех связаны с "плохим" питанием, то начинать проектировать устройство лучше всего с выбора способа питания его частей.

Помехи по цепям питания.

На рисунке 2 представлена типичная блок-схема некоего электронного устройства, которое состоит из источника питания, схемы управления, драйвера и исполнительного устройства.
По такой схеме построены большинство простейших роботов из серии на этом сайте.

Рис. 2. Совместное питание управляющей и силовой части.

В таких схемах можно условно выделить две части: управляющую и силовую. Управляющая часть потребляет относительно мало тока и содержит какие-либо контролирующие или вычислительные схемы. Силовая часть потребляет значительно больше тока и в неё входит улилитель и оконечная нагрузка.
Рассмотрим каждую часть схемы подробнее.

Рис. 2 a.

Источник питания (Рис. 2 a.) может представлять собой "батарейки" или сетевой трансформаторный блок питания. В источник питания так же может входить стабилизатор напряжения и небольшой фильтр.

Рис. 2 б.

Схема управления - это часть схемы (Рис. 2 б.), где просиходит обработка какой либо информации в соответствии с работой алгоритма. Сюда же могут поступать сигналы с внешних источников, например, с каких либо сенсоров. Сама схема управления может быть собрана с применением микроконтроллеров или других микросхем, или же на дисретных элементах.

Линии связи просто соединяют схему управления с драйвером исполнительным устройством, то есть это просто проводки или дорожки печатной платы.

Рис. 2 в.

Исполнительное устройство (Рис. 2 в.) часто представляет собой механизм, который преобразует электрический сигнал в механическую работу, например электромотор или электромагнит. То есть исполнительное устройство преобразовывает электрический ток в другой вид энергии и обычно потребляет относительно большой ток.

Рис. 2 г.

Так как сигнал от схемы управления очень слабый, поэтому драйвер или усилитель (Рис. 2 г.) является неотъемлемой частью многих схем. Драйвер может быть выполненн, например, на одном лишь транзисторе или специальной микросхеме, в зависимости от типа исполнительного устройства.


Как правило, основным источником сильных помех является исполнительное устройство. Появившаяся тут помеха, пройдя через драйвер, распространяется и дальше по шине питания (Помеха на Рис. 2 показана схематично оранжевой стрелкой). А так как схема управления запитана от того же источника питания, то велика вероятность воздействия этой помехи и на неё. То есть, например, помеха, появившись в моторе, пройдёт через драйвер и может привести к сбою в схеме управления.
В простых схемах бывает достаточно поставить параллельно с источником питания конденсатор большой ёмкости около 1000 мкФ и керамический 0,1 мкФ. Они будут выполнять роль простейшего фильтра. В схемах с токами потребления около 1 ампера и более для защиты от сильных помех сложной формы придётся ставить громоздкий, сложный фильтр, но и это не всегда помогает.
Во многих схемах наиболее простым способом избавиться от воздействия помех помогает применение отдельных источников питания для управляющей и силовой части схемы, то есть применение так называемого раздельного питания .
Хотя раздельное питание применяют не только для борьбы с помехами.

Раздельное питание.

На Рис. 3 приведена блок-схема некоего устройства. В этой схеме используется два источника питания. Силовая часть схемы запитана от источника питания 1 , а схема управления - от источника питания 2 . Оба источника питания соединены одним из полюсов, этот провод является общим для всей схемы и относительно него передаются сигналы по линии связи.

Рис. 3. Раздельное питание управляющей и силовой части.

На первый взгляд такая схема с двумя источниками питания выглядит громоздкой и сложной. На самом деле подобные схемы с раздельным питанием используются, например, в 95% всей бытовой аппаратуры. Раздельные источники питания там представляют собой лишь разные обмотки трансформаторов с разным напряжением и током. Это ещё одно достоинство схем с раздельным питанием: в одном устройстве можно использовать несколько блоков с различным напряжением питания . Например, для контроллера использовать 5 вольт, а для мотора - 10-15 вольт.
Если приглядеться к схеме на Рис. 3, то видно, что помеха из силовой части не имеет возможности попасть в управляющую часть по линии питания. Следовательно, полностью отпадает и необходимость её подавлять или фильтровать.

