Гальваническая развязка для чего: Развязка гальваническая

Содержание

Гальваническая развязка. Виды и задачи. Особенности

Гальваническая развязка это один из способов защитить работающий с электрическим оборудованием персонал. Такая развязка является основной мерой создания безопасности, которую необходимо рассматривать наровне с другими мерами безопасности: ограничение напряжения, заземление и зануление.

Емкостная гальваническая развязка

Такой вид развязки электрических цепей является еще одной разновидностью развязки цепей. При этом между цепями нет связи по току, земле и другим элементам.

В развязке, выполненной емкостями, для передачи данных применяется переменное электрическое поле. Между пластинами конденсаторов находится диэлектрик, который является изолятором между цепями.

Электрические параметры такой развязки определяют свойства диэлектрика, расстояние между обкладками и их размер. Достоинством емкостной гальванической изоляции является повышенная энергетическая эффективность, небольшие размеры устройства, способность передачи электроэнергии и невосприимчивость к внешним электромагнитным полям.

Это дает возможность создать экономичные и дешевые интегральные изоляторы, которые обладают устойчивостью к внешним факторам. Одним из недостатков развязки на основе конденсаторов является отсутствие дифференциального сигнала, в отличие от гальванической развязки индуктивного вида. В результате помехи и шум будут проходить вместе с рабочим сигналом.

Поэтому для нормальной работы помехи и частоту сигнала разделяют таким образом, чтобы емкость оказывала незначительное сопротивление рабочему сигналу, а для помех была бы хорошей преградой. Так же как и в трансформаторной развязке, здесь применяется кодирование сигнала с дальнейшим его детектированием.

Недостатком конденсаторной развязки можно назвать невозможность передачи данных с постоянной составляющей. Емкостная гальваноразвязка – это наиболее дешевый вариант развязки электрических цепей. Однако из-за своей малой эффективности и отсутствия защиты от помех он не нашел широкого применения.

Электромеханическая развязка

Принцип работы электромеханического варианта развязки заключается в использовании реле, которое служит для соединения электрических цепей при определенных изменениях входящих данных. Такую развязку называют релейной.

Электромагнитное реле из-за своего простого принципа работы и повышенной надежности получило широкую популярность автоматических системах и защитных схемах электроустановок. Такие реле разделяют по виду рабочего тока на реле переменного и постоянного тока.

Реле, функционирующие на постоянном токе в свою очередь разделяют на поляризованные и нейтральные. Поляризованные реле работают в зависимости от полярности сигнала управления, реагируя соответствующим образом. Работа нейтрального реле не зависит от направления тока (полярности), который протекает по обмотке.

Действие электромагнитных реле заключается в применении электромагнитных сил, образующихся в металлическом сердечнике во время протекания тока по обмотке. Элементы реле закрепляются на основании, а сверху закрываются крышкой. Над сердечником смонтирован подвижный якорь, выполненный в виде пластины, с несколькими контактами, напротив которых расположены парные стационарные контакты.

В первоначальном положении якорь притянут пружиной. При включении питания электромагнит преодолевает усилие пружины и притягивает якорь, тем самым размыкает или замыкает пары контактов, в зависимости от устройства реле.

После отключения питания пружина притягивает якорь в первоначальное положение. Некоторые исполнения реле содержат в схеме электронные компоненты в виде конденсатора, подключенного параллельно контактам для снижения помех и уменьшения искрения, а также резистора, подключенного к катушке для четкости работы реле.

Задачи гальванической изоляции

Гальваническая развязка призвана решать две основные задачи, которые в свою очередь разделяются на несколько определенных задач.

Независимость сигнальных цепей

Обеспечение независимости цепей сигналов при подключении устройств и приборов осуществляется за счет создания гальванической изоляции независимого контура сигналов относительно других цепей, которые имеются в этих устройствах и приборах.

Такая независимость способна решить множество проблем электромагнитной совместимости:

Улучшение защиты от помех.
Снижение шума в цепи сигналов.
Возрастание точности измерения.

Изолированный выход или вход с помощью гальванической развязки часто способствует качественной совместимости с различными устройствами.

В измерительных системах с несколькими каналами для сбора информации гальваническая изоляция бывает:

Групповая. Такая развязка выполняется одна одновременно на несколько каналов.
Индивидуальная. Ее называют поканальной, так как она выполняется отдельно для каждого канала.

Создание электробезопасности

С помощью гальванической развязки можно сделать безопасной работу с электрооборудованием. Такая электробезопасность будет полностью удовлетворять требованиям соответствующих действующих стандартов. Для электрооборудования при работах по управлению, измерению, а также при лабораторных работах используется ГОСТ52319 – 2005. В нем определены требования к устойчивости изоляции при испытаниях.

Следует отметить, что гальваническая изоляция является технической мерой создания электробезопасности, поэтому ее рассматривают совместно с различными защитами и блокировками.

Недостатки

Главным недостатком гальванической развязки цепи является высокий уровень помех. Однако в схемах с низкой частотой эта задача решается подключением аналоговых и цифровых фильтров.

В высокочастотных цепях емкость системы по отношению к земле и емкость между катушками трансформатора является ограничивающим фактором по отношению к преимуществам систем с гальванической развязкой. Емкость с землей можно снизить с помощью оптического кабеля и уменьшения геометрических размеров изолированной системы.

Популярной ошибкой при использовании цепей с гальванической изоляцией является неправильное понимание такого термина, как «напряжение изоляции». Если эта величина в модуле ввода равна 3000 В, это отнюдь не говорит о том, что на входы модуля можно подавать такую величину напряжения при эксплуатации.

В описаниях импортных устройств гальванической изоляции не всегда имеется толковое объяснение этому понятию. В отечественной литературе по импортным приборам и устройствам неоднозначно описывается параметр напряжения изоляции. Одни описывают напряжение, допустимое при работе изоляции длительное время (рабочее напряжение).

Другие этот параметр объясняют напряжением при испытании изоляции. При этом напряжение прикладывают к изоляции в течение определенного времени. Напряжение при испытании может в несколько раз быть выше рабочего напряжения, и служит для ускоренных методов испытаний в процессе эксплуатации. Воздействие на изоляцию, определяемое таким высоким напряжением, зависит от продолжительности тестового импульса.

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон? / Хабр

Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.

Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.

Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.

Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.

Как оно работает

Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.

Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.

Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.

Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.

Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.

Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.

Если последнее предложение вас взбудоражило..

Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде

этого

. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.

Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.

На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.

Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.

Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.

Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек.

Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.

Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.

Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.

Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.

Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.

Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.

Где оно работает

Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.

Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.

Ещё больше картинокМикросхема серии Si86xx — цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами

Микросхема серии Si860x — цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами

Микросхема серии Si88xx — цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC-контроллером

Кроме цифровых изоляторов выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.

Ещё больше картинокМикросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключа

Микросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входе

Микросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунта

Микросхема серии Si890x — изолированный АЦП

Гальваническая развязка: назначение и методы

Добавлено 17 сентября 2018 в 13:04

Сохранить или поделиться

Введение

Гальваническая развязка (изоляция), обычно называемая просто развязкой, является способом, в соответствии с которым отдельные части электрической системы могут обладать различными потенциалами земли. Двумя наиболее распространенными причинами создания развязки является безопасность от сбоев в продуктах промышленного класса, и там, где требуется проводная связь между устройствами, каждое из которых имеет собственный источник питания.

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

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Когда требуется, чтобы между двумя частями схемы с разными потенциалами земли проходил сигнал, популярным решением является оптоизолятор (оптопара). Оптоизолятор представляет собой фототранзистор, который открывается («включается»), когда внутренний светодиод находится под напряжением. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является путем прохождения сигнала, и, таким образом, изоляция между потенциалами земли не нарушается.

Рисунок 3 – Схема типового оптоизолятора

Датчик Холла

Другим методом передачи информации между электрическими системами с раздельными потенциалами земли является использование датчика, основанного на эффекте Холла. Датчик Холла детектирует индукцию неинвазивно и не требует прямого контакта с исследуемым сигналом и не нарушает изолирующий барьер. Наиболее распространенное использование проходящей индукционной информации через цепи с различными потенциалами земли – это датчики тока.

Рисунок 4 – Датчик тока, используемый для измерения тока через проводник

Заключение

Гальваническая развязка (изоляция) – это разделение электрических систем/подсистем, в которых может протекать не постоянный ток, и которые могут иметь различные потенциалы земли. Развязку можно разделить на основные категории: по питанию и по сигналу. Существует несколько способов достижения развязки, и в зависимости от требований к проекту некоторые методы могут быть предпочтительнее других.

Практический пример

Рисунок 5 – Схема проекта PoE (Power over Ethernet, питание через Ethernet) на основе контроллера TPS23753PW

На схеме выше несколько трансформаторов и оптоизолятор используются для создания импульсного источника питаний, который используется в устройствах Ethernet PD (Powered Device, питаемое устройство). Разъем J2 имеет внутренние магниты, которые изолируют всю систему от источника PoE. T1 и U2 изолируют источник питания (слева от красной линии) от стабилизированного выхода 3,3 В (справа от красной линии).

Оригинал статьи:

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка широко используется в технике. Она позволяет обеспечить защиту по питанию, входы или выходы электронной аппаратуры от воздействия источников электрического тока при аварийных ситуациях.

Преобразователь (конвертор) DC/DC с полной гальванической развязкой.

