Гальванічна розв'язка

Гальванічна розв'язка — принцип ізоляції діючих частин електричних систем для запобігання протіканню між ними електричного струму; не допускається ніякий металічний контакт.^[1][2] Енергія чи інформація може передаватися іншим шляхом: через ємнісний бар'єр, електромагнітними хвилями або оптичними, акустичними чи механічними засобами.

Трансформатор — приклад гальванічної розв'язки.

Гальванічна розв'язка використовується, коли два або більше електричних кіл повинні обмінюватися інформацією, але їхні «землі» можуть мати різні потенціали. Це є ефективним методом боротьби з небажаними паразитними сигналами, які проникають через спільні ділянки «земляного» провідника. Гальванічна розв'язка використовується також для безпеки, запобігаючи враженню людей електричним струмом.

Види розв'язок

За способом організації гальванічної розв'язки їх поділяють на:

• Трансформаторні.
• Оптоелектронні: оптопари, оптоволоконні лінії зв'язку, фотогальванічні елементи.
• Акустичні — передавання інформації відбувається через звуковий, наприклад, ультразвуковий канал.
• Радіоканали.
• Ємнісні — сигнал передається на високих частотах через розділювальні конденсатори малої ємності.
• Розв'язки на комутованих конденсаторах.
• З перетворювачами, заснованими на ефекті Холла та гігантському магнетоопорі.
• Електромеханічні, наприклад: мотор-генератори, реле.

Трансформаторна розв'язка

Гальванічна розв'язка у трансформатора. Первинна обмотка (вгорі) електрично ізольована від вторинної обмотки (внизу).

Історично перший вид розв'язок. Використовується досі як для передавання потужності, так і для передавання інформаційного сигналу. Через силові трансформатори можливо передавати дуже велику потужність, аж до сотень МВт. Для передавання інформації зазвичай використовують мініатюрні імпульсні та високочастотні трансформатори.

Іноді для електробезпеки застосовують спеціальні розділювальні силові трансформатори. Зазвичай силові трансформатори знижувальні, тобто напруга вторинних обмоток нижча від напруги первинної обмотки, тоді як розділювальні трансформатори, як правило, мають коефіцієнт трансформації 1:1. Застосування таких трансформаторів з метою електробезпеки обумовлено тим, що низьковольтні промислові та побутові мережі мають заземлення, з'єднане з «землею», з якою також електрично пов'язані, наприклад, водопровідні труби. За відсутності розділювального трансформатора пробій ізоляції ручного електроінструменту може заподіяти працівникові електротравму. Оскільки вторинна обмотка розділювального трансформатора не має електричного зв'язку із «землею», аварійне порушення ізоляції інструмента практично електробезпечне.

В автотрансформаторів первинна і вторинна обмотки суміщені, тому автотрансформатори не є пристроями гальванічного розділення і не застосовуються для гальванічної розв'язки з метою електробезпеки.

Недолік трансформаторної гальванічної розв'язки для передавання інформаційного сигналу — принципова неможливість безпосереднього передавання через трансформатор сигналів постійного струму і повільно змінних сигналів. Тому в таких розв'язках вдаються до певного виду модуляції, наприклад, частотної модуляції, завдяки чому передавання інформації відбувається за допомогою високочастотного несного сигналу. На приймальному кінці високочастотний сигнал демодулюється з відновленням переданої інформації.

Оптоелектронні та оптичні розв'язки

Принцип роботи оптоелектронної розв'язки

Гальванічна розв'язка для передавання аналогових сигналів із покращеною точністю.^[3] Якщо фотоструми фотодіодів рівні у всьому діапазоні зміни вхідного сигналу (${\displaystyle I_{\mathrm {P1} }=I_{\mathrm {P2} }}$), то нелінійність каналу компенсується.

У пристроях цього типу сигнал передається за допомогою оптичного випромінювання, їх використовують виключно для передавання інформаційних сигналів, оскільки через такі розв'язки складно і технічно недоцільно передавати велику потужність.

Нині оптичні розв'язки — найпопулярніший тип інформаційних розв'язок.

Їх дія ґрунтується на випромінюванні світла будь-яким світловипромінювачем, керованим електричним сигналом, передаванні оптичного сигналу в гальванічно ізольовану частину і зворотне перетворення випромінювання в електричний сигнал.

Як випромінювачі нині зазвичай використовують світлодіоди, а як приймачі світла — фотодіоди, фототранзистори або фототиристори. Комбінацію світлодіода та приймача випромінювання прийнято називати оптопарою або оптроном, якщо конструктивно випромінювач та приймач випромінювання скомпоновано в одному корпусі. Для передавання в оптичному каналі зазвичай застосовують інфрачервоний діапазон, оскільки енергетичні характеристики напівпровідникових приймачів та випромінювачів для цього діапазону кращі, ніж для видимого діапазону.

