U ovom članku ću govoriti o tome kako doslovno napraviti jednostavnu galvansku izolaciju od 220 V mreže od starog UPS-a (ili bolje rečeno, dva) doslovno na koljenima.
Nadam se da nikome nije tajna zašto je potrebna galvanska izolacija od mreže. Mnogi ljudi vjerovatno znaju jedan od najlakših načina da raznesete pola kola uzemljenim osciloskopom. Stoga sam ozbiljno razmišljao o razdvajanju upravo nakon kupovine osciloskopa. U najjednostavnijem slučaju, decoupler izgleda kao transformator s omjerom transformacije 1:1. Stoga je u početku ideja bila da uzmemo neki TS-270 i premotamo ga. Ali nisam želio da radim premotavanje i nisam imao dodatni transformator dovoljne snage pri ruci. Ali nekako sam na poslu naišao na stari UPS. Ovako nešto:
A onda mi je pala na pamet ideja da se napravi rasplet na „preokretima“, tj. kada su dva identična transformatora uključena na način ogledala:
Naravno, što je veći napon na izlazu transformatora, to manje struje teče i to bolje, ali nisam morao birati i koristio sam princip "kao što je". Odlučeno je da se koristi UPS kućište i transformator koji je tu već bio instaliran. Za kontrolu prisutnosti napona na izlazu, Kinezi su imali:
Nakon što je drugi transformator pronađen i osiguran, ostalo je samo da se sve poveže.
Kao rezultat, imamo konačni dijagram prema kojem povezujemo transformatore:
Fragment isključen. Naš časopis postoji na donacijama čitalaca. Puna verzija ovog članka dostupna je samo
I dobijamo nešto ovako:
Prvo sam bacio originalnu ploču, ali, kako se ispostavilo, kućište je uvelike gubilo na čvrstoći i morao sam da je vratim na mesto, nakon što sam prethodno odlemio sve delove:
Zatim sam ugradio voltmetar:
Koristio sam sekundarni namotaj od 18 V za napajanje pozadinskog osvjetljenja standardnog prekidača. Koristio sam standardni UPS osigurač za višekratnu upotrebu kao ulazni osigurač, a običan držač osigurača je bio ugrađen da zaštiti izlaz.
I voila! Naše rješenje je na djelu.
Uvod
Galvanska izolacija (izolacija), koja se obično naziva jednostavno razdvajanje, je metoda pomoću koje pojedinačni dijelovi električnog sistema mogu biti na različitim potencijalima zemlje. Dva najčešća razloga za stvaranje razdvajanja su sigurnost od kvarova u industrijskim proizvodima i gdje je potrebna žičana komunikacija između uređaja, od kojih svaki ima svoje vlastito napajanje.
Metode razdvajanja snage
Transformers
Najčešći oblik razdvajanja je upotreba transformatora. Prilikom projektovanja kola za stabilizaciju snage gde je potrebno razdvajanje, izolacioni deo projekta je povezan sa potrebom za povećanjem/smanjivanjem nivoa napona i ne smatra se posebnim delom sistema. U slučaju da je potrebno izolovati ceo električni sistem (na primer, mnoga oprema za testiranje automobila zahteva da izvori napajanja budu izolovani od AC mreže), transformator 1:1 se može ugraditi u seriju sa sistemom kako bi se obezbedile potrebne izolacija.
Slika 1 - Asortiman SMD transformatora
Kondenzatori
Manje uobičajena metoda stvaranja razdvajanja je korištenje kondenzatora u seriji. Zbog sposobnosti da signali naizmenične struje prolaze kroz kondenzatore, ova metoda može biti efikasan način za izolovanje delova električnog sistema od mreže naizmenične struje. Ova metoda je manje pouzdana od metode transformatora jer ako dođe do kvara, transformator prekida strujni krug i kratko spaja kondenzator. Jedna od svrha stvaranja galvanske izolacije od AC mreže je osigurati da u slučaju kvara korisnik bude siguran od funkcionalnog neograničenog izvora struje.
Slika 2 - Primjer korištenja kondenzatora za stvaranje razdvajanja
Metode izolacije signala
Opto-izolatori
Kada je potreban signal da prođe između dva dijela kola na različitim potencijalima zemlje, popularno rješenje je opto-izolator (optocoupler). Opto-izolator je fototranzistor koji se otvara („uključuje“) kada je interna LED dioda pod naponom. Svjetlost koju emituje interna LED dioda je put signala i time se izolacija između potencijala zemlje ne prekida.
Slika 3 - Dijagram tipičnog opto-izolatoraHall senzor
Drugi način prijenosa informacija između električnih sistema s odvojenim potencijalima zemlje je korištenje senzora zasnovanog na Hall efektu. Hall senzor neinvazivno detektuje indukciju i ne zahtijeva direktan kontakt sa signalom od interesa i ne krši izolacijsku barijeru. Najčešća upotreba prolaska induktivnih informacija kroz strujne krugove na različitim potencijalima zemlje je u strujnim senzorima.
Slika 4 – Senzor struje koji se koristi za mjerenje struje kroz provodnik
Zaključak
Galvanska izolacija (izolacija) je razdvajanje električnih sistema/podsistema koji možda nemaju jednosmjernu struju i mogu imati različite potencijale uzemljenja. Izolacija se može podijeliti u glavne kategorije: snaga i signal. Postoji nekoliko načina za postizanje razdvajanja, a ovisno o zahtjevima projekta, neke metode mogu biti poželjnije od drugih.