Преобразователи DC/DC (постоянного тока в постоянный ток) считаются гальванически развязанными, если между входом и выходом нет электрической связи. Суть работы таких устройств заключается в преобразовании входного постоянного напряжения в переменное и его передачи через трансформатор, на выходной выпрямитель и стабилизатор напряжения. При этом передача энергии осуществляется только через магнитное поле трансформатора. Поэтому, чтобы не происходило на входе устройства (аварийное повышение напряжения, отказ элементов схемы и т. п.), на выходе это может, в худшем случае, отразиться лишь, как пропадание или понижение напряжения. И наоборот, опасные потенциалы в выходных цепях, не могут вызвать отказ входных цепей.

Особое значение имеет гальваническая развязка в обеспечении электробезопасности в быту и на производстве. Она позволяет избежать прохождения фазного потенциала сети на землю через тело человека, в случае неисправности электроустановки.

Питание электронных устройств автомобиля через развязывающий конвертор обезопасит их от выхода из строя, в случае превышения напряжения в бортовой сети. Такие ситуации могут быть вызваны, например, отказом регулятора напряжения, отключением одной из клемм аккумулятора при заведенном двигателе и др. Например, GPS-трекер или любое другое устройство с гальванической развязкой DC/DC сможет безопасно (нет риска короткого замыкания) оставаться в рабочем состоянии на транспорте с отключаемой массой.

Гальваническая развязка, принципы и задачи

09-03-2013

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.

Принцип работы гальванической развязки

Гальванические развязки используются для защиты электропитания приборов и оборудования, улучшения качества электрического питания, передачи сигналов между электрическими сетями.

Народная энциклопедия «Википедия» определяет устройство гальванической развязки как «устройство для передачи сигналов между различными электрическими цепями, устройство для защиты работы оборудования, устройство защиты от поражения током».

При развязке электрических цепей используют следующее оборудование:

трансформаторные гальванические развязки с использованием индуктивных трансформаторов;

ёмкостные гальванические развязки с использованием конденсаторов малой ёмкости;

оптические развязки цепей с использованием пары оптического датчика и оптического приемника сигнала;

электромеханические развязки цепей с использованием электромеханических реле.

Ниже представлены изображения различных устройств гальванической развязки:

Устройство гальванической развязки TEPLOCOM GF для питания котлов отопления

Компания БАСТИОН разработала и производит на протяжении нескольких лет специальное устройство, позволяющее выполнять гальваническую развязку или сопряжение цепи питания приборов системы отопления и цепи сетевого электропитания дома. Это устройство позволяет выполнять правильное и безопасное подключение оборудования в домах, где «заземление» не предусмотрено, или качество заземления не удовлетворяет показателям технических нормативов.

Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF предназначено для улучшения показателей качества электропитания в электрических сетях без заземления и в электрических сетях с некачественным заземлением.

Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF предназначено для организации качественного и безопасного электропитания котлов отопления и других приборов систем отопления дома.

Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF может быть использовано и для улучшения питания других электрических приборов и оборудования мощностью не более 200 ВА.

TEPLOCOM GF может эксплуатироваться в закрытых помещениях и специально разработан для круглосуточного режима работы.

Устройство сопряжения TEPLOCOM GF рекомендовано мировыми лидерами газового оборудования

Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF производится в соответствии с требованиями российских нормативных документов и международных стандартов качества и безопасности электрооборудования.

Эффективность работы данного прибора была подтверждена в ходе лабораторных испытаний устройства, проведённых инженерами международных электротехнических лабораторий по заданию известных мировых производителей газового теплового оборудования. В ходе этих испытаний было показано полное соответствие требованиям по электропитанию современного газового оборудования.

Устройство гальванической трансформаторной развязки TEPLOCOM GF позволяет:

эффективно использовать тепловое оборудование при отсутствии постоянного заземления на объекте;

обеспечить безопасную эксплуатацию газового оборудования в случае аварийных ситуаций в электрической сети, включая случаи изменения фазировки внешнего электропитания;

уменьшить вероятность поражения электрическим током пользователей подключенных приборов в аварийных ситуациях.

Товары из статьи

Тех. поддержка

Бастион в соц. сетях

Канал Бастион на YouTube

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

// это копия статьи, размещенной вчера на geektimes.ru. Возможно это будет интересно и читателям электроникса.

Статья посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Кратко расскажу зачем оно нужно и как производители реализуют изоляционный барьер в современных интегральных микросхемах. Плюс бонус — гайд по гальванической развязке от SiLabs.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции именно цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.

Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.

Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.

Как оно работает

Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.

Где оно работает

Теперь о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.
Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания. Кроме того выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.

Если позволите, добавлю небольшой гайд по продукции SiLabs-а:

* Микросхемы серии Si86xx (известны также как Si84xx) — однонаправленные цифровые изоляторы

Ещё есть изоляторы малыши Si80xx в QSOP-ах. Все на 1кВ.

* Микросхемы серии Si860x (известны также как Si840x) — двунаправленные цифровые изоляторы для шины I2C и т.п.

* Микросхемы серии Si87xx — цифровые изоляторы на посадочное место оптрона

* Микросхемы серии Si88xx — со встроенным DC/DC

* Микросхемы серии Si823x — двухканальные драйверы силовых транзисторов (+ Si824x, заточенные под аудиоусилители)

* Микросхемы серии Si826x — одноканальные драйверы на посадочное место оптодрайверов

* Микросхемы серии Si8920 — гальваноразвязанные АЦП

* Микросхемы серии Si890x — изолированные усилители токового шунта

Гальваническая развязка для осциллографа. И не только … :: АвтоМотоГараж

Приобретя современный осциллограф, сразу появилось множество интересных задач по измерениям. Изначально, ещё года три назад, хотелось протестировать бензогенератор и посмотреть, что там с синусоидой, и сравнить её с формой сигнала домашней сети. В то время у нас был советский осциллограф С1-55. Но лезть осциллографом в сеть, и просто так проверять нельзя, так как корпус прибора соединён с землёй. Значит, измерения необходимо проводить через гальваническую развязку. Иначе может быть беда. В лучшем случае, из негативных последний, что-нибудь сгорит, в худшем — шарахнет (и этот результат сложно предсказуем, можно и «ласты» склеить). Сейчас у нас осциллограф другой, намного современнее. Возможно, вышеуказанные измерения данный прибор предусматривает и без гальванической развязки, но рисковать ни им, ни собой не хочется. Так вот, чтобы обезопасить себя, осциллограф и подопытные устройства в будущем, мы займёмся изготовлением гальванической развязки.

Да начала немного теории. Гальваническая развязка это передача энергии и сигналов без электрического контакта между цепями. Основная цель гальванической развязки это защита оборудования и людей от поражения электрическим током. Бывает несколько видов гальванической развязки:

Трансформаторные;

Оптические: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи;

Радио: приемники, передатчики;

Звуковые: громкоговоритель, микрофон;

Ёмкостные: через конденсатор любой ёмкости;

Механические: мотор-генератор, реле.

В данной статье мы рассмотрим изготовление развязки трансформаторного вида, его ещё называют индуктивный. Это самый надёжный и простой способ решить вопрос развязкой по питанию, так как первичная и вторичная обмотки электрически изолированы друг от друга. То есть между ними нет контакта по которому мог бы пройти электрический ток (если только это не аварийный трансформатор, где присутствует пробой изоляции и имеется межвитковое замыкание). Передача электроэнергии осуществляется только при помощи индукции. Рассмотрим какими же достоинствами и недостатками обладает данный вариант исполнения гальванической развязки.

Достоинства:

Гарантированное электрическое изолирование от сети электропитания при сохранении передачи энергии и сигналов.

Простота изготовления. В случае необходимости, что для радиолюбителя, что для профессионала не возникнет ни каких сложностей при создании подобного устройства.

Как гальваническая развязка она выполняет свои функции на все сто процентов.

Конструкция имеет достаточно надёжное исполнение и при правильной эксплуатации очень долгий срок службы.

Что из недостатков стоит отметить, и насколько они для нашей задачи будут именно недостатками:

Масса-габаритные характеристики. Если гальваническую развязку не предполагается таскать с собой, то этим параметром можно смело пренебречь.

Трансформаторная развязка может работать только с переменным напряжением. Да, это именно так, и с этим не поспоришь. В нашем случае это то, что надо. Поэтому для нас это не принципиально.

Качество и форма сигнала с выхода передаётся на вход. Тут тоже для нашего случая можно найти положительный момент. Развязав гальванически сеть и измерительную часть прибора, мы можем безопасно выполнять измерения промышленной электросети. Данный момент подробно разберём ниже или в другой статье.

Частота модуляции гальванической развязки ограничивает частоту пропускания. Этот факт для нашего применения тоже не создаёт проблем.
Так что нет тут для нашего случая недостатков.

Теперь перейдем к вариантам изготовления трансформаторной гальванической развязки. Покупку готового трансформатора или устройства намеренно не рассматриваем, так как это до банальности просто. Первый вариант изготовления. В зависимости от требуемой мощности гальванической развязки, подбираем соответствующий трансформатор. Для самоуспокоения, что мощности будет достаточно, рассчитываем параметры магнитопровода трансформатора. Расчёт можно выполнить при помощи онлайн калькулятора, перейдя по ссылке: Расчет трансформатора с броневым магнитопроводом. После рассчитываем количество витков в первичной и во вторичной обмотках. В этом же калькуляторе это с лёгкостью можно сделать. Далее наматываем обе обмотки. И в завершении, если требуется, оформляем устройство в корпус.

