Индуктивная развязка
Индуктивная развязка, аналогично оптической, имеет давнюю историю, но чаще используется для передачи энергии или аналоговых сигналов, нежели для передачи цифровых сигналов. В этой развязке для передачи сигнала через информационный барьер используется переменное магнитное поле. Типичным примером является трансформатор, где сила магнитного поля зависит от структуры обмотки, числа и площади витка первичной и вторичной обмотки и амплитуды тока. Преимуществом такой развязки является возможность высокого коэффициента подавления синфазного шума при сохранении коэффициента передачи дифференциального сигнала. Другое преимущество — хорошая энергетическая экономичность.
Одним из недостатков индуктивной изоляции является высокая восприимчивость к внешним магнитным полям. С этим приходиться считаться, например, в электроприводах, где изоляционный барьер подвергается воздействию сильного внешнего магнитного поля. Другой недостаток — сложность передачи длинных последовательностей нулей или единиц. Индуктивный изолятор общего применения имеет ограниченный частотный диапазон передаваемых сигналов. Соответственно, для передачи низкочастотных сигналов, таких как длинные последовательности нулей или единиц, приходится использовать специальное кодирование и последующее восстановление сигнала.
Гальваническая развязка оптоэлектронного типа
С развитием высоких технологий, использующих полупроводниковые элементы, все более широкое распространение получают БГР – блоки гальванической изоляции на основе оптоэлектронных узлов. Их основой служат оптроны, известные среди электротехников в качестве оптопар, выполненных на основе диодов, транзисторов, тиристоров и других элементов, обладающих повышенной светочувствительностью.
Общая схема оптической части, связывающая источник данных с приемником, использует в качестве сигнала нейтральные фотоны. Благодаря этому свойству, выполняется развязка цепи на входе и выходе, а также ее согласование с входными и выходными сопротивлениями.
Когда используется оптоэлектронная схема, приемник совершенно не влияет на источник сигнала, поэтому сигналы могут модулироваться в широком частотном диапазоне. Данные устройства обладают компактными размерами, поэтому они часто используются в микроэлектронике.
В конструкцию оптической пары входит световой излучатель, проводящая среда для светового потока, а также приемник, преобразующий свет в электрические сигналы. Сопротивление на входе и выходе оптрона очень большое, прядка нескольких миллионов Ом.
Вначале входной сигнал попадает на светодиод, далее в виде света он по световоду попадает на фототранзистор. На выходе устройства данная схема создает перепад или импульс выходного электрического тока. В результате цепи, связанные с двух сторон со светодиодом и фототранзистором, оказываются изолированными между собой.
Микросхема ISO721 компании Texas Instruments
Микросхемы семейства ISO72х, выпускаемые компанией Texas Instruments (TI), используют емкостную изоляцию цифровых сигналов. Они изготавливаются по современной высокоэффективной технологии, обеспечивающей исключительную устойчивость к магнитным полям.
В ISO72x используются каналы постоянного и переменного тока, как это показано на рис. 2. В канале переменного тока не используется кодирование, и данные передаются через барьер непосредственно сразу после преобразования в дифференциальную форму. Дифференциальное представление сигнала позволяет использовать подавление синфазных помех в приемнике. Подавление синфазных помех совместно с разностью проводимости развязывающего элемента для низкочастотных помех и высокочастотных сигналов позволяет снизить воздействие синфазных переходных процессов. По мере увеличения частоты помехи подавление синфазных помех становится решающим фактором обеспечивающим сохранность данных.
Рис. 2. Структурная схема ISO72x
В канале постоянного тока сигнал сначала проходит через широтно-импульсный модулятор и только затем передается через барьер. Такая модуляция совместно с последующей демодуляцией на приемной стороне обеспечивает передачу длинных нулевых и единичных последовательностей. Кроме того, этот канал обеспечивает отказоустойчивость. Под этим понимается установление выхода в предопределенное состояние в случае нарушения работы и пропадания сигнала от передающей части микросхемы. Если несущий сигнал не определяется через 4 мкс, то выход ISO72x устанавливается в состояние логической единицы.
Проблемы паразитного заземления и их решение
Если его не предотвратить, паразитное заземление может стать серьезной проблемой для измерительных систем. Иногда называемое «шумом», паразитное заземление связано с непреднамеренной привязкой электрооборудования к более чем одному пути заземления — любая разность потенциалов в этих точках заземления может вызывать токовую петлю, что может приводить к искажениям сигнала. Если амплитуда этих искажений достаточно высока, это может сделать измерение бесполезным.