Studija slučaja
Slika 5 - PoE (Power over Ethernet) projektni dijagram zasnovan na TPS23753PW kontroleru U gornjem dijagramu, nekoliko transformatora i opto-izolator se koristi za stvaranje prekidačkog napajanja, koje se koristi u Ethernet PD (Powered Device) uređajima. Konektor J2 ima unutrašnje magnete koji izoluju ceo sistem od PoE izvora. T1 i U2 izoluju napajanje (lijevo od crvene linije) od reguliranog izlaza od 3,3 V (desno od crvene linije).
Serija članaka sastoji se od tri dijela:
Interferencija u kolima.
Tokom normalnog rada elektronskog uređaja može doći do smetnji u kolu.
Smetnje ne samo da mogu ometati normalan rad uređaja, već i dovesti do njegovog potpunog kvara.
Rice. 1. Smetnje u korisnom signalu.
Možete vidjeti smetnje na ekranu osciloskopa tako što ćete ih uključiti u dio strujnog kruga koji se proučava (slika 1). Trajanje interferencije može biti ili vrlo kratko (nekoliko nanosekundi, tzv. „igle“) ili vrlo dugo (nekoliko sekundi). Oblik i polaritet smetnji također variraju.
Širenje (prolazak) smetnji se događa ne samo duž žičanih veza kola, već ponekad čak i između dijelova kola koji nisu povezani žicama. Osim toga, smetnje se mogu preklapati i sabirati jedna drugoj. Dakle, jedna slaba smetnja možda neće uzrokovati kvar u krugu uređaja, ali istovremeno nakupljanje nekoliko slabih nasumičnih smetnji dovodi do nepravilnog rada uređaja. Ova činjenica višestruko otežava traženje i otklanjanje smetnji, jer poprima još više slučajan karakter.
Izvori smetnji se mogu grubo podijeliti:
- Vanjski izvor smetnji. Snažan izvor elektromagnetnog ili elektrostatičkog polja u blizini uređaja može uzrokovati kvar elektronskog uređaja. Na primjer, pražnjenje groma, uključivanje releja velike struje ili električno zavarivanje.
- Unutrašnji izvor smetnji. Na primjer, kada uključite/isključite reaktivno opterećenje (električni motor ili elektromagnet) u uređaju, ostatak kruga može pokvariti rad. Neispravan programski algoritam takođe može biti izvor internih smetnji.
Za zaštitu od vanjskih smetnji, struktura ili njeni pojedinačni dijelovi se postavljaju u metalni ili elektromagnetski štit, a koriste se i rješenja kola manje osjetljivih na vanjske smetnje. Korištenje filtara, optimizacija algoritma rada, promjene u konstrukciji cijelog kola i položaja njegovih dijelova međusobno pomažu u borbi protiv internih smetnji.
Ono što se smatra vrlo elegantnim nije neselektivno potiskivanje svih smetnji, već njihovo namjerno usmjeravanje na ona mjesta u krugu gdje će nestati bez nanošenja štete. U nekim slučajevima, ovaj put je mnogo jednostavniji, kompaktniji i jeftiniji.
Procjena vjerovatnoće smetnji u strujnim krugovima i načina za njihovo sprječavanje nije jednostavan zadatak, koji zahtijeva teorijsko znanje i praktično iskustvo. Ali ipak, možemo čvrsto reći da se vjerovatnoća smetnji povećava:
- s povećanjem uključene struje ili napona u kolu,
- sa povećanjem osetljivosti delova kola,
- uz povećanje performansi korištenih dijelova.
Kako se ne bi ponovio gotov dizajn zbog čestih kvarova, bolje je upoznati se s mogućim izvorima i putevima smetnji u fazi projektiranja kola. Budući da je otprilike polovina svih manifestacija smetnji povezana s „lošim“ napajanjem, najbolje je započeti projektiranje uređaja odabirom metode za napajanje njegovih dijelova.
Smetnje u strujnim krugovima.
Slika 2 prikazuje tipičan blok dijagram elektronskog uređaja koji se sastoji od izvora napajanja, upravljačkog kruga, drajvera i aktuatora.
Većina najjednostavnijih robota iz serije na ovoj stranici izgrađena je prema ovoj shemi.
Rice. 2. Zajedničko napajanje upravljačkog i pogonskog dijela.
U takvim krugovima možemo uvjetno razlikovati dva dijela: upravljanje i napajanje. Upravljački dio troši relativno malo struje i sadrži upravljačka ili računalna kola. Energetski dio troši znatno više struje i uključuje pojačalo i terminalno opterećenje.
Pogledajmo detaljnije svaki dio kruga.
Rice. 2 a.
Napajanje(Sl. 2 a.) mogu biti “baterije” ili napajanje mrežnog transformatora. Napajanje također može uključivati stabilizator napona i mali filter.
Rice. 2 b.
Upravljački krug- ovo je dio kola (slika 2 b.), gdje se svaka informacija obrađuje u skladu s radom algoritma. Ovdje mogu doći i signali iz vanjskih izvora, na primjer, iz nekih senzora. Sam upravljački krug se može sklopiti pomoću mikrokontrolera ili drugih mikro krugova, ili pomoću diskretnih elemenata.
Komunikacijske linije oni jednostavno povezuju upravljački krug sa upravljačkim uređajem, odnosno, to su samo ožičenje ili staze na štampanoj ploči.
