Современная гальваническая развязка. Что это и как работает?
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).
Что такое гальваническая развязка?
Гальваническая развязка — это процесс проектирования электрического оборудования или систем с отдельными источниками питания таким образом, чтобы они не обменивались энергией или никак электрически не взаимодействовали. Идея состоит в том, чтобы поддерживать питание постоянного (и / или переменного тока) отдельно и независимо. Одна система электроснабжения не должна влиять на другую. В то же время, как
правило, необходимо полностью изолированно передавать сигналы мониторинга и данные управления между ними.
Изоляция питания достигается за счет того, что две физические секции находятся далеко друг от друга. И это обычно реализуется НЕ подключением заземляющих соединений двух систем. Это устраняет контуры заземления и уменьшает или, по крайней мере, сводит к минимуму любой перенос шума. Когда используются как высоковольтные, так и низковольтные подсистемы, такая физическая изоляция и изоляция заземления также помогает защитить пользователей и специалистов по обслуживанию от ударов электрическим током, низковольтные цепи — от высокого напряжения, а в некоторых случаях защищает и от молнии.
Примеры оборудования, требующего гальванической развязки, включают программируемые логические контроллеры (ПЛК) в промышленных инструментах и оборудовании, источники бесперебойного питания (ИБП), электроприводы, промышленные роботы, зарядные устройства для аккумуляторов, преобразователи частоты / инверторы и иногда DC-DC преобразователи.
Не забываем о постоянно растущем сегменте автомобильных приложениях.
Гальваническая развязка
Для реализации гальванической развязки используется широкий спектр методов. Возможно, самый старый и самый эффективный — это трансформатор. Он позволяет передавать данные, сообщения и коды посредством магнитных полей между первичной и вторичной обмотками. Между первичной и вторичной обмотками НЕТ прямой электрической связи.
На рисунке ниже показан пример базового источника питания, используемого в системе, требующей изоляции. SN6501-Q1 — это генератор модулирующих импульсов, который вырабатывает сигнал переключения для импульсного трансформатора. Трансформатор обеспечивает соотношение витков для получения желаемого выходного напряжения и идеальной развязки, обеспечиваемой только магнитной связью между входом и выходом. Регулятор с малым падением напряжения (LDO) фильтрует выпрямленный сигнал и устанавливает желаемое выходное напряжение.
Оптопары или оптоизоляторы — еще одно почти идеальное устройство для передачи данных с допустимой скоростью.
Поток данных о напряжении управляет светодиодом внутри корпуса оптопары. Фототранзистор улавливает свет на расстоянии нескольких миллиметров. Транзисторный выход полностью изолирован от входа.
Один из лучших способов изоляции — использование конденсаторов. Они блокируют постоянный ток, но пропускают переменный ток, что делает их и их варианты чрезвычайно эффективными. Другие устройства, участвующие в создании гальванической развязки, — это специальные компоненты, такие как датчики на эффекте Холла и даже механические реле.
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.
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.
Гальваническая развязка 101
Для улучшения знаний и понимания гальванической развязки, вам следует рассмотреть эталонный прототип TI TIDA-010065. Эталонный прототип представляет собой упрощенную архитектуру для создания изолированного источника питания для изолированных усилителей, которые измеряют изолированные напряжения и токи. Встроенная цифровая диагностика повышает надежность и производительность системы. Это отличная платформа для самообучения и изучения тонкостей гальванической развязки.
Гальваническая развязка по питанию
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.
Поиск данных по Вашему запросу:
Схемы, справочники, даташиты:
Прайс-листы, цены:
Обсуждения, статьи, мануалы:
Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.
Содержание:
- Блок питания для мультиметра с гальванической развязкой (12В в 9В)
- Применение индуктивно-емкостной гальванической развязки в светодиодных драйверах
- Гальваническая развязка, принципы и задачи
- Гальваническая развязка (Часть 2).
Виды и задачи. Особенности - Модуль гальванической развязки Seneca Z110S
- Гальваническая развязка питания и двусторонняя передача данных на одном компоненте в SMD-корпусе
- Гальваническая развязка при тестировании
- О питании. Часть вторая.
- Гальваническая развязка
- Модули гальванической развязки ФЕ1874.1-АД
ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: [РП] Как убрать фон от bluetooth модуля на OVC3860?
Блок питания для мультиметра с гальванической развязкой (12В в 9В)
Новокузнецк, Кемеровская обл.