На рисунке ниже измерительный усилитель соединен с землей (GND 1) с одной стороны. Для подключения датчика используется асимметричный экранированный кабель, металлический корпус которого помещен на проводящую поверхность в точке GND 2. Из-за длины кабеля существует разница в потенциале между GND1 и GND 2. Эта разность потенциалов действует как источник напряжения, обьединяясь с электромагнитным шумом окружающей среды.
Паразитное заземление, вызванное разностью потенциалов заземления
Если бы датчик можно было отделить от GND 2, это могло бы решить проблему. Но это не всегда возможно. Кроме того, иногда по правилам безопасности требуется привязка к экрану кабеля, а значит отказаться от него нельзя.
Оптимальным решением является использование дифференциального усилителя внутри изолированного преобразователя сигнала. Всего одно изменение позволяет решить эту проблему.
Устранение проблем разности потенциалов заземления с помощью изоляции
Паразитное заземление может также поступать от самого прибора через его собственный источник питания. Мы помним, что наша измерительная система подключена к источнику питания, который имеет опорное заземление
Поэтому крайне важно отделить эту привязку от компонентов обработки сигналов, чтобы исключить образование паразитного заземления внутри прибора
Паразитное заземление, вызванное источником питания
Эта ситуация может быть опасной, если существует неисправность проводки. В случае с путем тока высокого напряжения от источника питания, что произойдет, если линия возврата будет разорвана? Вся энергия будет направлена через часть преобразования сигнала системы сбора данных. Это может привести к повреждению или выводу из строя всей системы и даже к возникновению опасных напряжений для оператора прибора.
Опасность паразитного заземления, вызванного источником питания
При полной изоляции сигнального канала от источника питания описанная выше ситуация невозможна.
Современная гальваническая развязка
В наши дни лучший способ обеспечить необходимую гальваническую развязку — это использовать компоненты, разработанные специально для этой цели. Примеры включают специальные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), используемые для отправки изолированных данных измерения тока и напряжения, когда это необходимо системе.
Дифференциальные усилители контролируют напряжение на чувствительном резисторе для получения значения тока. Обычно для этого приложения требуются два источника питания (рисунок ниже слева). Однако наличие второго источника питания делает продукт больше, тяжелее и дороже.
Texas Instruments разработала линейку усилителей и АЦП с однополярным питанием, чтобы решить эту проблему. Изолированный усилитель AMC3301 (рисунок выше справа) включает полностью интегрированный преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC) для подачи второго напряжения питания. Изоляция обеспечивается емкостной связью внутри интегральной схемы. AMC3301 соответствует правилам безопасности высоковольтной изоляции для сертификации UL 1577 до 4250 В среднеквадратического значения DIN VDEV 0884-11 для пикового напряжения до 6000 В.
Для обеспечения изолированных данных измерений и управления можно использовать два типа изолирующих устройств — изолированный усилитель и изолированный модулятор. Оба являются типами с однополярным питанием и каждый содержит внутренний дельта-сигма (ΔΣ) АЦП.
Контролируемый аналоговый сигнал отправляется на микросхему, усиливается, а затем оцифровывается АЦП. АЦП генерирует последовательный поток битов, который проходит через емкостный изолирующий барьер на кристалле. Этот последовательный поток битов затем отправляется на фильтр нижних частот, который вырабатывает напряжение, пропорциональное входному сигналу. В этот момент восстановленный сигнал постоянного тока может быть снова оцифрован в другом АЦП, возможно, в обычном системном микроконтроллере.
В качестве другого варианта можно использовать изолированный модулятор, такой как AMC1305 / 06 от TI. Он принимает отслеживаемый сигнал тока или напряжения и усиливает его перед оцифровкой в более быстром ΔΣ АЦП. АЦП посылает свой сигнал через внутренний емкостный изолирующий барьер на выход. Этот сигнал представляет собой серию битов, представляющих напряжение внутри устройства. Внешний фильтр нижних частот генерирует пропорциональный аналоговый сигнал, который снова может быть оцифрован для цифровой обработки сигнала.
Хотя и изолированные усилители, и модуляторы действительно обеспечивают хорошие характеристики, изолирующие модуляторы, как правило, являются лучшей альтернативой. Они обладают превосходным соотношением сигнал / шум, большей точностью и меньшей задержкой.
Решение проблем изоляции с помощью AD7400/AD7401
Технология iCoupler также применяется в микросхемах AD7400/AD7401. Это микросхемы, представляющие собой сигма-дельта модуляторы с гальванической развязкой цифрового однобитного сигнала, то есть со встроенным модулем типа iCoupler (рис. 6).