Rice. 2. vek
Aktuator(Slika 2 c.) je često mehanizam koji pretvara električni signal u mehanički rad, kao što je električni motor ili elektromagnet. To jest, aktuator pretvara električnu struju u drugi oblik energije i obično troši relativno veliku struju.
Rice. 2 godine
Pošto je signal iz upravljačkog kola vrlo slab, tako drajver ili pojačalo(Slika 2 d) sastavni je dio mnogih šema. Drajver se može napraviti, na primjer, koristeći samo tranzistor ili poseban čip, ovisno o vrsti aktuatora.
Po pravilu, glavni izvor jakih smetnji je aktuator. Smetnje koje se ovde pojavljuju, nakon što prođu kroz drajver, šire se dalje duž sabirnice napajanja (smetnje na slici 2 je šematski prikazano narandžastom strelicom). A pošto se upravljački krug napaja iz istog izvora napajanja, postoji velika vjerovatnoća da će ova smetnja uticati i na njega. To jest, na primjer, smetnja koja se pojavljuje u motoru proći će kroz upravljački program i može dovesti do kvara u upravljačkom krugu.
U jednostavnim krugovima dovoljno je postaviti veliki kondenzator od oko 1000 μF i keramički kondenzator od 0,1 μF paralelno s izvorom napajanja. Oni će djelovati kao jednostavan filter. U krugovima sa strujama potrošnje od oko 1 amper ili više, da biste zaštitili od jakih smetnji složenih oblika, morat ćete instalirati glomazni, složeni filter, ali to ne pomaže uvijek.
U mnogim kolima najlakši način da se riješite efekata smetnji je korištenje odvojenih izvora napajanja za upravljačke i napojne dijelove kola, odnosno korištenje tzv. odvojeno napajanje.
Iako se zasebno napajanje koristi ne samo za borbu protiv smetnji.
Odvojeni obroci.
Na sl. Slika 3 prikazuje blok dijagram određenog uređaja. Ovo kolo koristi dva izvora napajanja. Strujni dio kola se napaja iz napajanje 1, a upravljački krug je iz napajanje 2. Oba izvora napajanja su povezana jednim od polova; ova žica je zajednička za cijeli krug i signali se prenose u odnosu na nju duž komunikacijske linije.
Rice. 3. Odvojeno napajanje za upravljački i energetski dio.
Na prvi pogled, takav sklop s dva izvora napajanja izgleda glomazan i složen. Zapravo, takvi odvojeni krugovi napajanja koriste se, na primjer, u 95% sve opreme za kućanstvo. Zasebna napajanja postoje samo različiti namotaji transformatora sa različitim naponima i strujama. Ovo je još jedna prednost odvojenih strujnih krugova: nekoliko jedinica s različitim naponima napajanja može se koristiti u jednom uređaju. Na primjer, koristite 5 volti za kontroler i 10-15 volti za motor.
Ako pažljivo pogledate dijagram na sl. 3, vidi se da smetnje od napojnog dijela nemaju mogućnost da uđu u upravljački dio preko dalekovoda. Posljedično, potreba za suzbijanjem ili filtriranjem potpuno nestaje.
Rice. 4. Odvojeno napajanje sa stabilizatorom.
U mobilnim strukturama, na primjer, mobilnim robotima, zbog njihove veličine, nije uvijek zgodno koristiti dvije baterije. Stoga se zasebno napajanje može izgraditi pomoću jedne baterije. U tom slučaju, upravljački krug će se napajati iz glavnog izvora napajanja kroz stabilizator s filterom male snage, sl. 4. U ovom krugu morate uzeti u obzir pad napona na stabilizatoru odabranog tipa. Obično se koristi baterija sa većim naponom od napona potrebnog za upravljački krug. U ovom slučaju, funkcionalnost kola se održava čak i kada su baterije djelomično ispražnjene.
Rice. 5. L293 sa odvojenim napajanjem.
Mnogi upravljački čipovi su posebno dizajnirani za upotrebu u kolima sa odvojenim napajanjem. Na primjer, dobro poznati L293 upravljački čip ( Rice. 5) ima zaključak Vss- za napajanje upravljačkog kruga (logički napon napajanja) i izlaz vs- za napajanje završnih stupnjeva pogona za napajanje (napon napajanja ili izlazni napon napajanja).
U svim dizajnima robota sa mikrokontrolerom ili logičkim čipom iz serije, L293 se može uključiti sa zasebnim strujnim krugom. U ovom slučaju, napon napajanja (napon za motore) može biti u rasponu od 4,5 do 36 volti, a napon na Vss se može napajati istim kao za napajanje mikrokontrolera ili logičkog čipa (obično 5 volti).
Ako se napajanje upravljačkog dijela (mikrokontrolera ili logičkog čipa) odvija preko stabilizatora, a napajanje dijela napajanja se preuzima direktno iz baterijskog paketa, onda to može značajno uštedjeti gubitke energije. Budući da će stabilizator napajati samo upravljački krug, a ne cijelu strukturu. Ovo - Još jedna prednost odvojenog napajanja: ušteda energije.
Ako ponovo pogledate dijagram na slici 3, primijetit ćete da je pored zajedničke žice (GND), energetski dio također povezan s upravljačkim krugom komunikacijskim linijama. U nekim slučajevima, ove žice također mogu prenositi smetnje iz dijela napajanja u upravljački krug. Osim toga, ove komunikacijske linije su često vrlo osjetljive na elektromagnetne utjecaje („šum“). Ovih štetnih pojava možete se jednom zauvijek riješiti korištenjem tzv galvansku izolaciju.