Второй вариант изготовления чуть проще, берётся готовый трансформатор. При помощи того же калькулятора выполняем расчёт вторичной обмотки для отдачи напряжения 220 вольт. Так же, здесь рассчитываем габаритную мощность магнитопровода. Если расчёт удовлетворяет, то удаляем вторичную обмотку и наматываем новую. В этом случае рекомендую намотать количество витков вторичной обмотки процентов на пять — восемь больше расчётного. Это на случай погрешности при вычислениях. Если что, лишнее можно будет отматать. После корректировки напряжения во вторичные обмотки, цель можно считать достигнутой.

Третий вариант изготовления гальванической развязки будет самый простой. Ничего мотать и рассчитывать (за исключением габаритной мощности) не придётся. О нём здесь расскажем в подробностях по ходу изготовления этого устройства. Для начала нам потребуется два совершенно одинаковых трансформатора. Принцип построения устройства заключается в том, что оба трансформатора включаются друг на встречу другу вторичными обмотками. Эта схема в кругах радиолюбителей именуется как перевертыши.

Трансформаторы мы добудем из блоков питания от какого-то телекоммуникационного оборудования.

Вскрываем корпуса. Один из них будет корпусом нашего устройства. Внутри блока питания кроме самого трансформатора больше ничего нет.

Замеряем габаритные характеристики магнитопровода и выполняем расчёт габаритной мощности. Мощности в этих трансформаторах достаточно, каждый может отдать 150 ватт.

Теперь демонтируем все детали и элементы. Параллельно прикидываем как лучше разместить два трансформатора в одном корпусе.

Если разместить два трансформатора на одной плоскости, то это будет неправильным решением, так как в нижних частях передней и задней панелей не получится установить разъёмы и органы управления прибором. Поэтому решено один из трансформаторов закрепить вверх ногами. Для этого вырезаем две планки и подготавливаем места для сварки.

Далее приступаем к разработке функционала устройства. Отсюда будут формироваться его передняя и задняя панели. Составляем схему устройства.

Схема готова, теперь займёмся изготовлением передней и задней панелей. Передняя панель будет сделана из отдельного элемента, который в последствии установим на прибор. В задней — сделаем два отверстия для предохранителей и ещё выточим одно прямоугольное, для установки выходного сетевого разъёма. Процесс изготовления элемента передней панели и примерка её компонентов.

Разметка передней панели.

Для охлаждения устройства с боку крышки корпуса предусмотрим большое отверстие, которое закроем специальной решёткой от вентилятора блока питания компьютера.

Вентиляционное отверстие готово. Далее в основании корпуса с передней части мы полностью вырезали металл. Оставив только маленькие уголки, за которые будет крепиться новая передняя панель. После этого мы принялись за изготовление самой передней панели.

Примеряем детали корпуса друг к другу.

Переднюю панель будем крепить при помощи четырёх втяжных заклёпок.

Вид с обратной стороны корпуса.

Как и полагается, все детали красим.

Настал момент сборки.

На заднюю панель установлены сетевые разъёмы и предохранители.

В одном месте, где крепиться трансформатор винтом, зачищаем краску для хорошего контакта с массой корпуса.

Далее вставляем в отверстия винты для крепления первого трансформатора и готовим к монтажу резиновые ножки.

Ножки устройства наклеены.

Теперь готовим к монтажу переднюю панель.

Прикладываем элемент панели к корпусу и вставляем заклёпки.

После монтажа элемента передней панели в неё устанавливаем выключатели и разъёмы.

Далее приступаем к доработке и установке китайских индикаторов. Их планируем установить два. Верхний будет показывать напряжение на выходе гальванической развязки, он будет большим. А нижний будет показывать напряжение на выходе вторичной обмотки первого трансформатора. Этот индикатор будет маленький. Для нашей конструкции применены окошки от больших дисплеев, они здесь более гармонично смотрятся. В связи с этим индикатор из оригинального корпуса нужно извлечь и установить в новое окошко.

Теперь готовим к сборке и установке нижний дисплей.

Органы управления, разъёмы и дисплеи установлены.

Далее устанавливаем первый трансформатор и осуществляем монтаж проводников от сетевого разъёма до первичной обмотки.

Следующим шагом устанавливаем второй трансформатор и монтируем цепи выходного сегмента гальванической развязки.

Для защиты вторичных обмоток необходимо предусмотреть предохранители. Для этого пришлось сделать печатную плату. Здесь будем использовать автомобильный тип предохранителей. В качестве их держателей, в плату впаяны автомобильные коннекторы.

Теперь нужно подключить нижний индикатор. Поскольку найти вольтметр переменного напряжения на малые значения не удалось, то решено было использовать вольтметр для измерения постоянно напряжения, только включив его через диодный мост.

Но не тут-то было. На этом этапе, при создании нашего устройства начались приключения. Китайский вольтметр постоянного напряжения при подключении его к диодному мосту почему-то напрочь отказывался работать. Он попросту не включался. Сложилось впечатление что вольтметр неисправен. Мы подключили его к лабораторному блоку питания, там он работает. Подключили его обратно к диодному мосту — не работает. Потом задумались, а вдруг он реагирует на то, что питание не совсем чистое и параллельно подпаяли конденсатор. Вольтметр заработал, но снова какая-то мистика. Он показывает завышенное напряжение. Должно быть 18 вольт, а он показывает 23 — 24 вольта. В общем, было еще несколько экспериментов, которые убили вольтметр. Создание устройства прервалось на месяц. Пришлось ждать, когда из китая приедет новый вольтметр. На этот раз я заказал модификацию большего размера. По габаритам ровно такой же, как и вольтметр переменного напряжения. Что самое интересное, и этот вольтметр вел себя точно так же как тот маленький. Он отказывался работать без конденсатора и также врёт на несколько вольт. Показывает больше чем в действительности. Что делать в этом случае мы так и не поняли. На этом эксперименты с подключением вольтметра прекратили, оставив разрешение данного вопроса на неопределенный срок. Пока это совсем не принципиально, главное, что он показывает наличие напряжения на клеммах и этого уже вполне достаточно. Если кто-то сталкивался с подобной ситуацией, напишите нам в чём проблема и как её разрешить?

Собрав окончательно схему и включив прибор возник неподдельный интерес, а какой течёт ток во вторичной обмотке первого трансформатора? Благо дело автомобильные коннекторы позволяют быстро извлечь предохранитель и вместо него установить щупы мультиметра.

Ток во вторичной обмотке составляет 2,7 ампера. Что не так уж и мало.

Теперь проведём замеры выходного напряжения гальванической развязки. Параллельно сравним показания индикатора прибора и мультиметра.

А теперь сравним, что показывает вольтметр, подключённый через диодный мост.

На этом можно работы завершать. Устройство почти готово.

Осталось в крышку корпуса установить декоративную решётку. Её будем крепить при помощи втяжных заклёпок.

Решётка установлена.

Готовим крепёж крышки корпуса.

Всё! Прибор собран!

В завершении этой части статьи подключим осциллограф через гальваническую развязку. Работает. Измерения мы проведём в следующей части. Также будет ещё доработка по части измерения напряжения вторичной обмотки первого трансформатора.

И ещё один момент. Вес гальванической развязки составил 7 кг 930 г. И это без кабеля питания.

Гальваническая развязка: назначение и методики

Введение

Гальваническая развязка, обычно называемая изоляцией, — это условное обозначение, при котором отдельные части электрической системы могут иметь разные потенциалы заземления. Двумя наиболее распространенными причинами создания изоляции являются безопасность от условий сбоя в продуктах промышленного уровня и необходимость проводной связи между устройствами, но каждое устройство регулирует свою мощность.

Методы изоляции питания

Трансформаторы

Наиболее распространенной формой изоляции является использование трансформатора.При проектировании схемы регулирования мощности, где требуется изоляция, изолирующая часть конструкции связана с необходимостью повышать / понижать шину напряжения и не распознается как отдельная часть системы. В случае, если необходимо изолировать всю электрическую систему (пример: многие автомобильные аттестационные испытания требуют, чтобы источники питания были изолированы от сети переменного тока), трансформатор 1: 1 может быть включен последовательно с системой для создания необходимой изоляции.

Рисунок 1: Ассортимент трансформаторов SMD

Конденсаторы

Менее распространенным методом создания изоляции является использование последовательных конденсаторов.Из-за допустимости передачи сигналов переменного тока через конденсаторы это может быть эффективным методом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем метод трансформатора, поскольку режим отказа трансформатора — обрыв, а один из режимов отказа конденсатора — короткое замыкание. Одна из целей создания гальванической развязки от сети переменного тока состоит в том, чтобы в случае отказа пользователь был защищен от функционально неограниченного источника тока.

Рисунок 2: Пример конденсаторов, используемых для создания изоляции

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Когда сигнал должен пройти между 2 потенциалами земли, популярным решением является оптоизолятор.Оптоизолятор — это светочувствительный транзистор, который включается при включении внутреннего светодиода. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, представляет собой путь прохождения сигнала и, следовательно, не нарушает изоляционный барьер между потенциалами земли.

Рисунок 3: Схема типичного оптоизолятора

Датчик эффекта Холла

Другой метод передачи информации между электрическими системами с отдельными потенциалами земли — это использование датчика Холла.Датчик на эффекте Холла обнаруживает индуктивность неинвазивным образом, не требует прямого контакта с рассматриваемым сигналом и не нарушает изоляционный барьер. Чаще всего индуктивная информация передается через различные потенциалы земли в токоизмерительных пробниках.