Рис. 4. Раздельное питание со стабилизатором.

В передвижных конструкциях, например, мобильных роботах, из-за габаритов не всегда удобно использовать два блока батареек. Поэтому раздельное питание можно построить с применением одного блока батареек. Схема управления при этом будет питаться от основного источника питания через стабилизатор с маломощным фильтром, Рис. 4. В этой схеме нужно учесть падение напряжения на стабилизаторе выбранного типа. Обычно применяется блок батарей с более высоким напряжением, чем необходимое для схемы управления напряжение. Работоспособность схемы в таком случае сохраняется и при частичном разряде батарей.

Рис. 5. L293 при раздельном питании.

Многие микросхемы-драйверы сразу специально расчитаны на использование в схемах с раздельным питанием. Например, широко известная микросхема драйвера L293 (Рис. 5 ) имеет вывод Vss - для питания схемы управления (Logic Supply Voltage) и вывод Vs - для питания оконечных каскадов силового драйвера (Supply Voltage или Output Supply Voltage).
Во всех конструкциях роботов с микроконтроллером или логической микросхемой из серии можно включить L293 схемой с раздельным питанием. При этом напряжение питания силовой части (напряжение для моторов) может быть в пределах от 4,5 до 36 вольт, а напряжение на Vss можно подать то же, что и для питания микроконтроллера или логической микросхемы (обычно 5 вольт).

Если питание управляющей части (микроконтроллера или логической микросхемы) происходит через стабилизатор, а питание силовой части берётся напрямую от блока батареек, то это позволяет значительно сэкономить потери энергии. Так как стабилизатор будет питать только схему управления, а не всю конструкцию. Это - ещё одно достоинство раздельного питания: экономия энергии .

Если взглянуть ещё раз на схему рисунка 3, то можно заметить, что кроме общего провода (GND) силовую часть со схемой управления соединяют ещё и линии связи. По этим проводам в некоторых случаях тоже могут проходить помехи из силовой части внутрь схемы управления. Кроме того эти линии связи часто сильно подвержены электромагнитным воздействиям ("наводкам"). Избавиться раз и на всегда от этих вредных явлений можно, применив так называемую гальваническую развязку .
Хотя гальваническую развязку применяют тоже не только для борьбы с помехами.

Гальваническая развязка.

На первый взгляд такое определение может показаться невероятным!
Как можно передать сигнал без электрического контакта?
На самом деле есть даже два способа, которые это позволяют.

Рис. 6.

Оптический способ передачи сигнала построен на явлении фоточувствительности полупроводников. Для этого применяется пара из светодиода и фоточувствительного прибора (фототранзистор, фотодиод), рис 6.

Рис. 7.

Пара светодиод-фотоприёмник изолированно рас- положены в одном корпусе напротив друг друга. Такая деталь так и называется оптопара (зарубежное название optocopler ), рис 7.
Если через светодиод оптопары пропустить ток, то сопротивление встроенного фотоприёмника будет изменяться. Так происходит безконтактная передача сигнала, так как светодиод полностью изолированн от фотоприёмника.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельная оптопара. Частота передаваемого оптическим способом сигнала может лежать в пределах от нуля до нескольких десятков-сотен килогерц.

Рис. 8.

Индуктивный способ передачи сигнала основывается на явлении электромагнитной индукции в трансформаторе. При изменении тока в одной из обмоток трансформатора происходит изменение тока в другой его обмотке. Таким образом сигнал передаётся из первой обмотки во вторую (рис. 8). Такую связь между обмотками ещё называют трансформатороной , а трансформатор для гальваноразвязки иногда именуют разделительный трансформатор .

Рис. 9.

Конструктивно трансформаторы обычно выполненны на кольцевом ферритовом сердечнике, а обмотки содержат несколько десятков витков провода (рис. 9). Не смотря на кажущуюся сложность такого трансформатора, его можно изготовить самостоятельно за несколько минут. Так же продаются и готовые малогабаритные трансформаторы для гальванической развязки.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельный такой трансформатор. Частота передаваемого сигнала может лежать в пределах от нескольких десятков герц до сотен-тысяч мегагерц.