Iako se galvanska izolacija također koristi ne samo za borbu protiv smetnji.
Galvanska izolacija.
Na prvi pogled, ova definicija može izgledati nevjerovatna!
Kako se signal može prenositi bez električnog kontakta?
U stvari, postoje čak dva načina koji to dozvoljavaju.
Rice. 6.
Metoda optičkog prijenosa signala baziran na fenomenu fotosenzitivnosti poluprovodnika. Za to se koristi par LED diode i fotoosjetljivi uređaj (fototranzistor, fotodioda), slika 6.
Rice. 7.
Par LED-fotodetektor nalazi se izolovano u jednom kućištu jedan naspram drugog. Ovako se zove ovaj detalj. optocoupler(strano ime optocopler), sl. 7.
Ako struja prođe kroz LED diodu optokaplera, otpor ugrađenog fotodetektora će se promijeniti. Na taj način dolazi do beskontaktnog prijenosa signala, budući da je LED potpuno izolirana od fotodetektora.
Svaki vod za prijenos signala zahtijeva poseban optokapler. Frekvencija optički prenošenog signala može se kretati od nula do nekoliko desetina do stotina kiloherca.
Rice. 8.
Metoda induktivnog prijenosa signala zasniva se na fenomenu elektromagnetne indukcije u transformatoru. Kada se struja promijeni u jednom od namotaja transformatora, mijenja se struja u njegovom drugom namotu. Dakle, signal se prenosi sa prvog namotaja u drugi (slika 8). Ova veza između namotaja se još naziva transformator, a ponekad se naziva i transformator za galvansku izolaciju izolacioni transformator.
Rice. 9.
Strukturno, transformatori se obično izrađuju na prstenastom feritnom jezgru, a namotaji sadrže nekoliko desetina zavoja žice (slika 9). Unatoč prividnoj složenosti takvog transformatora, možete ga sami napraviti za nekoliko minuta. Prodaju se i gotovi transformatori malih dimenzija za galvansku izolaciju.
Svaki vod za prijenos signala zahtijeva poseban takav transformator. Frekvencija emitovanog signala može se kretati od nekoliko desetina herca do stotina hiljada megaherca.
Ovisno o vrsti signala koji se prenosi i zahtjevima kola, možete odabrati transformatorsku ili optičku galvansku izolaciju. U krugovima s galvanskom izolacijom, specijalni pretvarači se često instaliraju s obje strane kako bi se koordinirali (povezali, sučelji) s ostatkom kola.
Pogledajmo sada blok dijagram koristeći galvansku izolaciju između upravljačkog i napojnog dijela na slici 10.
Rice. 10. Odvojeno napajanje i galvanska izolacija komunikacionog kanala.
Iz ovog dijagrama se može vidjeti da bilo kakva smetnja od napojnog dijela nema načina da prodre u upravljački dio, jer nema električnog kontakta između dijelova kola.
Odsustvo električnog kontakta između dijelova kruga u slučaju galvanske izolacije omogućuje vam sigurno upravljanje aktuatorima s visokonaponskim napajanjem. Na primjer, kontrolna ploča napajana od nekoliko volti može biti galvanski izolirana od faznog mrežnog napona od nekoliko stotina volti, što povećava sigurnost za operativno osoblje. Ovo je važna prednost kola galvanske izolacije.
Upravljački krugovi s galvanskom izolacijom se gotovo uvijek mogu naći u kritičnim uređajima, kao i u impulsnim izvorima napajanja. Pogotovo tamo gdje postoji i najmanja šansa za smetnje. Ali čak iu amaterskim uređajima koristi se galvanska izolacija. Budući da mala komplikacija kola galvanskom izolacijom donosi potpuno povjerenje u nesmetan rad uređaja.
Galvanska izolacija. Optocoupler sklop
| Optocoupler, također poznat kao optocoupler, je elektronska komponenta koja prenosi električne signale između dva izolirana električna kola koristeći infracrveno svjetlo. Kao izolator, optospojler može spriječiti prolazak visokog napona kroz strujni krug. Prijenos signala kroz svjetlosnu barijeru odvija se pomoću IR LED diode i fotoosjetljivog elementa, na primjer fototranzistora, koji je osnova strukture optokaplera. Optokapleri su dostupni u različitim modelima i internim konfiguracijama. Jedna od najčešćih je IR dioda i fototranzistor zajedno u 4-pinskom kućištu, prikazanom na slici.
Određeni parametri se ne smiju prekoračiti tokom rada. Ove maksimalne vrijednosti se koriste zajedno sa grafikonima kako bi se pravilno dizajnirao način rada.