Рисунок 4: Токовый пробник, используемый для измерения тока через проводник

Заключение

Гальваническая развязка — это разделение электрических систем / подсистем, по которым может протекать непостоянный ток и которые могут иметь разные потенциалы заземления.Изоляцию можно разделить на основные категории: силовая и сигнальная. Существует несколько методов достижения изоляции, и в зависимости от требований проекта одни методы могут быть предпочтительнее других.

Практический пример:

Рисунок 5: Схема проекта Power over Ethernet на основе контроллера TPS23753PW

В приведенной выше схеме реализованы несколько трансформаторов и оптоизолятор для создания импульсного источника питания, который используется в устройствах Power over Ethernet PD (Powered Device).Разъем J2 имеет внутреннее магнитное поле, которое изолирует всю систему от источника PoE. T1 и U2 изолируют импульсный источник питания (левая сторона красной линии) от регулируемого выхода 3,3 В (правая сторона красной линии).

Гальваническая развязка в приложениях EV и HEV

Распространение во всем мире электрических и гибридных электромобилей (электромобилей и гибридных электромобилей), которые должны выдерживать более высокие рабочие напряжения и токи, чем автомобили с бензиновым двигателем, подчеркивает важность гальванической развязки для автомобильной конструкции.Электрификация автомобиля потребовала использования мощных устройств, в частности аккумуляторов, инверторов и систем рекуперативного торможения, чье взаимодействие с цифровыми схемами управления требует принятия соответствующих методов гальванической развязки.

Короче говоря, гальваническая развязка означает электрическое разделение между двумя цепями, которое происходит, когда сопротивление изоляции, разделяющее их, бесконечно или очень велико: между двумя цепями отсутствует электрическое соединение.

Почему гальваническая развязка?

В электромобилях и HEV, когда заземления двух отдельных цепей имеют разные электрические потенциалы, необходима гальваническая развязка для предотвращения срабатывания опасных контуров заземления, которые могут создавать шум, который может поставить под угрозу безопасность транспортного средства. Токи, протекающие в этих типах транспортных средств, могут быть смертельными для человека, поэтому важно обеспечить высочайшую степень безопасности.

Платформы EV и HEV обычно используют шину питания 48 В и оснащены высоковольтными батареями с высокой плотностью энергии, которые можно заряжать за очень короткое время.Первой мощной схемой, встречающейся в электромобиле или HEV, является бортовое зарядное устройство (OBC), используемое для подзарядки литий-ионных (литий-ионных) батарей. Зарядное устройство включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оборудованный схемой коррекции коэффициента мощности (PFC), и контролируется системой управления батареями (BMS). BMS выполняет задачу безопасного и эффективного управления процессами заряда и разряда аккумуляторных элементов, отслеживая их состояние.

Электрическая или гальваническая развязка — это состояние, при котором не происходит циркуляции постоянного тока между двумя точками с разным электрическим потенциалом.Точнее, невозможно перемещать носители заряда из одной точки в другую, в то время как электрическая энергия (или сигнал) все еще может быть обменена другими физическими явлениями, такими как электромагнитная индукция, емкостная связь или свет. Это условие эквивалентно бесконечному электрическому сопротивлению между двумя точками, даже если на практике достаточно сопротивления порядка 100 МОм.

Второе устройство питания — это преобразователь постоянного тока в постоянный, способный преобразовывать и снижать напряжение, подаваемое батареями, до значения 12 В, обычно используемого дополнительными устройствами.Также имеется один или несколько вспомогательных инверторов для управления компрессором системы кондиционирования воздуха, водяным насосом, вентиляторами и другими вспомогательными системами. Наконец, есть главный инвертор, используемый для приведения в действие электродвигателя и управления энергией, вырабатываемой рекуперативным торможением для подзарядки аккумуляторов. На все эти цепи действуют токи большой силы (десятки ампер и более) с пиковыми напряжениями, которые могут превышать 400 В.

Кроме того, схемы, которые включают в себя логическую часть (например, OBC), должны взаимодействовать с маломощными коммуникационными шинами, обычно используемыми в автомобильных приложениях, таких как Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) и FlexRay.В этих случаях гальваническая развязка выполняет двойную функцию, обеспечивая электрическую безопасность транспортного средства и защищая его бортовые маломощные электронные схемы от опасных уровней напряжения и тока.

Продукты гальванической развязки, которые могут применяться в электрических и гибридных транспортных средствах, включают изолирующие трансформаторы, оптопары (также называемые оптопарами), полупроводниковые изоляторы на основе конденсаторов и полупроводниковые изоляторы на основе трансформаторов. Изолирующие трансформаторы используют электромагнитное поле для передачи информации с одной стороны изолирующего барьера на другую.В оптопарах обычно используются светодиод и фотодиод для передачи информации в виде оптического сигнала. Чтобы получить высокую степень изоляции, между светодиодом и фотодиодом вставляется диэлектрическая лента, позволяющая устройству выдерживать очень высокие напряжения.

В изоляции на основе полупроводников в качестве изолирующего элемента используется пара дифференциальных конденсаторов или трансформатор на основе микроэлектромеханической системы (MEMS). Изоляторы на основе полупроводников имеют множество преимуществ перед оптопарами, включая большую долговечность, лучшую стабильность во времени и температуре, лучшую помехозащищенность и более высокую скорость переключения.Изоляция на основе полупроводников особенно подходит для автомобильного сектора. Использование компонентов на основе материалов с широкой запрещенной зоной (таких как нитрид галлия и карбид кремния) в автомобильных платформах требует систем изоляции, которые могут работать при более высоких температурах и выдерживать электрические помехи, возникающие при высоких частотах переключения.

В высоковольтных устройствах сопротивление изоляции является важным элементом, определяющим, можно ли безопасно эксплуатировать систему.Сопротивление изоляции необходимо периодически измерять, поскольку оно подвержено преждевременной деградации из-за высокого электрического напряжения и термической нагрузки. Следовательно, важно, чтобы система включала функцию измерения сопротивления изоляции для отслеживания деградации и принятия превентивных мер до возникновения неисправности.

Рис. 1. Блок-схема решения NXP для управления двигателем EV / HEV с инвертором мощности (Изображение: NXP Semiconductors)

Продукты

NXP Semiconductors с помощью своей эталонной платформы управления автомобильным преобразователем мощности HEV / EV предлагает комплексное решение для тяговых двигателей электромобилей и преобразователей постоянного / постоянного тока.Эталонная платформа, типичное применение которой показано на Рисунке 1, включает до четырех плат на основе многоядерных 32-битных микроконтроллеров, расширенную программную библиотеку управления двигателем и межкомпонентные кабели. Эталонная конструкция может эффективно управлять трехфазным двигателем мощностью 100 кВт от источника питания 400 В со встроенной гальванической развязкой сигналов в драйверах затвора на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT).

Одно- и двухканальные автомобильные драйверы IGBT

Infineon EiceDRIVER обеспечивают гальваническую развязку и двунаправленную передачу сигнала.По словам Infineon, эти продукты идеально подходят для основных инверторных систем в автомобильной промышленности, где эффективность, экономия места и функции мониторинга являются обязательными требованиями. EiceDRIVER обеспечивает стабильную работу в жестких условиях электромагнитной совместимости и управляет IGBT на 100/1200 В со встроенным выходным каскадом 2 А. Обнаружение напряжения насыщения коллектор-эмиттер (VCE (sat)) и активные клещи Миллера дополняют структуру этого семейства ИС драйвера IGBT.

2ED020I12FA EVALKIT компании

Infineon, показанная на рис. 2, представляет собой оценочную плату для двухканального изолированного драйвера IGBT 2ED020I12FA для IGBT на 600/1200 В.Плата позволяет разработчикам ускорить этап разработки важных автомобильных проектов, оценивая функциональные возможности, предлагаемые семейством устройств EiceDRIVER.

Рисунок 2: Оценочный комплект 2ED020I12FA (Изображение: Infineon)

Гальваническая развязка преследует две основные цели: функциональность и безопасность. С функциональной точки зрения это позволяет схемам передачи сигналов (ведущим) работать отдельно от схем сбора (ведомых), тем самым обеспечивая независимые источники опорного напряжения и предотвращая образование контуров заземления, генерирующих шум.С точки зрения безопасности он защищает цепи и людей от высоких напряжений между входными и выходными цепями, которые могут возникнуть в результате сбоев или перенапряжений атмосферного происхождения. Очевидно, что гальваническая развязка является критическим аспектом конструкции HEV / EV. ■

Следите за охватом EE Times Europe’s Power Management

Маурицио работал в области исследований гравитационных волн и в проектах космических исследований в качестве инженера-конструктора.Иногда он задается вопросом, не присылал ли нам кто-то там сообщения, которые мы не получили или не смогли расшифровать. Маурицио — инженер-электронщик и имеет докторскую степень. по физике. Маурицио любит писать и рассказывать истории о технологиях и электронике. Его основные интересы — энергетика, автомобилестроение, Интернет вещей, цифровые технологии. Маурицио в настоящее время является главным редактором Power Electronics News и европейским корреспондентом EE Times. Он также наблюдает за обсуждениями на EEWeb.com. Он написал различные технические и научные статьи, а также пару книг для Springer по сбору энергии, а также по сбору данных и системе управления.