В зависимости от типа передаваемого сигнала и требований к схеме можно выбрать либо трансформаторную, либо оптическую гальваноразвязку. В схемах с гальванической развязкой с обоих сторон для согласования (связывания, сопряжения) с остальной схемой часто ставят специальные преобразователи.

Расмотрим теперь блок-схему с использованием гальванической развязки между управляющей и силовой частью на рисунке 10.

Рис. 10. Раздельное питание и гальваническая развязка канала связи.

По этой схеме видно, что любые помехи из силовой части не имеют никакой возможности проникнуть в управляющую часть, так как электрического контакта между частями схемы не существует.
Отсутствие электрического контакта между частями схемы в случае с гальваноразвязкой позволяет безопасно управлять исполнительными механизмами с высоковольтным питанием. Например, какой нибудь пульт управления с питанием от нескольких вольт может быть гальванически разделён от фазового напряжения сети в несколько сотен вольт, что повышает безопасность для обслуживающего персонала. Это является важным достоинством схем с гальваноразвязкой.

Схемы управления с гальваноразвязкой практически всегда можно встретить в ответственных устройствах, а так же в испульсных блоках питания. Оссобенно там, где присутствует хоть малейшая вероятность появления помех. Но даже в любительских устройствах гальваническая развязка находит применение. Так как небольшое усложнение схемы гальваноразвязкой приносит полную уверенность в бесперебойной работе устройства.

Современная жизнь немыслима без телевидения. Во многих квартирах можно встретить по два, а иногда и по три телевизионных приемника. Особенно популярно кабельное ТВ. Но как быть если необходимо подключить несколько телевизоров к одному антенному кабелю? Естественно воспользоваться «китайским» двойником или даже тройником.

Например, таким как этот:

Именно такой двойник-разветвитель я установил на два телевизора для приема каналов кабельного телевидения. Однако качество приема оставляло желать лучшего, если каналы первого метрового диапазона показывали сносно, то каналы второго и ДМВ диапазонов принимались с сильным затуханием сигнала. Разобрав разветвитель, я обнаружил в нем небольшое ферритовое двойное колечко и несколько витков одножильного провода:

Устройство представляет собой высокочастотный трансформатор с противофазной намоткой обмоток. И по идее оно должно исключать взаимное влияние входных цепей приема ВЧ сигнала, но по факту только ослабляло его, видимо за счет того, что имелась гальваническая связь

Я решил заменить трансформатор обычными керамическими емкостями (красными флажками) номиналом в несколько пикофарад, тем самым исключить эту гальваническую связь:

Моему удивлению не было предела, оба телевизора показывали так, как будто работал только один, т.е. ни малейшего намека на взаимное влияние и отличный прием на всех диапазонах.

Емкости уместились в корпусе сплиттера:

Единственно, за что я ругаю себя - почему эта идея не пришла мне в голову раньше.

Судя по нескольким недавним постам, неплохо бы осветить, что такое гальваническая развязка и зачем она нужна. Итак:

Гальваническая развязка - передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними.

А теперь, давайте на примерах:)

Пример 1. Сеть

Чаще всего о гальванической развязке говорят применительно к сетевому питанию, и вот почему. Представьте себе, что вы ухватились рукой за провод из розетки. Ваше «подключение» с точки зрения электричества выглядит вот так:

И, да, тока утечки тапочек вполне хватит, чтобы вы почувствовали «удар» при прикосновении к «фазовому» проводу сети. Если тапочки сухие, то такой «удар», обычно, безвреден. Но, если вы стоите босяком на влажном полу, последствия могут быть весьма плачевными.

Совсем другое дело, если в схеме присутствует трансформатор:

Если прикоснуться к одному из выводов трансформатора, через вас ток не потечет - ему просто некуда течь, второй вывод трансформатора висит в воздухе. Если, конечно, схватиться за оба вывода трансформатора, и он выдает достаточное напряжение, то долбанет и так.