Na ulaznoj strani, infracrvena emitivna dioda ima određenu maksimalnu struju i napon, preko kojih će emitujući element izgorjeti. Ali čak i signal koji je premali neće moći učiniti da svijetli i neće dozvoliti da se impuls dalje prenosi duž strujnog kola. Prednosti optokaplera
Nedostaci optokaplera
Primena optokaplera
Svestranost optospojnica kao elemenata galvanske izolacije i beskontaktnog upravljanja, raznovrsnost i jedinstvenost mnogih drugih funkcija razlog su da je opseg primene optospojlera postao računarska tehnologija, automatizacija, komunikaciona i radio oprema, automatizovani sistemi upravljanja, merna oprema, kontrola i regulacioni sistemi, medicinska elektronika, uređaji za vizuelni prikaz informacija. Pročitajte više o različitim tipovima optokaplera u ovom dokumentu. |
elwo.ru
Galvanska izolacija: principi i dijagram
Galvanska izolacija je princip električne izolacije predmetnog strujnog kola u odnosu na druga kola koja su prisutna u jednom uređaju i poboljšava tehničke performanse. Galvanska izolacija se koristi za rješavanje sljedećih problema:
- Postizanje nezavisnosti signalnog lanca. Koristi se pri povezivanju različitih instrumenata i uređaja, osiguravajući neovisnost strujnog kruga električnog signala u odnosu na struje koje nastaju tijekom povezivanja različitih vrsta uređaja. Nezavisna galvanska sprega rješava probleme elektromagnetske kompatibilnosti, smanjuje utjecaj smetnji, poboljšava omjer signal-šum u signalnim kolima i povećava stvarnu tačnost mjerenja tekućih procesa. Galvanska izolacija sa izolovanim ulazom i izlazom doprinosi kompatibilnosti uređaja sa različitim uređajima pod složenim parametrima elektromagnetnog okruženja. Višekanalni mjerni instrumenti imaju grupnu ili kanalnu izolaciju. Izolacija može biti pojedinačna za nekoliko mjernih kanala ili kanal po kanal za svaki kanal nezavisno.
- Usklađenost sa zahtjevima važećeg GOST 52319-2005 o električnoj sigurnosti. Standard reguliše otpor izolacije u električnoj opremi za kontrolu i merenje. Galvanska izolacija se smatra jednom u nizu mjera za osiguranje električne sigurnosti, mora raditi paralelno s drugim metodama zaštite (uzemljenje, strujni krugovi za ograničavanje napona, sigurnosni ventili itd.).
Izolacija se može obezbijediti različitim metodama i tehničkim sredstvima: galvanskim kupkama, induktivnim transformatorima, digitalnim izolatorima, elektromehaničkim relejima.
Dijagrami rješenja galvanske izolacije
Prilikom izgradnje složenih sistema za digitalnu obradu ulaznih signala povezanih sa radom u industrijskim uslovima, galvanska izolacija mora da reši sledeće probleme:
- Zaštitite kompjuterska kola od izlaganja kritičnim strujama i naponima. Ovo je važno ako radni uslovi uključuju izlaganje industrijskim elektromagnetnim talasima, poteškoće sa uzemljenjem itd. Takve situacije se dešavaju i u transportu, koji ima veliki ljudski faktor uticaja. Greške mogu uzrokovati potpuni kvar skupe opreme.
- Zaštitite korisnike od strujnog udara. Problem je najčešće relevantan za medicinske uređaje.
- Minimiziranje štetnih efekata različitih smetnji. Važan faktor u laboratorijama koje vrše precizna mjerenja, pri izgradnji preciznih sistema i u metrološkim stanicama.
Trenutno se široko koriste transformatorska i optoelektronska izolacija.
Princip rada optokaplera
Optocoupler sklop
Dioda koja emituje svjetlost je usmjerena naprijed i prima samo svjetlo od fototranzistora. Ova metoda osigurava galvansku vezu između kola koja su s jedne strane spojena na LED, a s druge strane na fototranzistor. Prednosti optoelektronskih uređaja uključuju mogućnost prijenosa komunikacija u širokom rasponu, sposobnost prijenosa čistih signala na visokim frekvencijama i male linearne dimenzije.
Množači električnih impulsa
Pružaju potreban nivo električne izolacije i sastoje se od predajnika-emitera, komunikacijskih linija i prijemnih uređaja.
Multiplikatori impulsa
Komunikacijski vod mora osigurati potrebnu razinu izolacije signala; u prijemnim uređajima impulsi se pojačavaju do vrijednosti potrebnih za puštanje tiristora u rad.
Upotreba električnih transformatora za izolaciju povećava pouzdanost instaliranih sistema izgrađenih na bazi serijskih multikompleksnih kanala u slučaju kvara jednog od njih.
Parametri multikompleksnih kanala
Poruke kanala sastoje se od informacija, komandi ili signala odgovora; jedna od adresa je besplatna i koristi se za obavljanje sistemskih zadataka. Upotreba transformatora povećava pouzdanost funkcionisanja sistema sastavljenih na bazi serijskih multikompleksnih kanala i osigurava rad uređaja kada nekoliko primatelja otkaže. Zbog upotrebe višestepene kontrole prijenosa na nivou signala, osiguran je visok nivo otpornosti na buku. U opštem režimu rada moguće je slanje poruka na nekoliko potrošača, što olakšava početnu inicijalizaciju sistema.
Najjednostavniji električni uređaj je elektromagnetski relej. Ali galvanska izolacija zasnovana na ovom uređaju ima veliku inerciju, relativno je velikih dimenzija i može samo malom broju potrošača osigurati veliku količinu potrošene energije. Takvi nedostaci sprečavaju široku upotrebu releja.
Galvanska izolacija push-pull tipa omogućava vam da značajno smanjite količinu električne energije koja se koristi u režimu punog opterećenja, čime se poboljšavaju ekonomske performanse uređaja.