Продолжить чтение

Типы, различия и их применение

Метод изоляции используется при разработке электронного продукта, в котором используются большие рабочие напряжения и сигналы, чтобы один сигнал не мешал другому. Изоляция играет ключевую роль в обеспечении безопасности, так как позволяет избежать неисправностей, связанных с выпускаемой в промышленности продукцией. Как правило, изоляция также известна как гальваническая изоляция.Как следует из названия, гальваника означает поток тока, генерируемый каким-то химическим действием, и когда мы изолируем ток путем размыкания контакта проводника, это называется гальванической изоляцией.

Что такое гальваническая развязка?

Определение: Гальваническая развязка используется для разделения входных и выходных источников питания устройства, чтобы обеспечить прохождение тока через поле или через электрические соединения. Это позволяет передавать мощность между двумя цепями, которые не должны быть связаны.Основная причина создания изоляции — это защита от сбоев в продуктах промышленного уровня и когда требуется проводная связь между двумя устройствами, однако каждое устройство контролирует свою мощность.

Гальваническая развязка

Используется в электронном оборудовании для устранения искажений без каких-либо проблем. В этом методе можно наблюдать и устранять окончательное замыкание на землю до того, как оно приблизится к неисправности системы. Такая изоляция может снизить риски безопасности при работе с системами.

Как работает гальваническая развязка?

Гальваническая развязка разделяет две электрические цепи, в которых нет потока электронов. Эта изоляция может выполнять физическое разделение между вводом и выводом. Добавив эту изоляцию между двумя системами, он может устранить все проблемы, связанные с перенапряжениями и заземлением. Прежде чем добавить изоляцию, две системы будут разделять две земли из-за угрозы протекания тока между ними, однако из этого у нас есть две полностью замкнутые системы заземления, исключающие прохождение тока между ними.Эта изоляция разбивает полосу земли с помощью воздушных зазоров, оптических устройств или трансформаторов. Эта изоляция позволяет передавать данные между двумя системами, но не через электрический ток.

Типы гальванической развязки

Существуют различные типы методов изоляции, и выбор правильной техники в основном зависит от типа изоляции, выдерживаемой мощности, потребностей приложения и фактора стоимости.

Методы изоляции сигнала

Методы изоляции сигнала включают оптоизоляторы и датчик Холла

Оптоизоляторы

Оптоизолятор используется всякий раз, когда сигнал является обязательным для прохождения между двумя потенциалами земли. Это светочувствительный транзистор. для активации, когда активизируется внутренний светодиод.Свет, излучаемый этим диодом, является сигнальной полосой и не разрушает изоляционную стену между потенциалами земли.

Датчик эффекта Холла

Датчики эффекта Холла позволяют индуктору передавать информацию через небольшой промежуток магнитным способом. В отличие от оптоизоляторов, они не включают источник света с фиксированным сроком службы и по сравнению с подходом на основе трансформатора, они не нуждаются в балансировке постоянного тока.

Методы силовой развязки

Методы силовой развязки включают трансформатор и конденсаторы

Трансформатор

Гальваническая развязка в трансформаторе — наиболее часто используемый тип изоляции.Трансформаторы имеют огромное применение, наиболее часто используемым является повышение и понижение напряжения. В трансформаторе нет никаких соединений между двумя обмотками, а именно первичной и вторичной, однако он может понижать напряжение от высокого до низкого переменного напряжения без потери гальванической развязки.

Конденсаторы

Основная функция конденсатора — пропускать переменный ток и блокировать постоянный ток. Эти компоненты подключают сигналы переменного тока с разными напряжениями между двумя цепями.В зависимости от условий он может быть поврежден из-за короткого замыкания. Основная цель создания этой изоляции — предотвратить возникновение неисправности от источника тока.

Гальваническая развязка в ИБП

Некоторые источники бесперебойного питания предлагают гальваническую развязку, но большинство сетевых устройств не обеспечивают эту изоляцию. Например, Unison, Exide — это онлайн-модели, поэтому они не предлагают эту изоляцию, тогда как последовательность включения режима ожидания от Oneac предлагает эту изоляцию.Итак, изоляция — это не разновидность функции ИБП, а вполне характеристика, которую можно придать любому ИБП.

Гальваническая развязка по сравнению с электрической изоляцией

Разница между гальванической изоляцией и гальванической развязкой заключается в следующем.

Гальваническая развязка	Электрическая изоляция
Этот тип изоляции разделяет две электрические цепи для устранения паразитных токов		Используемая технология защиты от коррозии	Используется электрическая изоляция. Это используется везде, где должны соединяться две другие цепи, однако их клеммы заземления могут иметь разные потенциалы.	Эта изоляция предотвращает прохождение опасных напряжений при возникновении неисправности, в противном случае компонент выходит из строя и останавливает повреждение.
Используется в генераторах энергии, контроллерах двигателей, системах распределения, измерительных системах, логических устройствах ввода / вывода и т. Д.	Используется в сварочных аппаратах, поскольку существует вероятность поражения электрическим током при прикосновении к проводу или горячему компоненту. внутри сварщика.

Применения

Применения гальванической развязки включают следующее.

Гальваническая развязка — чрезвычайно важный параметр, и его применение огромно.Он используется в промышленности, производстве товаров народного потребления, медицине и в сфере связи.
В электронной промышленности этот вид изоляции используется для генераторов электроэнергии, измерительных систем, систем распределения, логических устройств ввода-вывода и контроллеров двигателей.
В области медицины это один из основных приоритетов, используемых в медицинском оборудовании, которое может быть подключено напрямую через тела пациентов, например дефибрилляторы, эндоскопы, ЭКГ и различные типы устройств визуализации.
Используются в системах связи на уровне потребителя. Примерами являются маршрутизаторы, Ethernet, коммутаторы и многие другие. Стандартные потребительские товары, такие как SMPS, зарядные устройства, материнские платы компьютеров, являются наиболее часто используемыми устройствами с гальванической развязкой.

Часто задаваемые вопросы

1). Что такое изоляция?

Изоляция используется для предотвращения повреждения электрической цепи, когда она находится в неисправном состоянии.

2). Какие бывают виды гальванической развязки?

Это сигнал, уровень мощности и конденсаторы как изолятор

3).Какова функция изоляции сигнала?

Используется там, где две разные схемы цепей взаимодействуют друг с другом с помощью какого-либо сигнала.

4). Какова функция изоляции уровня мощности?

Эти типы изоляции необходимы для отделения маломощных устройств от мощных громких линий.

5). Каковы практические примеры гальванической развязки?

Это IC MAX14852 или MAX14854

Таким образом, это все об обзоре гальванической развязки, типов и их приложений.Вот вам вопрос, что такое гальваническая развязка в ПЛК?

Гальваническая развязка — изоляция сигналов и изоляция питания

Средняя бытовая микроволновая печь, работающая при 110/220 В переменного тока, может производить внутри нее до 2800 В, что опасно для жизни. Кроме того, он также имеет низкое напряжение переменного тока около 3,5 В для зажигания нити накала и регулируемое напряжение постоянного тока, например 5 В / 3,3 В, для работы цифровой электронной части, такой как дисплей или таймеры. Вы когда-нибудь задумывались, что мешает высокому напряжению достигать ваших пальцев через кнопки или корпус, когда вы касаетесь духовки? Ответ на ваш вопрос — «изоляция» .При разработке электронных продуктов, использующих более одного типа сигналов или более одного рабочего напряжения, изоляция используется для предотвращения искажения одного сигнала другим. Он также играет жизненно важную роль в обеспечении безопасности, предотвращая неисправности в изделиях промышленного класса. Эта изоляция обычно обозначается как Гальваническая развязка . Почему термин «гальванический»? Это потому, что гальваника представляет собой ток, возникающий в результате какого-либо химического воздействия, и поскольку мы изолируем этот ток, размыкая контакт проводника, он называется гальванической изоляцией.

Существует несколько типов методов гальванической развязки , и выбор подходящего зависит от типа изоляции, выдерживаемой мощности, требований к применению и, разумеется, от фактора стоимости. В этой статье мы узнаем о различных типах изоляции, о том, как они работают и где их использовать в наших проектах.

Типы гальванической развязки

Изоляция сигналов
Изоляция уровня мощности
Конденсаторы как изолятор

Изоляция сигналов

Изоляция уровня сигнала требуется, когда две цепи разной природы обмениваются данными друг с другом, используя какой-либо тип сигнала.Например, две схемы, использующие независимый источник питания и работающие с разными уровнями напряжения. В таких случаях для изоляции отдельного заземления двух независимых источников питания и для связи между этими двумя цепями требуется изоляция уровня сигнала.

Изоляция сигналов осуществляется с помощью изоляторов разных типов. Оптические и электромагнитные изоляторы в основном используются для изоляции сигналов. Оба этих изолятора защищают различные источники заземления от объединения вместе.Каждый изолятор имеет свой уникальный принцип работы и применение, которые обсуждаются ниже.

1. Оптические изоляторы

Оптический изолятор использует свет для связи между двумя независимыми цепями . Как правило, оптические изоляторы, также известные как оптопара, содержат два компонента внутри одного кремниевого чипа: светоизлучающий диод и фототранзистор. Светодиод управляется одной схемой, а сторона транзистора соединена с другой схемой.Следовательно, светодиод и транзистор электрически не связаны. Связь осуществляется только светом, оптически.