Логин: Пароль Забыли? Гальваническая развязка от сети V из старого бесперебойника. Практика Блоки питания. Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа! Михаил mixa Список всех статей. Профиль mixa О себе автор ничего не сообщил. Читательское голосование Статью одобрили читателей.
Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем. Для питания приборов, купленных в США, обычно недостаточно приобрести адаптер вилки питания Здравствуйте друзья. Позвольте представить вашему вниманию мой первый лабораторный блок питания. Дискретный регулятор напряжения от 0 до Вольт с 8-битной точностью Понадобился как-то мне регулятор переменного напряжения В для проведения измерений параметров Хочу рассказать про интересный способ изготовления клея, необходимого для скрепления половинок В последнее время мощности бытовых нагрузок возросли: появились фены, обогреватели, утюги, СВЧ печи Диодно-тиристорный выпрямитель со схемой управления для сварочного аппарата Мною давно изготовлен сварочный аппарат на базе трансформатора на кольцевом сердечнике от Моддинг ламповых конструкций или как заставить лампы светиться Как известно, лампы это не только приятный теплый звук, но также и необычные формы самих ламп, а Регулируемый стабилизатор напряжения с регулируемым ограничением выходного тока Простенькая относительно схемка, со средними параметрами, на основe транзисторoв с большим Срочно понадобился RMS вольтметр.
Облепил контроллер схемой. Решил сделать блок питания Идея приготовить самодельный усилитель из того, что имеется под рукой родилась неожиданно, когда Как намотать трансформатор. Типография Госэнергоиздата. Москва, г. Попалась интересная и простая схемка преобразователя 12 В в В на забугорных ресурсах. Назад Вперед. Комментарий 1 от , Ответить С нами с Замечательное сочетание простоты с полезностью! Надо себе застрогать такую штуку, бесперебойников есть Михаил , спасибо!
Примите лайку от меня. Комментарий 2 от , Ответить С нами с 5. Давно тоже думаю, как в мастерской своей сделать такую штуку. Спасибо за идею, осталось только воплотить в жизнь. Комментарий 3 от , Ответить С нами с 8. Замечательное изделие получилось! Очень аккуратно. Спасибо за статью! На работе много старых ИБП, возможно себе соберу. Комментарий 4 от , Комментарий 5 от , Цитата: Datagor.
Комментарий 6 от , Идея хорошая. Можно ли считать осциллограф развязанным за счет трансформатора импульсного внутреннего блока питания, при условии отсутствия заземления и отсоединённых конденсаторов фильтра от корпуса прибора? Комментарий 7 от , Комментарий 8 от , Я бы еще и ЛАТР перед такой конструкцией поставил и амперметр по выходу, у меня именно так и тогда хороший комплект для работы с импульсными блоками питания.
При какой нагрузке начнет греться, ведь при таком подключении трансформаторов очень малый КПД. Отпишитесь по возможности. Сколько всего подключили максимально , на сколько упало напряжение, какова сила тока при такой нагрузке, сколько по времени тестировали. На ватт лампочка для лаборатории это практически ничего, как устройство поведет себя на нагрузке в или ватт?
Если не сложно. Комментарий 10 от , Цитата: vladimirm2. Комментарий 11 от , Все же интересно протестировать под немного большей нагрузкой, хотя бы ватт, попробуйте. Комментарий 12 от , Комментарий 13 от , Буду пробовать конечно! Однозначно полезное устройство, спасибо! Комментарий 14 от , Абсолютно согласен с Игорем. Где то здесь на форуме я показал, со всеми описаниями, свой аналогичный стенд.
Здесь разница вот в чем: вы же ремонтируете, а не гоняете сутками на максимальных режимах, вы же взялись за ремонт, а не за бесконечное сжигание комплектующих.
Именно поэтому и рекомендовал добавить ЛАТР и амперметр. Первый позволит запитываться от меньшего питающего напряжения от нуля до полного , а второй — контролировать что при этом происходит. Я на работе использовал 2 шт трансформатора, каждый всего по Вт.
И хватало за глаза. Комментарий 15 от , Ответить С нами с 2. Очень доступно. Очень полезная вещь! Комментарий 16 от , Очень хорошая штука получилась Если «лишние» обмотки не задействованы в сетевой — то они просятся на двухполярный блок питания, а в середину «перевертыша» полезно включить и установить конечно — вентилятор — это облегчит жизнь китайским трансам.