Push-pull izolacija
Korištenjem galvanske izolacije moguće je kreirati moderna automatska upravljačka, dijagnostička i nadzorna kola sa visokom sigurnošću, pouzdanošću i stabilnošću rada.
plast-product.ru
Galvanska izolacija. Ako ne optokapler, ko?
U elektronici postoji takva stvar kao što je galvanska izolacija. Njegova klasična definicija je prijenos energije ili signala između električnih kola bez električnog kontakta. Ako ste početnik, onda će vam ova formulacija izgledati vrlo općenito, pa čak i misteriozno. Ako imate inženjersko iskustvo ili se samo dobro sjećate fizike, onda ste najvjerovatnije već razmišljali o transformatorima i optospojnicama.
Članak ispod reza posvećen je različitim metodama galvanske izolacije digitalnih signala. Reći ćemo vam zašto je to uopće potrebno i kako proizvođači implementiraju izolacijsku barijeru "unutar" modernih mikro krugova.
Kao što je već spomenuto, govorit ćemo o izolaciji digitalnih signala. Dalje u tekstu, pod galvanskom izolacijom podrazumijevamo prijenos informacijskog signala između dva nezavisna električna kola.
Zašto je to potrebno?
Postoje tri glavna zadatka koji se rješavaju razdvajanjem digitalnog signala.
Prva stvar koja pada na pamet je zaštita od visokog napona. Zaista, osiguranje galvanske izolacije je sigurnosni zahtjev za većinu električnih uređaja. Neka mikrokontroler, koji prirodno ima mali napon napajanja, postavlja kontrolne signale za energetski tranzistor ili drugi visokonaponski uređaj. Ovo je više nego uobičajen zadatak. Ako nema izolacije između drajvera, što povećava upravljački signal u snazi i naponu, i kontrolnog uređaja, tada mikrokontroler rizikuje jednostavno da izgori. Osim toga, ulazno-izlazni uređaji se obično spajaju na upravljačka kola, što znači da osoba pritiskom na tipku "uključi" može lako zatvoriti kolo i dobiti udar od nekoliko stotina volti. Dakle, galvanska izolacija signala služi za zaštitu ljudi i opreme. 
Ništa manje popularna je upotreba mikro krugova s izolacijskom barijerom za povezivanje električnih krugova s različitim naponima napajanja. Ovdje je sve jednostavno: ne postoji "električna veza" između krugova, tako da će signal, logički nivoi informacijskog signala na ulazu i izlazu mikrokola, odgovarati napajanju na "ulazu" i "izlazu" ” kola, respektivno. 
Galvanska izolacija se takođe koristi za poboljšanje otpornosti sistema na buku. Jedan od glavnih izvora smetnji u elektronskoj opremi je takozvana obična žica, često kućište uređaja. Prilikom prijenosa informacija bez galvanske izolacije, zajednička žica osigurava zajednički potencijal predajnika i prijemnika neophodan za prijenos informacijskog signala. Budući da obična žica obično služi kao jedan od stubova napajanja, povezivanje na nju raznih elektronskih uređaja, posebno energetskih, dovodi do kratkotrajnog impulsnog šuma. Oni se eliminišu zamjenom "električne veze" vezom kroz izolacionu barijeru. 
Kako radi
Tradicionalno, galvanska izolacija se zasniva na dva elementa - transformatorima i optospojnici. Ako izostavimo detalje, prvi se koriste za analogne signale, a drugi za digitalne signale. Razmatramo samo drugi slučaj, pa ima smisla podsjetiti čitaoca ko je optokapler.Za prijenos signala bez električnog kontakta koristi se par emitera svjetlosti (najčešće LED) i fotodetektora. Električni signal na ulazu se pretvara u "svjetlosne impulse", prolazi kroz sloj koji prenosi svjetlost, prima ga fotodetektor i ponovo se pretvara u električni signal.
Izolacija optokaplera stekla je ogromnu popularnost i bila je jedina tehnologija za izolaciju digitalnih signala već nekoliko decenija. Međutim, razvojem industrije poluprovodnika, integracijom svega, pojavila su se mikro kola koja implementiraju izolacionu barijeru koristeći druge, modernije tehnologije. Digitalni izolatori su mikro kola koja obezbeđuju jedan ili više izolovanih kanala, od kojih svaki nadmašuje optospojler u pogledu brzine i tačnosti prenosa signala, nivoa otpornosti na smetnje i, najčešće, cene po kanalu.
Izolaciona barijera digitalnih izolatora se proizvodi različitim tehnologijama. Poznata kompanija Analog Devices koristi impulsni transformator kao barijeru u ADUM digitalnim izolatorima. Unutar kućišta mikrokola nalaze se dva kristala i impulsni transformator, izrađeni zasebno na poliamidnom filmu. Kristal predajnika generiše dva kratka impulsa na rubu informacijskog signala i jedan impuls na padu informacijskog signala. Impulsni transformator omogućava, sa malim zakašnjenjem, primanje impulsa na kristalu predajnika kroz koji se vrši inverzna konverzija.
Opisana tehnologija se uspješno koristi u implementaciji galvanske izolacije, po mnogo čemu je superiorna u odnosu na optospojnice, ali ima niz nedostataka povezanih s osjetljivošću transformatora na smetnje i rizikom od izobličenja pri radu s kratkim ulaznim impulsima.
Mnogo veći nivo otpornosti na buku je obezbeđen u mikro krugovima gde je izolaciona barijera implementirana na kondenzatorima. Upotreba kondenzatora eliminiše DC spregu između prijemnika i predajnika, što je u signalnim krugovima ekvivalentno galvanskoj izolaciji. 