Рассмотрим изображение выше. Популярный оптоизолятор PC817 изолирует две независимые цепи. Цепь 1 — это источник питания с переключателем, цепь 2 — это выход логического уровня, подключенный к другому источнику питания 5 В. Логическое состояние контролируется левой схемой. Когда переключатель замыкается, светодиод внутри оптопары загорается и включает транзистор.Логическое состояние будет изменено с Высокого на Низкое.

Цепь 1 и цепь 2 изолированы с помощью указанной выше цепи. Гальваническая развязка очень полезна для вышеуказанной схемы. Есть несколько ситуаций, когда высокопотенциальный шум заземления индуцируется в низкопотенциальном заземлении и создает контур заземления, который в дальнейшем ответственен за неточные измерения. Как и в случае с PC817, существует множество типов оптопар для различных приложений.

2.Изоляторы электромагнитные

Оптоизоляторы используются для изоляции сигналов постоянного тока , но электромагнитные изоляторы, такие как небольшие сигнальные трансформаторы , используются для изоляции сигналов переменного тока . Трансформаторы, такие как аудиотрансформатор, имеют изолированную первичную и вторичную стороны, которые могут использоваться для различной изоляции аудиосигнала . Другое наиболее частое использование — в сетевом оборудовании или в секции Ethernet. Импульсные трансформаторы используются для изоляции внешней проводки с внутренним оборудованием.Даже в телефонных линиях используются трансформаторные изоляторы сигналов. Но, поскольку трансформаторы изолированы электромагнитно, он работает только с переменным током.

На изображении выше представлена внутренняя схема разъема RJ45 со встроенным импульсным трансформатором для изоляции части микроконтроллера от выхода.

Изоляция уровня мощности

Изоляция уровня мощности

требуется для изоляции устройств , чувствительных к малой мощности, от линий с высоким уровнем шума или наоборот.Кроме того, изоляция уровня мощности обеспечивает надлежащую безопасность от опасных линейных напряжений , изолируя линии высокого напряжения от оператора и других частей системы.

1. Трансформатор

Популярный изолятор уровня мощности снова является трансформатором. Трансформаторы находят огромное применение, чаще всего они используются для обеспечения низкого напряжения от источника высокого напряжения. Трансформатор не имеет соединений между первичной и вторичной обмотками, но может понижать напряжение с высокого переменного до низкого напряжения без потери гальванической развязки.

На изображении выше показан понижающий трансформатор в действии, где вход первичной стороны подключен к настенной розетке, а вторичный подключен через резистивную нагрузку. Соответствующий изолирующий трансформатор имеет соотношение витков 1: 1 и не изменяет уровень напряжения или тока с обеих сторон. Единственная цель изолирующего трансформатора — обеспечить изоляцию.

2. Реле

Relay — популярный изолятор с огромным применением в области электроники и электротехники.На рынке электроники доступно множество различных типов реле в зависимости от области применения. Популярными типами являются электромагнитные реле и твердотельные реле.

Электромагнитное реле работает с электромагнитными и механически подвижными частями, часто называемыми полюсами. Он содержит электромагнит, который перемещает полюс и замыкает цепь. Реле создает изоляцию, когда цепи высокого напряжения должны управляться от цепи низкого напряжения или наоборот. В такой ситуации обе цепи изолированы, но одна цепь может активировать реле для управления другим.

На изображении выше две схемы электрически независимы друг от друга. Но с помощью переключателя на контуре 1 пользователь может контролировать состояние нагрузки контура 2. Узнайте больше о том, как реле можно использовать в контуре.

Между твердотельным реле и электромеханическим реле не так много разницы в работе. Твердотельные реле работают точно так же, но электромеханическая часть заменена диодом с оптическим управлением.Гальваническую развязку можно создать из-за отсутствия прямого соединения между входом и выходом твердотельных реле.

3. Датчики на эффекте Холла

Излишне говорить, что измерение тока является частью электротехники и электроники. Доступны различные типы методов измерения тока. Часто измерения требуются для цепей высокого напряжения и высокого тока, и считанное значение должно быть отправлено в схему низкого напряжения, которая является частью схемы измерения.Кроме того, с точки зрения пользователя, инвазивные измерения опасны и невозможны. Датчики на эффекте Холла обеспечивают точное бесконтактное измерение тока и помогают измерять ток, протекающий через проводник, неинвазивным способом. Он обеспечивает надлежащую изоляцию и безопасность от опасного электричества. Датчик на эффекте Холла использует электромагнитное поле, генерируемое поперек проводника, для оценки тока, протекающего по нему.

Кольцо с сердечником навешивается на проводник неинвазивным образом и электрически изолировано, как показано на рисунке выше.

Конденсаторы как изолятор

Наименее популярный метод изоляции цепей — использование конденсаторов. Из-за неэффективности и опасных последствий отказов это больше не является предпочтительным, но мы все еще знаем, что это может пригодиться, когда вы хотите построить грубый изолятор. Конденсаторы блокируют постоянный ток и позволяют пропускать высокочастотный сигнал переменного тока. Благодаря этому превосходному свойству конденсатор используется в качестве изоляторов в конструкциях, где необходимо блокировать постоянные токи двух цепей, но при этом обеспечивать передачу данных.

На изображении выше показаны конденсаторы, используемые для изоляции. Передатчик и приемник изолированы, но передача данных возможна.

Гальваническая развязка — приложения

Гальваническая развязка очень важна и область применения огромна. Это важный параметр в потребительских товарах, а также в промышленном, медицинском и коммуникационном секторах. На рынке промышленной электроники гальваническая развязка требуется для систем распределения питания, генераторов энергии, измерительных систем, контроллеров двигателей, логических устройств ввода-вывода и т. Д.

В медицинском секторе изоляция является одним из основных приоритетов оборудования, поскольку медицинские устройства могут быть напрямую связаны с телом пациента. К таким устройствам относятся ЭКГ, эндоскопы, дефибрилляторы, различные устройства воображения. В системах связи на уровне потребителя также используется гальваническая развязка. Одним из распространенных примеров является Ethernet, маршрутизаторы, коммутаторы, телефонные коммутаторы и т. Д. Обычные потребительские товары, такие как зарядные устройства, SMPS, материнские платы компьютеров, являются наиболее распространенными продуктами, в которых используется гальваническая развязка.

Практический пример гальванической развязки

Схема ниже представляет собой типичную схему применения гальванически изолированной полнодуплексной ИС MAX14852 (для скорости связи 500 кбит / с) или MAX14854 (для скорости связи 25 Мбит / с) на линии связи RS-485 с блоком микроконтроллера. ИС производится популярной компанией-производителем полупроводников Maxim Integrated.

Этот пример — один из лучших примеров гальванической развязки промышленного оборудования.RS-485 — широко используемый традиционный протокол связи, используемый в промышленном оборудовании. Популярным использованием RS-485 является использование протокола MODBUS через сегмент TTL.

Предположим, высоковольтный трансформатор переменного тока предоставляет данные датчиков, которые установлены внутри трансформатора по протоколу RS-485. Необходимо подключить устройство ПЛК к порту RS-485 для сбора данных с трансформатора. Но проблема в прямой линии связи. ПЛК использует очень низкий уровень напряжения и очень чувствителен к сильным электростатическим разрядам или скачкам напряжения.Если используется прямое соединение, ПЛК может подвергаться высокому риску и должен быть гальванически изолирован.

Эти ИС очень полезны для защиты ПЛК от электростатического разряда или скачков напряжения.

Согласно таблице данных, обе ИС имеют выдерживаемую мощность +/- 35 кВ ESD и 2,75 кВ среднеквадратичного значения выдерживают напряжение изоляции до 60 секунд. Не только это, но и эти микросхемы также подтверждают рабочее напряжение изоляции 445 В среднеквадр., Что делает его подходящим изолятором для использования в оборудовании промышленной автоматизации.

Почему гальваническая развязка

Можно ли защитить производственный процесс на уровне сбора полевых данных? Да, если используются методы гальванической развязки.

Благодаря гальванической развязке можно исключить основные формы помех и риск отказа электрической цепи, когда сигнал от датчика принимается блоком управления как во взрывоопасных, так и во взрывоопасных зонах. Гальваническая развязка (названная в честь итальянского физика Луиджи Гальвани) — один из наиболее важных методов преобразования сигналов, который является экономически эффективным и простым в реализации. Это метод, который направлен на решение проблем при реализации общего интерфейса между датчиками и блоками управления, когда выходные сигналы от датчиков различаются по своей природе (например,г. ток, напряжение, сопротивление и т. д.), уровень или тип (например, постоянный, переменный или импульсный ток). В частности, гальваническая развязка позволяет сигналу проходить от источника к измерительному устройству через трансформаторы, оптоизоляторы или конденсаторы.

Гальваническая развязка также позволяет изолировать цепь низкого напряжения от электрической сети (в том числе между двумя или более цепями, в которых нет прямой проводящей цепи) и изолировать питание от блока управления, тем самым предотвращая пики высокого напряжения. и высокое синфазное напряжение, которое может вывести из строя электронные схемы, тем самым защищая как пользователей, так и устройства измерения и управления.Изоляторы позволяют устранить шумы, вызванные общими точками цепей с разным потенциалом, при этом измерения изолированы от обработки сигналов.

Гальваническая развязка и заземление

Гальваническая развязка также необходима для устранения контуров заземления, вызванных общими заземлениями. В измерительной цепи КИП одиночное заземление обычно не вызывает каких-либо проблем, но все усложняется при наличии нескольких заземляющих подключений.