Рис. 6. Функциональная схема преобразователя AD7400
На выходе MDAT эти преобразователи формируют однобитный поток, средняя плотность «единичных» бит в котором пропорциональна уровню сигнала (рис. 7). Скорость этого однобитного потока довольно высока — 10 или 20 МГц, соответственно у AD7400 и AD7401.
Рис. 7. Форма сигналов на выходе преобразователя AD7400
Для построения полноценной системы оцифровки необходимо обрабатывать этот однобитный поток с помощью довольно быстродействующих процессоров -DSP или FPGA. Для обработки рекомендуется применять алгоритм фильтрации sinc3, который подробно описан в техническом руководстве на микросхему (datasheet).
Однако существует и более простой подход, который мы опишем ниже.
С помощью простой дополнительной логической схемы (рис. 8), мы получаем сигнал/MCLOCKOUT-MDAT, представляющий собой последовательность импульсов, в сущности подобную импульсам на выходе AD7742, однако их частота более высокая. Тем не менее современные микроконтроллеры имеют в своем составе счетчики, которые успешно функционируют на такой частоте. При этом на микроконтроллере, скорее всего, не получится организовать полноценную цифровую фильтрацию (разве что простейший фильтр «скользящего среднего»). Поэтому качество оцифровки будет хуже, чем при использовании хорошего цифрового фильтра, но зато мы получим простой и недорогой изолированный аналоговый вход.
Применение
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.
Термин: Развязка гальваническая
Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Гальваническая изоляция, как правило, применяется для решения одной из двух (или обеих) задач:
1. Обеспечение независимости сигнальной цепи (при подключении приборов и устройств) за счёт того, что гальваническая изоляция обеспечивает независимый контур тока сигнальной цепи относительно других контуров тока, возникающих при соединении приборов и устройств. Например, это может быть независимость цепи измерения от силовой исполнительной цепи. Независимость сигнальной цепи решает целый ряд проблем электромагнитной совместимости (ЭМС): улучшает помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует лучшей его совместимости с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка бывает как групповая (одна на несколько каналов измерения), так и поканальная (индивидуальная для каждого канала измерения).
2. Обеспечение электробезопасности при работе с оборудованием согласно ГОСТам на электробезопасность. Для электрического оборудования для измерения, управления и лабораторного применения применяют ГОСТ 12.2.091-2012, согласно которому определяют требования к стойкости изоляции (испытательному напряжению)
Важно отметить, что гальваническая изоляция – это одна из технических мер обеспечения электробезопасности, поэтому требования к изоляции конкретной цепи всегда следует рассматривать в совокупности с другими мерами электобезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д.), принятыми в данном конкретном случае. В любом случае, испытательное напряжение изоляции, указанное в документации на оборудование, должно многократно превышать номинальные напряжения изолируемых цепей
Следует отметить, что гальваническая развязка цепей может обеспечиваться разными техническими способами: трансформаторная (индуктивная) гальваноразвязка (трансформаторы, цифровые изоляторы на высокочастотном трансформаторном принципе), оптическая гальваноразвязка (оптроны, оптореле), ёмкостная гальваноразвязка (цифровые изоляторы на ёмкостном принципе), электромеханическая развязка (электромеханические реле). Эти способы отличаются не только очевидными эксплуатационными параметрами «по назначению», но и, например, менее очевидными параметрами обеспечения «степени независимости» изолируемых цепей. Например, обычный сетевой трансформатор питания может иметь межобмоточную ёмкость – тысячи пФ, в то время как оптрон – десятые доли пФ. Эта ёмкость гальваноразвязки существенно влияет на сквозные токи высокой частоты через гальваноразвязку и фактически определяет независимость изолируемых цепей для синфазного напряжения с высокой скоростью нарастания.
| Перейти к другим терминам | Cтатья создана: | 06.07.2014 |
| О разделе «Терминология» | Последняя редакция: | 26.07.2019 |
Термин используется при описании электрических свойств входов и выходов измерительных приборов, исполнительных и интерфейсных устройств. Ниже приводим примеры измерительных приборов с гальванической изоляцией измерительных цепей.
Измерительная система LTR
АЦП: 16 бит; 16/32 каналов; ±0,2 В…10 В; 2 МГц ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц Цифровые входы/выходы: 17/16, ТТЛ 5 В Интерфейс: USB 2.0 (high-speed), Ethernet (100 Мбит) Гальваническая развязка.