Но ИДЕЯ — очень хороша — все получается аккуратно А еще по такой схемке можно сделать что-то отладочное для лампочек Скопируйте текст вашего комментария на случай неверного ответа на контрольный вопрос. Вспоминаем закон Ома. Что получим, умножив напряжение на силу тока? Ответы здесь! Все рубрики. Датагорский Форум 21 Страна советов!
Применение индуктивно-емкостной гальванической развязки в светодиодных драйверах
Seneca ZS обеспечивает гальваническую развязку для токовой петли, которая не только снижает риск прохождения импульсных токов от датчика к ПЛК, но и увеличивает точность измерения за счёт ликвидации протекания токов по «земляным» цепям.
Модуль не требует отдельного блока питания, так как запитывается от входного сигнала, что упрощает его подключение. Датчики влажности расположены в разных помещениях и запитаны от разных источников питания. ZS -D обеспечивает гальваническую развязку для токовой петли, которая не только снижает риск прохождения импульсных токов на вход ПЛК, но и увеличивает точность измерения за счет ликвидации протекания токов по «земляным» цепям. Модуль ввода аналогового сигнала имеет общий минус для всех входных каналов. В этой точке минусы разных блоков питания соединяются, что приводит к протеканию паразитных «земляных» токов. Установка между датчиками и модулем ввода гальванической развязки Seneca ZS полностью решают эту проблему, таким образом увеличивая точность измерений.
Насколько понимаю трансформатор нужен не совсем обычный, у него первичная обмотка должна быть такая же как вторичная. Есть ли.
Гальваническая развязка, принципы и задачи
Всех приветствую! Сегодня звершил установку планшета в свой автомобиль.
Вылезла небольшая проблема со звуком, а точнее с находками по питанию, при работе штатной магнитолы в режиме AUX в колонках тишина, но как только включается планшет, подключенный по тому же AUX кабелю, в колонках слышно шипение и звук от работы свечей. Питание планшета организовано через 2 DC-DC преобразователя, один заменяет батарею, второй зарядку. Подскажите какую схему фильтра применить? Гугл выдает множество результатов, но какой именно нужен в моем случае я так и не понял. Возьми питание планшета из той же точки что и питание усилка. Должно помочь.
Гальваническая развязка (Часть 2). Виды и задачи. Особенности
Логин или эл. Запомнить меня. Повторите пароль. Введите цифры и буквы.
Использую в машине телефон как источник звука для магнитолы через линейный вход так же для навигации и всё хорошо, пока не приходится ставить телефон на зарядку.
Модуль гальванической развязки Seneca Z110S
Устройства гальванической развязки позволяют физически разделить две электрические цепи, что даёт возможность существенно улучшить качество электрического питания приборов и оборудования.
В том числе такие приборы позволяют осуществлять безопасное подключение современных устройств в устаревших сетях без заземления. Гальванические развязки используются для защиты электропитания приборов и оборудования, улучшения качества электрического питания, передачи сигналов между электрическими сетями. При развязке электрических цепей используют следующее оборудование:. Ниже представлены изображения различных устройств гальванической развязки:. Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF предназначено для улучшения показателей качества электропитания в электрических сетях без заземления и в электрических сетях с некачественным заземлением.
Гальваническая развязка питания и двусторонняя передача данных на одном компоненте в SMD-корпусе
Модули гальванической развязки ФЕ Модули могут применяться в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами, энергетических объектов, в аппаратуре технической диагностики, для комплексной автоматизации объектов атомной энергетики и в других областях промышленности.
Для питания внешних датчиков модули гальванической развязки имеют встроенный источник питания постоянного тока напряжением 24 В. Питание внешних датчиков в сдвоенном модуле осуществляется по токовой петле двухпроводное подключение. В модулях обеспечивается гальваническая развязка между входными, выходными цепями и цепями питания. Диапазон входного сигнала Диапазон выходного сигнала, мА Сопротивление нагрузки, Ом 4 — 20 мА с питанием внешних датчиков сдвоенный 4 — 20 0 — 0 — 5 мА с питанием внешних датчиков 4 — 20 мА с питанием внешних датчиков 0 — 20 мА с питанием внешних датчиков 0 — 75 мВ с питанием внешних датчиков 0 — 5 0 — 4 — 20 0 — 0 — 20 0 — Все права защищены.