Каждая петля связана с разным потенциалом. Эта разница потенциалов создает токи между заземляющими опорами, которые добавляются к сигналам. Использование гальванического изолятора устраняет этот вид шума, разъединяет измерительные цепи и поддерживает целостность устройства и системы. Следует отметить, что под общей «землей» мы подразумеваем опорные узлы, в которых измеряются напряжения других узлов схемы.

В установках эти узлы обычно заземляются из соображений безопасности, чтобы не допустить колебания напряжения, т.е.е. чтобы закрепить напряжение на земле. Без заземления потенциал узла может достигать опасно высоких значений (т. Е. Сотен вольт). В системе сбора данных, связанной с промышленным процессом, нормально найти полевое заземление (на датчиках и исполнительных механизмах) и заземление в цепях сбора данных.

Оба этих узла заземлены локально, но земля не является эквипотенциальной поверхностью, и заземляющие соединения могут частично совпадать с высокими уровнями посторонних токов.Следовательно, вы получаете соединение между узлами посредством заземления, в то время как наземные узлы обычно имеют другой потенциал. Вот почему использование гальванической развязки является важной практикой безопасности, которую легко реализовать и которая обеспечивает высокий уровень возврата инвестиций.

Важно отметить, что гальванические изоляторы, как правило, являются многофункциональными устройствами, которые, помимо развязки цепей датчиков, также обеспечивают функции согласования сигналов, такие как (пассивное или активное) сглаживание, усиление, ослабление, согласование импеданса, нормализация измерений (в текущем , напряжение, сопротивление или частота), возбуждение с помощью измерений термометром сопротивления, термопарой, термистором, экстензометром, акселерометром и т. д.Изоляторы могут быть расположены в электрических блоках управления, в датчиках, исполнительных механизмах и контроллерах, интегрированы в платы аналого-цифрового преобразования или полевые шины, а также в системы мультиплексирования.

Ассортимент продукции GMI

г. International имеет каталог десятков моделей гальванических изоляторов, которые соответствуют стандартам IEC 61508 и IEC 61511 как в версиях искробезопасности (IS) для приложений SIL2 (серии D1000 и D5000), так и в версиях без искробезопасности для приложений SIL3 (серия D6000). .Наши изоляторы D1000, D5000 и D6000 обеспечивают высокий уровень точности и повторяемости при передаче сигналов. Они также разработаны с использованием передовых схем, которые обеспечивают низкий уровень рассеивания тепла, тем самым гарантируя, что модули остаются холодными, несмотря на их высокую плотность и функциональность. Технология поверхностного монтажа (SMT) увеличивает срок службы и надежность наших устройств. Полное отсутствие электролитических конденсаторов продлевает срок службы наших модулей до 20 лет.

В чем разница между гальваническим изолятором и изолирующим трансформатором?

Если у вас есть береговое питание на лодке и вы используете его в марине для зарядки аккумуляторов, то эта статья для вас.Для защиты от разрушительного воздействия гальванической коррозии между вашей лодкой, лодкой вашего соседа и пристанью вам потребуется некоторый метод «изоляции» вашей лодки. Из двух вариантов гальванические изоляторы недороги и просты в установке, но могут выйти из строя, что потребует регулярной проверки. Изолирующие трансформаторы намного дороже и очень тяжелые, но почти никогда не выходят из строя. Давайте посмотрим на оба.

Наиболее распространенным методом является установка гальванического изолятора на защитное заземление берегового источника питания.Это предотвратит прохождение всех токов постоянного тока низкого напряжения по проводу защитного заземления берегового источника питания. Основа гальванического изолятора — это просто четыре диода и конденсатор. Устройство блокирует потенциал до 1,2 В постоянного тока между землей берегового источника питания и землей моря. Раньше эти устройства приходилось тестировать вручную, чтобы никогда нельзя было быть уверенным, что они работают. ABYC недавно представила новый стандарт, согласно которому гальванические изоляторы включают в себя монитор, к сожалению, это привело к увеличению цены.

Изолирующие трансформаторы

блокируют все перепады напряжения постоянного тока. Кроме того, они обеспечивают дополнительную защиту бортовых электрических и электронных систем.

Плюсы и минусы?

Гальванические изоляторы защищают только до 1,2 В постоянного тока, и есть вероятность, что оно может быть выше, что приведет к коррозии, даже если у вас правильно установлен гальванический изолятор. Они не всегда выдерживают срабатывания выключателя, и активные мониторы должны соответствовать стандарту ABYC.Как профессионал, он меньше весит и стоит меньше.

Изолирующие трансформаторы

блокируют все перепады постоянного напряжения между береговой сетью и морской землей в целях коррозии, позволяют отключать все выключатели без повреждения трансформатора и защищают от паразитных токов переменного тока в целях коррозии.

Методы гальванической развязки для систем электромобилей

Высокие напряжения и токи, циркулирующие в электромобилях, делают основы методов гальванической развязки важной темой.

Росс Саболчик , Silicon Labs

Автомобильные конструкции

AS движутся в сторону электрификации, мощная силовая электроника становится критически важной для новых электронных трансмиссий и аккумуляторных систем. В этих приложениях цифровые контроллеры безопасно взаимодействуют с высоковольтными системами современных электромобилей благодаря гальванической развязке. Гальваническая развязка имеет решающее значение для работы этих цепей, поэтому может быть полезно рассмотреть основы гальванической развязки и способы ее реализации в современной автомобильной электронике.

Блок-схема типичной бортовой системы зарядного устройства, включая компоненты гальванической развязки.

Гальваническая развязка означает средство предотвращения прохождения тока между двумя частями электрической системы. Ключевой особенностью гальванической развязки по сравнению с омической изоляцией является отсутствие прямого проводящего пути между двумя цепями. Другими словами, выходная силовая цепь электрически и физически изолирована от входной силовой цепи. Но гальваническая развязка по-прежнему позволяет обмениваться энергией или информацией между двумя секциями другими способами.

Типичные подсистемы, из которых состоит электромобиль.

Есть две основные причины, по которым может потребоваться гальваническая развязка. Во-первых, электрические заземления двух электрических систем могут иметь разные потенциалы. При отсутствии гальванической развязки между двумя блоками, имеющими общий провод заземления, может протекать ток контура заземления. Токи контура заземления представляют собой электрические помехи, которые могут мешать работе любой цепи. Более того, если разность потенциалов заземления достаточно велика, результирующий ток контура заземления может представлять угрозу безопасности.

Таким образом, вторая причина гальванической развязки — безопасная работа. Безопасность — основная причина, по которой в автомобильной электронике требуется гальваническая развязка. Для электромобилей и мягких гибридных электромобилей (HEV) характерны высоковольтные цепи, несущие смертельные токи. Высоковольтные секции находятся под управлением цифровой электроники, использующей токи миллиамперного уровня. Гальваническая развязка, по сравнению с другими типами изоляции, является более надежным способом предотвращения повреждения силовых каскадов неисправностями управляющей электроники, которая их обслуживает.

Цепи высокого напряжения в электромобилях

Полезно рассмотреть цепи большой мощности, используемые в электромобилях и HEV. В обоих типах автомобилей обычно используются 48-вольтовые системы и аккумуляторы с высокой плотностью накопления энергии и способностью заряжаться за минуты, а не за часы. Кроме того, система управления батареями и связанная с ними система преобразования энергии должны быть небольшими и легкими, и они должны «поглощать» ток батареи. Современные конструкции EV / HEV используют модульные компоненты в трансмиссии и системах хранения / преобразования энергии.Системы управления батареями EV / HEV обычно включают пять основных схемных узлов:

Как твердотельная гальваническая развязка может работать в интерфейсе связи для системы управления батареями. Домен высокого напряжения — это сторона с аккумулятором. Область низкого напряжения — это сторона с трансивером CAN. В этом примере основное внимание уделяется интерфейсу шины CAN. Реальные системы обычно включают дополнительную изоляцию между микроконтроллером и аккумулятором.

Бортовое зарядное устройство (OBC): литий-ионные батареи заряжаются бортовым зарядным устройством, состоящим из преобразователя переменного тока в постоянный с коррекцией коэффициента мощности, которая контролируется системой управления батареями.

Система управления батареями (BMS): BMS контролирует и обрабатывает зарядку и разрядку аккумуляторных элементов для обеспечения высокой эффективности и безопасности. В частности, BMS контролирует зарядку, состояние здоровья, глубину разряда и кондиционирование отдельных аккумуляторных ячеек.

Как различные устройства цифровой развязки могут работать в упрощенной системе управления тяговым электродвигателем. Преобразователь постоянного / постоянного тока

: преобразователь постоянного / постоянного тока подключает высоковольтную батарею к внутренней 12-вольтной сети постоянного тока, которая также питает аксессуары и обеспечивает смещение для локальных переключающих преобразователей.

Главный инвертор: Главный инвертор приводит в действие электродвигатель, а также используется для рекуперативного торможения и возврата неиспользованной энергии в аккумулятор.

Высокоэффективная изоляция защищает цифровые контроллеры автомобиля от напряжений, которые могут быть значительно выше 300 В. Высоковольтные подсистемы, такие как OBC, обычно управляются по шине CAN, которая также должна быть изолирована.

Контроллеры низкого напряжения в электромобиле обмениваются данными с подсистемами высокого напряжения через соединения, которые часто являются шумными из-за близости к высоким токам и электрическому переключению.Кроме того, низковольтные контроллеры должны оставаться изолированными от высоковольтных силовых транзисторов, которыми они управляют, а также измерять токи или напряжения в других высоковольтных частях системы. Системы за пределами электромобиля, такие как электрические зарядные батареи, имеют аналогичные системные требования и потребности в изоляции.