Модуль АЦП/ЦАП 16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, USB, Ethernet
E-502
АЦП: 16 бит; 16/32 каналов; ±0,2 В…10 В; 2 МГц ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц Цифровые входы/выходы: 18/16 TTL 5 В Интерфейс: PCI Express
Плата АЦП/ЦАП 16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, PCI Express
L-502
Точность измерения: • напряжения и тока ±0,1% • активной мощности ±0,2% • активной энергии — класс 0,2S
Прибор контроля качества электроэнергии
Гальваническая развязка от сети 220 V из старого бесперебойника
И тут пришла в голову идея сделать развязку на «перевёртышах», т.е. когда два идентичных трансформатора включаются зеркально:
Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течёт и тем лучше, но выбирать не приходилось и я использовал принцип «как есть». Решено было использовать корпус ИБП и трансформатор, который там уже установлен. У китайцев был заказан простенький вольтметр для контроля наличия напряжения на выходе:
После того, как второй трансформатор был найден и закреплён, оставалось лишь все соединить.
В итоге имеем конечную схему, по которой соединяем трансформаторы:
И получаем примерно такую картину:
Сначала я выбросил родную плату, но, как оказалось, корпус сильно теряет жёсткость и пришлось вернуть её на место, предварительно выпаяв все детали:
Потом я врезал вольтметр:
Вторичную обмотку на 18 В я использовал для питания подсветки штатного выключателя. В качестве входного предохранителя использовал штатный многоразовый предохранитель ИБП, а для защиты выхода врезал обычный держатель предохранителя.
И, вуаля! Наша развязка в работе:
При подключении на выход лампы накаливания на 100 Вт напряжение на выходе просаживается примерно на 7 Вольт , что для меня более чем удовлетворительно. По факту этот блок здорово помогает мне и даже не столько при пользовании осциллографом, сколько при ремонте импульсных БП и других устройств, гальванически связанных с сетью.
Спасибо за внимание! Всем удачи!
Гальваническая развязка — это просто
Многие современные электронные устройства сегодня требуют гальванической развязки между двумя или более частями оборудования или между двумя критическими секциями одного продукта или системы. Если вы не делали этого раньше, вам придется изучить довольно много материала для понимания основ гальванической развязки, почему она используется, и знакомство с возможными способами ее реализации.
В этой статье дается определение гальванической развязки, объясняются ее преимущества, а затем резюмируются наиболее распространенные способы ее реализации. И это открывает новый подход к обеспечению гальванической развязки с помощью специальных интегральных схем (ИС).
Трансформаторная (индуктивная) развязка
Для того чтобы построить индуктивную развязку, следует использовать магнитоиндукционные устройства – трансформаторы. Его конструкция может быть с сердечником или без сердечника.
Оборудование цепей гальваноразвязкой индуктивного типа осуществляется с помощью трансформаторов, у которых коэффициент трансформации составляет единицу. К источнику сигнала подключается первичная катушка, а вторичная соединяется с приемником. На этом принципе гальванические развязки трансформаторного типа служат основой для создания магнитомодуляционных устройств.
Выходное напряжение, возникающее во вторичной обмотке, напрямую связано с напряжением на входе трансформаторного устройства. В связи с этим, индуктивная развязка имеет серьезные недостатки, почему и ограничивается ее применение:
- Невозможно изготовить компактное устройство из-за существенных габаритных размеров трансформатора.
- Частота пропускания ограничивается частотной модуляцией самой развязки.
- Помехи, возникающие во входном сигнале, снижают качество сигнала на выходе.
- Подобная трансформаторная гальваническая развязка может нормально работать только при наличии переменного напряжения.
Гальваническая изоляция питания USB
Обеспечение изоляции также требует гальванической развязки источника питания: один для первичной стороны и один для вторичной стороны с отдельными линиями заземления. Если в рассматриваемом проекте есть отдельные источники питания, то все нормально. Но если доступен только один источник, дополнительный изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный является подходящим решением.
Контроллер Texas Instruments SN6505 и дополнительный трансформатор обеспечивают гальваническую развязку питания на вторичной стороне
Примером такого решения выступает преобразователь на базе микросхемы SN6505, взаимодействующий с изолирующим трансформатором, который обеспечивает изоляцию до 2500 В.
Дополнительным важным критерием выбора является занятость места на печатной плате изоляционной схемой. Использование отдельных компонентов для изоляции питания и данных, а также дополнительного трансформатора, занимает много ценного места. К счастью на рынке есть продукты, которые реализуют изоляцию питания и данных в одном чипе. Примером может служить двухканальный цифровой изолятор ADuM5240.