Часть вторая. Помехи в схемах. Помехи по цепям питания. Раздельное питание и гальваническая развязка. О питании. Часть третья.
Гальваническая развязка при тестировании
Новокузнецк, Кемеровская обл. Логин: Пароль Забыли? Гальваническая развязка от сети V из старого бесперебойника.
О питании. Часть вторая.
Принципиальная схема автомобильного блока питания для мультиметра с гальванической развязкой от бортовой сети. Мультиметр — очень полезный прибор при ремонте автомобильной электрики. Многие автолюбители его возят с собой. Но, пользуются им не часто, и он просто лежит среди прочих инструментов. В результате в самый нужный момент прибор оказывается нерабочим из-за источника питания.
Гальванические развязки встречаются во многих электронных устройствах из самых разных областей техники.
Гальваническая развязка
В статье рассматриваются вопросы применения индуктивно-емкостной гальванической развязки в светодиодных драйверах. Тула придуман и реализован способ гальванической развязки выходной цепи ИИП без применения импульсного трансформатора. Для гальванической развязки выходных цепей импульсных источников питания ИИП используется импульсный трансформатор. Принцип действия предлагаемого способа развязки поясняют рис. Зеленым цветом показан один из возможных путей неконтролируемого тока собственной частоты импульсного источника питания.
На рис. Предлагаемая гальваническая развязка получила название индуктивно-емкостной.
Модули гальванической развязки ФЕ1874.1-АД
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. Исторически первый вид развязок. Используется до сих пор как для передачи мощности, так и для передачи информационного сигнала.
Простая гальваническая развязка | Аналоговые устройства
по Фредерик Досталь Скачать PDF
Многие электронные схемы требуют гальванической развязки. Трансформаторы обычно используются для обеспечения этого электрического разделения. Многочисленные различные топологии используются для передачи электроэнергии через трансформатор.
Одним из широко используемых типов схем, особенно для малой мощности примерно 50 Вт или менее, является обратноходовой преобразователь.
На рис. 1 показана схема простого обратноходового преобразователя. Пока переключатель S1 включен, обратноходовой преобразователь накапливает энергию в сердечнике трансформатора T1. Когда S1 выключен, энергия, запасенная в сердечнике, высвобождается на выходе через вторичную обмотку T1 через безынерционный диод D1.
Рис. 1. Схема обратноходового преобразователя.
На рис. 1 видно, что помимо силового тракта требуется канал обратной связи, показанный зеленым цветом. Он используется для точной регулировки выходного напряжения. К сожалению, этот путь обратной связи довольно сложен, поскольку и здесь сигнал обратной связи должен передаваться через гальваническую развязку. Для этого используются оптопары или модули цифровой развязки типа ADuM319.0 используются. Сигнал обратной связи также может восприниматься на первичной стороне, и в этом случае гальваническая развязка пути обратной связи не требуется.
Гальванически развязанная обратноходовая цепь с небольшими размерами может быть легко построена с использованием преобразователя на безоптической платформе продуктов, предлагаемой Analog Devices. На рисунке 2 показан LT8301 с входным напряжением до 42 В и максимальным током переключения 1,2 А. В схеме, показанной на рисунке 2, не видно пути обратной связи от выходного напряжения обратно к импульсному стабилизатору на первичной стороне. Однако существует скрытый внутренний путь обратной связи через трансформатор. Во время выключения ключа первичной стороны измеряется напряжение, которое отражается обратно через первичную обмотку трансформатора. Это позволяет получить точную информацию о состоянии выходного напряжения на первичной стороне.
Рис. 2. Очень компактный и простой в использовании обратноходовой преобразователь с безоптическим преобразователем LT8301.
Помимо этого решения с гальванической развязкой, существует еще один умный способ построить гальванически развязанную обратную цепь.
Эта технология показана на рис. 3. Она известна как преобразователь iso-buck.
Рисунок 3. Изо-понижающий преобразователь, построенный на MAX17681.
Основное различие между обычным обратноходовым преобразователем и изо-понижающим преобразователем заключается в конденсаторе C BUCK , между первичной обмоткой трансформатора и землей. В MAX17681 первичная обмотка трансформатора управляется полумостом. Это означает, что MAX17681 имеет переключатель верхнего и нижнего плеча. В безоптическом обратноходовом преобразователе (рис. 2) есть только один переключатель, который находится между первичной обмоткой трансформатора и землей.