Компоненты изоляции, часто используемые для обеспечения связи и управления в системах электромобилей.

В электромобилях можно использовать несколько типов технологии изоляции, включая изолирующие трансформаторы, оптопары, полупроводниковые изоляторы на основе конденсаторов и полупроводниковые изоляторы на основе трансформаторов.Изолирующие трансформаторы используют магнитные поля для связи через изолирующий барьер с диэлектрической изоляцией между обмотками и магнитным сердечником, обеспечивающим изолирующий барьер. Оптопары используют светодиод и оптодетектор для связи через изолирующий барьер. Воздушный зазор между светодиодом и фотодетектором обычно недостаточно широк, чтобы выдерживать требуемые напряжения изоляции. В результате между устройствами в оптроне вставляется диэлектрическая лента для повышения уровня изоляции.

В развязке на основе полупроводников в качестве изолирующего компонента используется пара дифференциальных конденсаторов или трансформатор на основе MEMS. В этих устройствах сигнал модулируется через барьер для передачи информации. В изоляторах на основе конденсаторов в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния. Слой полиимида используется в трансформаторных системах. Изолирующий канал состоит из передатчика и приемника, разделенных этим изолирующим барьером на основе полупроводников. Модуляция может быть основана на РЧ несущей с двухпозиционной манипуляцией или на схеме обнаружения на основе границ.Приемник содержит демодулятор, который декодирует состояние входа в соответствии с его содержанием РЧ энергии.

Схема включения / выключения RF обеспечивает превосходную помехозащищенность по сравнению со схемами на основе границ, но с компромиссом в виде более высокого энергопотребления. По сравнению с оптопарами изоляторы на основе полупроводников имеют множество преимуществ, включая более длительный срок службы, значительно лучшую устойчивость к температуре и старению, более быстрое переключение и гораздо более высокую помехоустойчивость.

Изоляция на основе полупроводников

особенно полезна, поскольку поставщики автомобилей ориентируются на мощные транзисторы с широкой запрещенной зоной на основе нитрида галлия (GaN) или карбида кремния (SiC).В системах на основе GaN или SiC часто используются более высокие скорости переключения для уменьшения размера системного магнетизма, что может привести к значительно более высокому электрическому шуму. Полупроводниковая изоляция может справиться с этими более высокими скоростями и более шумной средой.

Уменьшение размеров и рост удельной мощности автомобильной электроники приведет к повышению рабочих температур, что может вызвать нагрузку на оптопары и снизить их производительность. Изоляция на основе полупроводников имеет значительно лучшую надежность в этих более высоких диапазонах температур, что делает их хорошим выбором для конструкций электромобилей.

Внутри OBC и BMS

Может быть полезно рассмотреть приложения в электронике EV и HEV, где может быть полезна гальваническая развязка на основе радиочастотных технологий. Одна из областей — это система OBC, отвечающая за преобразование стандартного зарядного источника переменного тока в постоянное напряжение, которое заряжает аккумуляторную батарею транспортного средства. Кроме того, OBC выполняет другие ключевые функции, такие как мониторинг напряжения и защита.

Система OBC принимает входной источник переменного тока, преобразует его в высоковольтное напряжение на шине постоянного тока с помощью двухполупериодного выпрямителя и обеспечивает коррекцию коэффициента мощности (PFC).Результирующий сигнал постоянного тока преобразуется в переключаемую прямоугольную волну, которая приводит в действие трансформатор для создания необходимого выходного постоянного напряжения. Прерывание входного сигнала происходит с помощью драйверов с изолированным затвором, таких как устройство Si8239x от Silicon Labs.

Выходное напряжение может быть отфильтровано до конечного постоянного напряжения с помощью полевых синхроимпульсов (FET) под управлением драйверов с изолированным затвором. Выходное напряжение можно контролировать для обеспечения обратной связи с контроллером системы с помощью изолированных аналоговых датчиков, таких как устройство Si892x от Silicon Labs.

Вся система может контролироваться и управляться через изолированную шину CAN. Шина CAN изолирована цифровыми изоляторами со встроенными преобразователями постоянного / постоянного тока, такими как изоляторы Si86xx и Si88xx от Silicon Labs.

Обзор упрощенной системы BMS также подчеркивает важность изоляции сигнала и мощности. В большинстве подсистем электромобилей шина CAN изолирована от высоких напряжений в этой подсистеме посредством цифровой развязки. Современная цифровая изоляция требует источника питания с обеих сторон изолятора (область высокого напряжения и область низкого напряжения).Этот источник питания также можно использовать для питания других устройств, подключенных к разъединителю, например, приемопередатчика шины CAN.

Изоляция в системах тяговых электродвигателей

В системе привода тягового двигателя работают несколько критически важных изолированных компонентов. Тяговым двигателем в большинстве электромобилей будет асинхронный двигатель переменного тока. Для управления двигателем контроллер тягового двигателя должен синтезировать переменную форму волны переменного тока из высоковольтной шины постоянного тока от аккумуляторной батареи.

Для этих систем требуются изолированные драйверы между контроллером двигателя и силовыми транзисторами.Изоляция позволяет низковольтному контроллеру безопасно переключать мощные транзисторы для создания сигнала переменного тока. Кроме того, вероятно, существует изолированная шина CAN в системе управления двигателем и какой-либо метод измерения тока, подаваемого на двигатель, для контроля и управления скоростью и крутящим моментом.

Автомобильная электроника должна соответствовать более строгим стандартам тестирования и качества, чем промышленные устройства. Большинство заказчиков автомобильной промышленности требуют более строгой квалификации AECQ-100, соответствия требованиям аудита ISO / TS16949, расширенного диапазона рабочих температур (от -40 до + 125 ° C) и чрезвычайно низкого уровня брака.

Эти повышенные требования означают, что поставщики автомобильной электроники должны предпринимать дополнительные шаги для обеспечения соответствия своих компонентов. Требуется дополнительный контроль качества на вафельном производстве, упаковке устройства и окончательной сборке. Настоящие автомобильные устройства должны поддерживаться системами качества и документации, такими как Процесс утверждения производства деталей (PPAP), Международные системы данных о материалах (IMDS) и Китайские автомобильные системы данных о материалах (CAMDS).

В целом, постоянно увеличивающаяся плотность мощности в подсистемах электромобилей создает сложные условия теплового и электрического шума.Изоляция на основе полупроводников имеет значительные преимущества по сравнению с традиционными оптопарами. Клиенты из автомобильной отрасли требуют более высоких рабочих температур, более высокого качества и более строгой документации и систем, чем промышленные клиенты. Поставщики электроники, которые могут удовлетворить все эти требования, готовы оседлать грядущую волну электромобилей.

Гальваническая развязка. Виды и задачи. Особенности

Емкостная гальваническая развязка

Такой вид развязки электрических цепей является еще одной разновидностью развязки цепей. При этом между цепями нет связи по току, земле и другим элементам.

Такая независимость способна решить множество проблем электромагнитной совместимости:

В измерительных системах с несколькими каналами для сбора информации гальваническая изоляция бывает:

Похожие темы:

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон? / Хабр

Зачем оно нужно

Как оно работает

Где оно работает

Гальваническая развязка: назначение и методы

Введение

Методы развязки по питанию

Трансформаторы

Конденсаторы

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Датчик Холла

Заключение

Практический пример

Теги

Гальваническая развязка

Преобразователь (конвертор) DC/DC с полной гальванической развязкой.

Гальваническая развязка, принципы и задачи

Принцип работы гальванической развязки

Устройство гальванической развязки TEPLOCOM GF для питания котлов отопления

Устройство сопряжения TEPLOCOM GF рекомендовано мировыми лидерами газового оборудования

Устройство гальванической трансформаторной развязки TEPLOCOM GF позволяет:

Читайте также по теме:

Товары из статьи

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

Зачем оно нужно

Как оно работает

Где оно работает

Гальваническая развязка для осциллографа. И не только … :: АвтоМотоГараж

Гальваническая развязка: назначение и методики

Введение

Методы изоляции питания

Трансформаторы

Конденсаторы

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Датчик эффекта Холла

Заключение

Практический пример:

Гальваническая развязка в приложениях EV и HEV

Почему гальваническая развязка?

Продукты

Продолжить чтение

Типы, различия и их применение

Что такое гальваническая развязка?

Как работает гальваническая развязка?

Типы гальванической развязки

Методы изоляции сигнала

Методы силовой развязки

Гальваническая развязка в ИБП

Гальваническая развязка по сравнению с электрической изоляцией

Применения

Часто задаваемые вопросы

Гальваническая развязка — изоляция сигналов и изоляция питания

Почему гальваническая развязка

В чем разница между гальваническим изолятором и изолирующим трансформатором?

Плюсы и минусы?

Методы гальванической развязки для систем электромобилей

Цепи высокого напряжения в электромобилях

Внутри OBC и BMS

Изоляция в системах тяговых электродвигателей

alexxlab

Вам также может понравиться

Как установить на телевизионный кабель штекер: Как правильно подключить телевизионный кабель к штекеру

Акб из чего состоит: Принцип работы аккумуляторной батареи

Ключ на транзисторе: Транзисторный ключ ⋆ diodov.net

Добавить комментарий Отменить ответ