Ako vas je posljednja rečenica uznemirila... Ako ste osjetili goruću želju da vrisnete da ne može biti galvanske izolacije na kondenzatorima, onda preporučujem da posjetite ovakve teme. Kada se vaš bijes smiri, imajte na umu da sva ova kontroverza datira još od 2006. godine. Kao što znamo, tamo se nećemo vraćati, kao ni 2007. godine. A izolatori sa kapacitivnom barijerom se proizvode dugo vremena, koriste se i rade savršeno.
Prednosti kapacitivnog razdvajanja su visoka energetska efikasnost, male dimenzije i otpornost na vanjska magnetna polja. To omogućava stvaranje jeftinih integralnih izolatora s visokim pokazateljima pouzdanosti. Proizvode ih dvije kompanije - Texas Instruments i Silicon Labs. Ove kompanije koriste različite tehnologije za stvaranje kanala, ali se u oba slučaja kao dielektrik koristi silicijum dioksid. Ovaj materijal ima visoku električnu čvrstoću i koristi se u proizvodnji mikro krugova nekoliko desetljeća. Kao rezultat toga, SiO2 se lako integriše u kristal, a dielektrični sloj debljine nekoliko mikrometara dovoljan je da obezbedi izolacioni napon od nekoliko kilovolti.Na jednom (u Texas Instruments) ili na oba (u Silicon Labs) kristalima, koji se nalaze u kućištu digitalnog izolatora nalaze se jastučići kondenzatora. Čipovi su povezani preko ovih jastučića, tako da informacioni signal prolazi od prijemnika do predajnika kroz izolacionu barijeru. Iako Texas Instruments i Silicon Labs koriste vrlo slične tehnologije za integraciju kapacitivne barijere na čipu, koriste potpuno različite principe za odašiljanje informacioni signal.
Svaki izolirani kanal Texas Instruments je relativno složeno kolo.
Pogledajmo njegovu “donju polovinu”. Informacijski signal se dovodi u RC kola iz kojih se uzimaju kratki impulsi duž prednje i padajuće ivice ulaznog signala, a signal se rekonstruiše iz tih impulsa. Ova metoda prolaska kapacitivne barijere nije prikladna za sporo promjenjive (niskofrekventne) signale. Proizvođač ovaj problem rješava dupliranjem kanala - "donja polovina" kola je visokofrekventni kanal i namijenjen je za signale od 100 Kbps. Signali ispod 100 Kbps se obrađuju u "gornjoj polovini" kola. Ulazni signal se podvrgava preliminarnoj PWM modulaciji sa visokom frekvencijom takta, modulirani signal se dovodi do izolacione barijere, signal se obnavlja pomoću impulsa iz RC kola i potom se demodulira. Kolo za odlučivanje na izlazu izolovanog kanala "odlučuje" iz koje "polovine" signala treba poslati na izlaz mikrokola.
Kao što možete vidjeti na dijagramu kanala izolatora Texas Instruments, i niskofrekventni i visokofrekventni kanali koriste diferencijalni prijenos signala. Dozvolite mi da podsjetim čitaoca na njegovu suštinu.
Diferencijalni prijenos je jednostavan i efikasan način zaštite od smetnji u uobičajenom načinu rada. Ulazni signal na strani predajnika je „podeljen“ na dva signala V+ i V-, inverzna jedan prema drugom, na koje podjednako utiču zajedničke smetnje različite prirode. Prijemnik oduzima signale i, kao rezultat, Vsp interferencija je eliminisana.
Diferencijalni prijenos se također koristi u digitalnim izolatorima iz Silicon Labsa. Ova mikrokola imaju jednostavniju i pouzdaniju strukturu. Da bi prošao kroz kapacitivnu barijeru, ulazni signal je podvrgnut visokofrekventnoj OOK (On-Off Keyring) modulaciji. Drugim riječima, “jedan” informacijskog signala je kodiran prisustvom visokofrekventnog signala, a “nula” odsustvom visokofrekventnog signala. Modulirani signal prolazi bez izobličenja kroz par kondenzatora i obnavlja se na strani predajnika.
Od drugih kola u jednom uređaju se naziva galvanska izolacija ili izolacija. Uz pomoć takve izolacije, signal ili energija se prenosi iz jednog električnog kruga u drugi, bez direktnog kontakta između krugova.
Galvanska izolacija omogućava da se osigura neovisnost signalnog kruga, budući da se neovisno strujno kolo signalnog kola formira od drugih kola, u krugovima povratne sprege i tokom mjerenja. Za elektromagnetnu kompatibilnost, galvanska izolacija je optimalno rješenje, jer se povećava tačnost mjerenja i povećava zaštita od smetnji.
Princip rada
Da bismo razumjeli princip rada galvanske izolacije, razmotrimo kako je implementiran u dizajn.
Primarni namotaj je električni izolovan od sekundarnog namotaja. Između njih nema kontakta i ne nastaje struja, osim ako, naravno, ne računate hitni način rada s kvarom izolacije ili kratkim spojem. Međutim, razlika potencijala u zavojnicama može biti značajna.
Vrste
Takva izolacija električnih krugova osigurava se raznim metodama korištenjem svih vrsta elektroničkih elemenata i dijelova. Na primjer, kondenzatori i optokapleri su sposobni prenositi električne signale bez direktnog kontakta. Dijelovi kola međusobno djeluju kroz svjetlosni tok, magnetsko ili elektrostatičko polje. Razmotrimo glavne vrste galvanske izolacije.