Изо-понижающий преобразователь можно рассматривать как простой понижающий преобразователь со связанным индуктором и, таким образом, генерируемым изолированным напряжением. Синяя линия на рис. 3 обозначает понижающий преобразователь. Напряжение на С BUCK соответствует регулируемому напряжению этого встроенного понижающего преобразователя.
Ни одна из этих концепций импульсного стабилизатора с гальванической развязкой не требует обратной связи по сигналу с оптопарой. Каковы преимущества каждого решения?
Безоптический преобразователь (рис. 2) не требует большого шунтирующего конденсатора на первичной стороне (C BUCK ) и управляется одним переключателем. Изо-понижающий преобразователь имеет то преимущество, что дополнительно имеет точно регулируемое напряжение на первичной стороне. Это также может быть использовано в системе, например, для питания электроники устройств первичной цепи. Оно должно быть установлено таким образом, чтобы при использовании имеющегося трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации желаемое гальванически развязанное напряжение В Генерируется OUT2 .
Автор
Фредерик Досталь
Фредерик Досталь — эксперт по управлению питанием с более чем 20-летним опытом работы в этой отрасли.
После изучения микроэлектроники в Университете Эрлангена, Германия, он присоединился к National Semiconductor в 2001 году, где работал инженером по полевым приложениям, приобретая большой опыт внедрения решений по управлению питанием в проекты клиентов. Во время работы в National он также провел четыре года в Фениксе, штат Аризона (США), работая над импульсными источниками питания в качестве инженера по приложениям. В 2009, он присоединился к Analog Devices, где с тех пор занимал различные должности, работая над линейкой продуктов и европейской технической поддержкой, и в настоящее время привносит свои обширные знания в области проектирования и приложений в качестве эксперта по управлению питанием. Фредерик работает в офисе ADI в Мюнхене, Германия.
Что такое гальваническая развязка? | Видео TI.com
- Учебный дом TI
- Введение в изоляцию
- Что такое гальваническая развязка?
Введение в изоляцию
Электронная почта
[ИГРАЕТ МУЗЫКА] Здравствуйте и добро пожаловать в TI Precision Labs.
Видеопрограмма TI Precision Labs — это всеобъемлющая онлайн-программа для инженеров. В этом видео рассматриваются основные вопросы, которые могут возникнуть у вас по поводу гальванической развязки. Другие видео и темы можно найти на странице ti.com/precisionlabs. Эта тема Precision Lab ответит на следующие вопросы: что такое гальваническая развязка? Когда нужна гальваническая развязка? Какие существуют методы изоляции? Что такое технологии изоляции? И как узнать, нуждается ли моя система в изоляции?
Что такое гальваническая развязка? Когда два устройства или цепи обмениваются данными, сигналы постоянного и переменного тока обычно протекают свободно. В системах низкого напряжения это безопасный способ работы двух частей системы. Но когда высокое напряжение входит в одну или несколько частей системы, свободно протекающий постоянный ток и некоторые сигналы переменного тока могут быть опасны.
Присутствие высокого напряжения может привести к значительной разности потенциалов, что может привести к протеканию вредных постоянных или нежелательных переменных токов к другим частям системы.
Это может привести к ошибкам или создать опасные условия работы. В этих условиях необходима гальваническая развязка.
Гальваническая развязка — это средство предотвращения постоянного и нежелательного переменного тока между двумя частями системы, при этом обеспечивая передачу сигналов и мощности между этими двумя частями. Изоляторы — это электронные устройства и полупроводниковые ИС, которые используются для изоляции. Когда необходима изоляция? Изоляция требуется в современных электрических системах по целому ряду причин. Некоторые примеры включают предотвращение поражения человека электрическим током, защиту дорогих процессоров, переменного тока или ПЛИС от риска повреждения в системе высокого напряжения, а также разрыв контура заземления и сетей связи, таких как приводы двигателей или системы преобразователей мощности.
Давайте рассмотрим три основные причины, по которым между цепями используется гальваническая развязка. Во-первых, для безопасности используется гальваническая развязка.
Изоляция предотвращает протекание тока от элементов с высоким потенциалом напряжения к земле через тело человека. Среды, в которых присутствуют люди-операторы, а оборудование работает под высоким напряжением или подвергается воздействию высокого напряжения, включая риск потенциального удара молнии, требуют гальванической защиты.