Двухканальный цифровой изолятор ADuM5240 от Analog Devices обеспечивает изоляцию линий питания и данных
ADuM5240 имеет изоляцию 2500 В, которая соответствует требованиям UL 1577 и обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит / с.
Методы развязки по питанию
Трансформаторы
Наиболее распространенной формой развязки является использование трансформатора. При проектировании схемы стабилизации питания, где требуется развязка, изолирующая часть конструкции связана с необходимостью повышения/понижения уровня напряжения и не рассматривается как отдельная часть системы. В случае, если необходимо изолировать всю электрическую систему (например, для многого автомобильного тестирующего оборудования требуется, чтобы источники питания были изолированы от сети переменного тока), для создания необходимой изоляции последовательно с системой может быть установлен трансформатор 1:1.
Рисунок 1 – Ассортимент SMD трансформаторов
Конденсаторы
Менее распространенным методом создания развязки является использование последовательно включенных конденсаторов. Из-за возможности протекания сигналов переменного тока через конденсаторы этот метод может быть эффективным способом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем метод с трансформатором, поскольку в случае неисправности трансформатор разрывает цепь, а конденсатор закорачивает. Одна из целей создания гальванической развязки от сети переменного тока заключается в том, чтобы в случае неисправности пользователь находился в безопасности от работающего неограниченного источника тока.
Рисунок 2 – Пример использования конденсаторов для создания развязки
Решение проблемы питания изолированной части с помощью приборов семейства isoPower
Не так давно фирмой Analog Devices было разработано семейство приборов isoPower, которые являются развитием линии iCoupler. В приборах isoPower применяется та же технология с микротрансформаторами, но помимо передачи цифровых данных, в isoPower обеспечивается передача энергии и имеются все необходимые ключевые схемы, выпрямители и стабилизаторы. При этом обеспечивается такая же электрическая прочность изоляции, как и для каналов передачи данных. То есть, другими словами, в приборах семейства isoPower имеется встроенный DC/DC-преобразователь и при этом он вместе с двумя каналами передачи информации представляет собой микросхему в корпусе SOIC-8.
Рис. 8. Подключение преобразователя AD7400 к микроконтроллеру
В приборах ADuM5240,ADuM5241 и ADuM5242 — первых представителях семейства isoPower — имеется мостовая схема на ключах CMOS, которая обеспечивает возбуждение трансформатора. По другую сторону изолирующего барьера сигнал переменного тока выпрямляется с помощью диодов Шот-ки. Выпрямленный сигнал поступает на стабилизатор, который обеспечивает на выходе стабильное напряжение 5В. На рис. 9 показан трансформатор, который применяется в приборах семейства ADuM524x. Эти микротрансформаторы изготовлены из золота толщиной 6 микрон и имеют изолирующий слой толщиной 20 микрон, который рассчитан на напряжение 5 кВ. Так как диаметр обмотки трансформатора составляет всего 0,6 мм и эти обмотки обладают низким соотношением индуктивность/сопротивление, по сравнению с обычными трансформаторами, для передачи энергии требуется высокочастотное возбуждение с частотой порядка 300 МГц.
Рис. 9. Конструкция изолятора цифрового сигнала isoPower
Сочетание средств передачи данных и энергии в одной компактной микросхеме для поверхностного монтажа обеспечивает колоссальную экономию места и себестоимости.
Рис. 10. Схема изолированного интерфейса на базе прибора isoPower и АЦП AD7823
На рис. 10 показана типичная конфигурация изоляции для интерфейса SPI. Комбинация устройств iCoupler ADuM1200 и isoPower ADuM5242 позволяет передавать данные по четырем каналам (один канал на рис. 10 не задействован) и обеспечивает питание изолированной части. Мощности 50 мВт на выходе ИС ADuM5242 достаточно, чтобы обеспечить питание для ИС ADuM1200, преобразователя AD7823 и самого датчика.
Рис. 11. Возможные реализации изолированной шины I2C
Такая схема, несомненно, более компактная и дешевая, чем описанные выше, в которых применяются оптопары и отдельные DC/DC-преобразователи. Возможны и другие комбинации изоляторов ADuM524x isoPower и приборов серии ADuM120x или других приборов семейства iCoupler.
Разумеется, многие описанные в данной статье схемы, в которых применялись DC/DC-преобразователи, теперь можно реализовать с помощью приборов семейства isoPower. Малые размеры и низкая цена устройств isoPower открывают новые возможности для построения новых систем с изолированными аналоговыми входами и для уменьшения стоимости уже имеющихся.