Итак, в данном случае, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Кроме трансформатора есть еще куча разных способов передать сигнал, не создавая электрического контакта:

• Оптический: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи
• Радио: приемники, передатчики
• Звуковой: динамик, микрофон
• Емкостный: через конденсатор очень маленькой емкости
• Механический: мотор-генератор
• Можно еще понавыдумывать

Пример 2. Осциллограф

Есть прямо мега-классический способ взорвать пол-схемы. На форуме даже есть соответствующий . Дело в том, что многие забывают, что осциллограф (и многое другое оборудование) соединен с землей. Вот как выглядит полная картина при подключении осциллографа в схему, питающуюся прямо от сети:

Запомните - как только вы что-то подключаете в схему, оно становится частью схемы! Это справедливо и для различного измерительного оборудования.

Правильный способ измерить в что-то в такой схеме - подключить ее через развязывающий трансформатор 220->220:

Готовые трансформаторы 220->220 найти довольно сложно. Поэтому, можно использовать так называемые перевертыши. Перевертыш - это два трансформатора, к примеру 220->24, выключенные последовательно вот так:

Как это выглядит на практике, вы наверняка видели в :

Перевертыши - это даже лучше, чем один трансформатор 220->220.

• Они обеспечивают вдвое меньшую емкость между входом и выходом
• Среднюю часть можно заземлить, и, таким образом очень неплохо отфильтровать помехи из сети
• Можно включить 3 трансформатора, и тогда можно получить 440 или 110 вольт

Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течет и тем лучше.

Песенка

Давным давно я на тему гальванической развязки даже песенку записал. Песенка под спойлером.

Песня, ее текст и объяснения

Эту мини-песенку я записал когда я занимался разной аудио-электроникой. Один товарисч сделал ламповую гитарную примочку и, подумав, что трансформатор который превращает 220 в 220 совершенно бесполезен, выбросил его из схемы, за что и поплатился. Я подумал, что это - вполне себе тема для метальной мини-песенки.

Привет, Олдфаг! Твой браузер не поддерживает html5! Обновись!

Ты не поставил трансформатор анодный
Запитал непосредственно из сети
Под ногой была батарея
А рукой гитару схватил ты

Ток пронзает бренное тело
Извивается бренная плоть
Ты не можешь разжать свою руку
Ты один и никто не может помочь

Разрывая и выжигая
Электроны сжимают сердце твое
Будет биться или утихнет?
Безопасность, запомни, превыше всего.

Кстати, кроме развязки в этой мелкой песенке еще два неплохих совета:

• Да, все работы с сетевым напряжением нужно выполнять как минимум вдвоем.
• Когда бьет током, рука сжимается, поэтому, сначала к приборам лучше прикасаться тыльной стороной правой руки.

Заключение

Естественно, на этом тема развязки не заканчивается. К примеру, через развязку очень сложно передавать быстрые сигнал. Но про это - немного попозже.

Гальванической развязкой или гальванической изоляцией называется общий принцип электрической (гальванической) изоляции рассматриваемой электрической цепи по отношению к другим электрическим цепям. Благодаря гальванической развязке осуществима передача энергии или сигнала от одной электрической цепи к другой электрической цепи без непосредственного электрического контакта между ними.

Гальваническая развязка позволяет обеспечить, в частности, независимость сигнальной цепи, поскольку формируется независимый контур тока сигнальной цепи относительно контуров токов других цепей, например силовой цепи, при проведении измерений и в цепях обратной связи. Такое решение полезно для обеспечения электромагнитной совместимости: повышается помехозащищенность и точность измерений. Гальваническая изоляция входа и выхода устройств зачастую улучшает их совместимость с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке.

Безусловно, гальваническая развязка обеспечивает и безопасность при работе людей с электрическим оборудованием. Это одна из мер, и изоляцию конкретной цепи необходимо всегда рассматривать в совокупности с другими мерами обеспечения электрической безопасности, такими как: защитное заземление и цепи ограничения напряжения и тока.

Для обеспечения гальванической развязки могут быть использованы различные технические решения:

индуктивная (трансформаторная) гальваническая развязка, которая применяется в и для изоляции цифровых цепей;

оптическая развязка посредством оптрона (оптопара) или оптореле, применение которой является типичным для многих современных импульсных источников питания;

емкостная гальваноразвязка, когда сигнал подается через конденсатор очень маленькой емкости;

электромеханическая развязка посредством, например, .