С помощью гальванически развязанных цепей операторы и другие схемы защищены от потенциально смертельного или повреждающего тока. Вторая причина, по которой используется гальваническая развязка, заключается в устранении разностей потенциалов земли, также называемых контурами заземления, которые могут вызывать неточности или сбои между взаимодействующими подсистемами.
Контуры заземления возникают, когда возникает непреднамеренное физическое соединение в схеме заземления системы. Это формирует несколько путей заземления между цепями. В этом примере интерфейс RS485 используется для связи с микропроцессором или MCU. Хотя интерфейс RS485 предназначен для обработки определенного диапазона отрицательных напряжений от 7 до 12 вольт относительно известного заземления, реальность такова, что потенциалы заземления между двумя цепями могут различаться.
Это изменение потенциала земли от одной цепи к другой создает разность напряжений, которая на большой длине кабеля может вызвать протекание тока. Когда ток протекает через контур заземления, могут возникать значительные перепады напряжения, вызывающие ошибку передачи данных. Наземные линии также могут обеспечивать пути, которые могут действовать как антенны, вызывая помехи из-за окружающего шума.
Наиболее распространенным примером шума окружающей среды является шум 50/60 Гц, который может улавливать и индуцировать нежелательные токи в заземлении системы. Цифровые изоляторы используются для разрыва контура заземления, тем самым предотвращая появление шума и поддерживая целостность связи. Третья причина, по которой наиболее часто используется гальваническая развязка, заключается в повышении помехозащищенности схемы.
Хотя во многих случаях влияние контуров заземления можно отнести к категории источников шума, основным источником шумовых помех являются переходные процессы в системе. Например, когда возникают переходные процессы при переключении управления двигателем, на пути прохождения сигнала может возникнуть переходное напряжение с высокой скоростью нарастания.
Это часто создает переходные процессы синфазного напряжения, для которых требуется изолятор с высокой устойчивостью к синфазным переходным процессам или CMTI.
Эта помехоустойчивость используется для поддержания целостности сигнала. CMTI указывается в техпаспорте производителя, и чем выше спецификация CMTI, тем выше помехозащищенность устройства. Для изоляции цепей существует два метода изоляции: аналоговый или цифровой. Существует несколько вариантов топологии для изоляции аналогового или цифрового входа. И выбор правильного решения определяется приоритетами проектирования системы.
Аналоговая изоляция изолирует аналоговый сигнал перед аналого-цифровым преобразователем или входом АЦП, который затем оцифровывает сигнал. Изолированные усилители или изолированные АЦП чаще всего используются для изоляции аналоговых сигналов, как правило, от запирающего резистора или входа датчика. Поскольку изолирующий барьер находится перед АЦП, важно отметить, что любая ошибка во входном сигнале, возникающая из-за усилителей входного усиления, также будет оцифрована АЦП.
Это необходимо учитывать при определении точности, необходимой для достижения целевого проектного разрешения. Погрешности усиления усилителя можно избежать с помощью аналоговой изоляции, выбрав изолированный преобразователь данных, такой как изолированный дельта-сигма модулятор, который напрямую дискретизирует аналоговые входные сигналы. Эти решения обеспечивают изолированные входы с высоким разрешением за счет оптимизации для прямого подключения к шунтирующим резисторам или другим источникам сигналов с низким уровнем напряжения.
Вы можете узнать больше об изолированных усилителях и преобразователях данных в разделе «Изолированные усилители и модуляторы» серии прецизионных лабораторий. Цифровая изоляция — это метод изоляции цифровых входных сигналов. Изолятор передает цифровую связь через изолирующий барьер вслед за АЦП между микропроцессорами и ПЛИС, а затем на полевые транзисторы и драйверы затворов.
В настоящее время для аналоговой и цифровой изоляции сигналов используются три основные технологии: оптическая, индуктивная и емкостная.
В каждой технологии используется разный изоляционный материал с разной диэлектрической прочностью. Диэлектрическая прочность — это измерение, используемое для описания максимального приложенного электрического поля, которое материал может выдержать, не подвергаясь электрическому пробою и не становясь электропроводным.
Измеряется в среднеквадратичных вольтах на микрометр. Чем выше значение диэлектрической прочности, тем надежнее изолятор. Здесь показан оптический изолятор или оптопара, который состоит из входного светодиода, приемного фотодетектора и выходного драйвера. Схема драйвера и схемы светодиодов обычно строятся с использованием технологии Complementary Metal Oxide Semiconductor или технологии CMOS.