Induktivno razdvajanje
Za izgradnju transformatorske (induktivne) izolacije potrebno je koristiti element magnetne indukcije tzv. Može biti sa ili bez jezgra.
Prilikom razdvajanja tipa transformatora koriste se transformatori čiji je omjer transformacije jednak jedinici. Primarni kalem transformatora povezan je sa izvorom signala, sekundarni namotaj je povezan sa prijemnikom. Za razdvajanje kola pomoću ove šeme mogu se koristiti uređaji za magnetnu modulaciju zasnovani na transformatorima.
U ovom slučaju, izlazni napon, koji je dostupan na sekundarnom namotu transformatora, direktno će ovisiti o naponu na ulazu uređaja. Postoji niz ozbiljnih nedostataka kod ove metode induktivnog razdvajanja:
- Značajne ukupne dimenzije koje ne dopuštaju proizvodnju kompaktnog uređaja.
- Frekvencijska modulacija galvanske izolacije ograničava frekvenciju prijenosa.
- Na kvalitet izlaznog signala utiču smetnje u ulaznom nosećem signalu.
- Rad transformatorske izolacije moguć je samo naizmjeničnim naponom.
Optoelektronska izolacija
Razvoj elektronskih i informacionih tehnologija trenutno povećava mogućnost projektovanja centrale korišćenjem optoelektronskih čvorova. Osnovu takvih jedinica za razdvajanje čine optokapleri (optocoupleri), koji se izrađuju na bazi i drugih komponenti osjetljivih na svjetlost.
U optičkom dijelu kola, koji povezuje prijemnik i izvor podataka, fotoni djeluju kao nosioci signala. Neutralnost fotona omogućava električno razdvajanje izlaznog i ulaznog kola, kao i usklađivanje kola sa različitim otporima na izlazu i ulazu.
U optoelektronskoj izolaciji, prijemnik ne utiče na izvor signala, tako da je moguće modulirati signale u širokom frekventnom opsegu. Važna prednost optičkih parova je njihova kompaktnost, što omogućava njihovu upotrebu u mikroelektronici.
Optički par se sastoji od emitera svjetlosti, medija koji provodi svjetlosni tok i svjetlosnog prijemnika koji ga pretvara u signal električne struje. Izlazni i ulazni otpor optokaplera je vrlo visok i može doseći nekoliko miliona Ohma.
Princip rada optokaplera je prilično jednostavan. Iz njega izlazi i usmjerava se svjetlosni tok, koji ga percipira i vrši daljnji rad u skladu sa ovim svjetlosnim signalom.
Detaljnije, rad optokaplera je sljedeći. Ulazni signal se šalje na LED, koji emituje svjetlost kroz svjetlovod. Zatim, svjetlosni tok percipira fototranzistor, na čijem se izlazu stvara pad ili impuls električne struje. Kao rezultat, vrši se galvanska izolacija krugova koji su s jedne strane spojeni na LED, a s druge na fototranzistor.
Diodni optospojler
U ovom paru izvor svjetlosti je LED. Takav par se može koristiti umjesto ključa i raditi sa signalima frekvencije od nekoliko desetina MHz.
Kada je potrebno prenijeti signal, izvor napaja LED diodu, što rezultira emisijom svjetlosti koja pogađa . Kada je izložena svjetlu, fotodioda se otvara i propušta struju kroz nju.
Prijemnik percipira pojavu struje kao radni signal. Nedostatak diodnih optokaplera je nemogućnost kontrole velikih struja bez pomoćnih elemenata. Još jedan nedostatak je njihova niska efikasnost.
Tranzistorski optospojler
Takvi optički parovi imaju povećanu osjetljivost, za razliku od diodnih, pa su stoga ekonomičniji. Ali njihova brzina reakcije i najveća frekvencija veze su niži. Optički parovi tranzistora imaju mali otpor kada su otvoreni i visoki otpori kada su zatvoreni.
Kontrolne struje za tranzistorski par su veće od izlazne struje para dioda. Tranzistorski optokapleri se mogu koristiti na različite načine:
- Nema baznog izlaza.
- Sa baznim izlazom.
Bez baznog kabla, struja kolektora će biti direktno povezana sa strujom LED-a, ali će tranzistor imati dugo vreme odziva jer je kolo baze uvek otvoreno.
U slučaju baznog izlaza, moguće je povećati brzinu reakcije povezivanjem pomoćnog otpora između emitera i baze tranzistora. Tada se javlja efekat u kojem tranzistor ne prelazi u provodljivost sve dok struja diode ne dostigne vrijednost potrebnu za pad napona na otporniku.
Ova galvanska izolacija ima nekoliko prednosti:
- Širok raspon napona razdvajanja (do 0,5 kV). Ovo igra veliku ulogu u dizajnu sistema za unos informacija.
- Galvanska izolacija može raditi na visokim frekvencijama, dostižući nekoliko desetina MHz.
- Komponente takvog kruga za razmjenu imaju male ukupne dimenzije.
U nedostatku galvanske izolacije, maksimalna struja koja prolazi između krugova može biti ograničena samo malim električnim otporima. Kao rezultat toga, to dovodi do pojave izjednačujućih struja koje oštećuju elemente električnog kruga i radnika koji slučajno dodirne nezaštićenu električnu opremu.