В настоящее время очень широкое распространение получили два варианта гальванической развязки в схемах: трансформаторный и оптоэлектронный.

Построение гальванической развязки трансформаторного типа предполагает применение магнитоиндукционного элемента (трансформатора) с сердечником или без сердечника, выходное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки которого пропорционально входному напряжению устройства. Однако, при реализации этого способа, важно учесть следующие его недостатки:

на выходной сигнал могут влиять помехи, создаваемые несущим сигналом;

частотная модуляция развязки ограничивает частоту пропускания;

большие габариты.

Развитие технологии полупроводниковых устройств в последние годы расширяет возможности построения оптоэлектронных узлов развязки, основанных на оптронах.

Принцип работы оптрона прост: светодиод излучает свет, который воспринимается фототранзистором. Так осуществляется гальваническая развязка цепей, одна из которых связана со светодиодом, а другая - с фототранзистором.

Такое решение имеет ряд достоинств: широкий диапазон напряжений развязки, вплоть до 500 вольт, что немаловажно для построения систем ввода данных, возможность работы развязки с сигналами частотой до десятков мегагерц, малые габариты компонентов.

Если не применять гальваническую развязку, то максимальный ток, протекающий между цепями, ограничивается лишь относительно небольшими электрическими сопротивлениями, что может привести в результате к протеканию выравнивающих токов, способных причинить вред как компонентам цепи, так и людям, прикасающимся к незащищенному оборудованию. Обеспечивающий развязку прибор специально ограничивает передачу энергии от одной цепи к другой.

Для коммутации нагрузок в цепях переменного тока в последнее время все чаще стали применяться схемы с использованием мощных полевых транзисторов. Этот класс приборов представлен двумя группами. К первой отнесены биполярные транзисторы с изолированным затвором – БТИЗ. Западная аббревиатура – IGBT.

Во вторую, самую многочисленную вошли традиционные полевые (канальные) транзисторы. К этой группе относятся и транзисторы КП707 (см. таблицу 1), на которых и собран коммутатор нагрузки для сети 220 вольт.

Первична сеть переменного тока очень опасная вещь во всех отношениях. Поэтому существует много схемных решений, позволяющих избежать управления нагрузками в сети напрямую. Ранее для этих целей использовались разделительные трансформаторы, в настоящее время им на смену пришли разнообразные оптроны.

Транзисторный ключ с оптической развязкой

Схема, ставшая уже типовой, показана на рисунке 1.


Данная схема позволяет гальванически развязать управляющие цепи и цепь первичной сети 220 вольт. В качестве развязывающего элемента применен оптрон TLP521. Можно применить и другие импортные или отечественные транзисторные оптроны. Схема простая и работает следующим образом. Кода напряжение на входных клеммах равно нулю, светодиод оптрона не светится, транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных коммутирующих транзисторов. Таким образом, на их затворах присутствует открывающее напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона VD1. В этом случае транзисторы открыты и работают по очереди, в зависимости от полярности напряжения в данный момент времени. Допусти, на выходном выводе схемы 4 присутствует плюс, а на клемме 3 – минус. Тогда ток нагрузки потечет от клеммы 3 к клемме 5, через нагрузку к клемме 6, далее через внутренний защитный диод транзистора VT2, через открытый транзистор VT1 к клемме 4. При смене полярности питающего напряжения, ток нагрузки потечет уже через диод транзистора VT1 и открытый транзистор VT2. Элементы схемы R3, R3, C1 и VD1 не что иное, как безтрансформаторный источник питания. Номинал резистора R1 соответствует входному напряжению пять вольт и может быть изменен при необходимости.

Вся схема выполнена в виде функционально законченного блочка. Элементы схемы установлены на небольшой П-образной печатной плате, показанной на рисунке 2.


Сама плата одним винтом крепится к пластине из алюминия с размерами 56×43х6 мм, являющейся первичным теплоотводом. К ней же через теплопроводную пасту и слюдяные изолирующие прокладки с помощью винтов с втулками крепятся и мощные транзисторы VT1 и VT2. Угловые отверстия сверятся и в плате и в пластине и служат, при необходимости, для крепления блока к другому более мощному теплоотводу.