Изолирующий барьер оптопары обычно изготавливается с использованием воздуха, эпоксидной смолы или компаунда. Как для входа, так и для выхода оптопары требуется отдельный источник напряжения, подключенный через выводы анода и коллектора, а также отдельные заземления, обычно подключаемые через вывод катода или эмиттера, чтобы обеспечить изоляцию сигнала между входом и выходом.
Связь внутри оптопары происходит, когда она применяет логику CMOS и генерирует входной ток, который затем создает пропорциональный выход светодиода для передачи через барьер формовочного компаунда, а затем на приемный фотодетектор и выход. Поскольку оптическая изоляция зависит от передачи света, скорость передачи данных оптопары обычно менее эффективна, чем у ее емкостных или индуктивных аналогов.
В первую очередь это связано с тем, что скорость передачи ограничена скоростью переключения светодиодов. Как и в случае со всеми светодиодами, использование светодиодов со временем способствует ослаблению сигнала, что ограничивает долгосрочную функциональность связи. Коэффициент передачи тока, или параметр CTR, описывает поведение выходного тока по отношению к входному току во времени.
Для систем, требующих длительного срока службы, необходимо либо откалибровать систему с учетом CTR, либо перепроектировать систему, чтобы обеспечить достаточную интенсивность света для требуемого срока службы. Индуктивные изоляторы основаны на трансформаторной технологии с использованием изоляционного материала, называемого полиимидом.
Логические входы используются для создания электромагнитного поля и передачи пропорциональных сигналов энергии через барьер с индуктивным трансформатором.
Емкостная изоляция основана на передаче энергии через диоксид кремния или КМОП-барьер через высокочастотный носитель. Цифровой входной сигнал подается и модулируется, а затем передается через изолирующий барьер. Затем производится пропорциональный выходной сигнал уровню измеренного сигнала на входе.
Поскольку емкостные изоляторы разработаны с использованием материала с самой высокой диэлектрической прочностью для изоляции, они обеспечивают высокую скорость передачи данных, низкие тепловые профили и длительный срок службы. Чтобы узнать больше о технологиях и архитектурах цифровой изоляции, посмотрите видеоролик «Что такое цифровой изолятор?»
Требования к изоляции на уровне компонентов чаще всего определяются номинальным высоким напряжением самой системы, и важно отметить, что хотя стандарты изоляции компонентов и стандарты на уровне системы дополняют друг друга, они не совпадают.
Стандарты на уровне компонентов относятся к устройству и его уровню сертификации изоляции, в то время как стандарты на уровне системы определяются отраслевыми органами по стандартизации с руководящими принципами, которые включают экологические, региональные и международные нормы, а также конкретные требования к конечному оборудованию.
Чтобы определить, какой уровень изоляции компонентов требуется для вашей системы, начните с требований сертификации на уровне системы, которые определяют необходимые рейтинги на уровне компонентов. Сертификаты и рейтинги на уровне компонентов доступны на веб-сайтах поставщиков. На этом мы завершаем знакомство прецизионной лаборатории с гальванической развязкой. Мы обсудили определение гальванической развязки, когда необходима гальваническая развязка, методы и виды гальванической развязки, а также краткое введение в стандарты и уровни сертификации для гальванической развязки.
Спасибо за ваше время. Вы можете просмотреть эту и другие темы по изоляции на сайте www.
ti.com/isolation. Пожалуйста, продолжайте смотреть, чтобы пройти викторину по гальванической развязке.
Вопрос номер 1. Верно или неверно. Гальваническая развязка предотвращает передачу сигналов между двумя цепями. ЛОЖЬ. Гальваническая развязка используется для обеспечения прохождения сигналов, но для предотвращения появления постоянных токов и нежелательных паразитных токов переменного тока.
Вопрос 2. Какова основная причина использования гальванической развязки в системе? Безопасность и защита от высокого напряжения.
Вопрос 3. Как можно использовать изоляцию для систем с большой разностью потенциалов, чтобы свести к минимуму нежелательный ток, протекающий через систему? Изоляторы можно использовать для разрыва контуров заземления, которые являются источником нежелательных шумов и протекания тока.
На этом завершается раздел «Что такое гальваническая развязка?» Викторина Precision Labs. Вы можете просмотреть другие темы на странице ti.com/precisionlabs.
Далее
Описание
28 ноября 2017 г.