Перевага оптронної розв'язки в порівнянні з трансформаторною — менші габарити, дешевизна і можливість передавати сигнали, що повільно змінюються, зокрема й сигнали постійного струму.

Недолік оптичної розв'язки для передавання аналогових сигналів низьких частот — істотна нелінійність каналу під час передавання, нерівномірність коефіцієнта передавання 10—30 % у всьому діапазоні зміни сигналу. Тому для передавання аналогових сигналів, що повільно змінюються, з достатньою точністю, як і в разі трансформаторної розв'язки, застосовують модуляцію-демодуляцію.

Інший спосіб точного передавання сигналу, що повільно змінюється, через оптичний канал — компенсаційний. При цьому методі один світловипромінювач (світлодіод) засвічує два приймачі випромінювання (фотодіоди або фототранзистори), один із приймачів увімкнено у зворотний зв'язок джерела струму світлодіода, другий, гальванічно ізольований, увімкнено у зворотний зв'язок підсилювача фотодіода, як показано на малюнку. Якщо нелінійна функція передавання від світлодіода на обидва фотоприймачі однакова, то нелінійності взаємно компенсуються і гальванічна розв'язка стає з достатньою для багатьох застосувань точністю лінійною. Практично в такій структурі можна досягти поліпшення лінійності передавання в каналі до 1 %.

Конденсаторна гальванічна розв'язка

Варіант конденсаторної гальванічної розв'язки

Структурна схема інформаційної гальванічної розв'язки через пару конденсаторів. Червоною лінією зображено синфазний сигнал. М — модулятор, що перетворює вхідний сигнал на послідовності коротких імпульсів; БП — буферний підсилювач-фазорозщеплювач, що перетворює вхідний імпульсний сигнал на дві лінії, в яких фаза імпульсів відрізняється на 180 градусів; ДП — диференціальний імпульсний підсилювач; ДМ — демодулятор, що перетворює імпульсні послідовності на неперервний аналоговий сигнал.

Застосовується виключно для передавання інформаційних сигналів. Ця розв'язка може називатися гальванічною розв'язкою лише умовно, оскільки ланцюги, що гальванічно розв'язуються, з'єднані електрично через ємнісний зв'язок, імпеданс якого скінченний і падає в разі підвищення частоти різниці плаваючих потенціалів «земель» розділюваних ланцюгів.

Якщо ємність конденсаторів мала, то струми промислової частоти, що протікають через розв'язувальні конденсатори, малі. Наприклад, звичайна ємність розв'язувальних конденсаторів близько 1 пФ, і імпеданс гальванічної розв'язки для промислової частоти становить близько 3 ГОм. Електрична міцність (пробійна напруга) розв'язувальних конденсаторів може становити кілька кіловольт, тому цей тип розв'язок дозволено застосовувати в електрофізичному обладнанні для медичного обстеження та лікування пацієнтів, наприклад в електрокардіографах.

Оскільки така розв'язка принципово не передає повільно змінювані сигнали і сигнали постійного струму, то при передаванні інформаційного сигналу обов'язково застосовують певний тип модуляції.

Приклади ланцюгів гальванічної конденсаторної розв'язки наведено на малюнках. На одній схемі імпульсний сигнал передається через несиметричний конденсаторний міст із різними коефіцієнтами передавання ємнісних подільників напруги в плечах моста; на інший — інформаційний сигнал, промодульованний будь-яким методом, передається в диференціальному вигляді через два конденсатори зв'язку, з типовою ємністю близько 1 пФ.

Цей принцип гальванічного розділення застосовано в багатьох мікросхемах «підсилювачів з гальванічною розв'язкою» багатьох виробників напівпровідникових компонентів. Зазвичай у таких мікросхемах застосовують сигма-дельта-модуляцію.

Перевага конденсаторного методу гальванічної розв'язки — простота, а недолік — потреба в застосуванні модулятора-демодулятора.

Застосування

Без використання розв'язки граничний струм, що протікає між ланцюгами, обмежений лише електричними опорами, які зазвичай відносно малі. В результаті можливе протікання вирівнювальних струмів^[en] та інших струмів, здатних пошкоджувати компоненти ланцюга або вражати людей, які торкаються до обладнання, що має електричний контакт із ланцюгом. Прилад, що забезпечує розв'язку, штучно обмежує передавання енергії з одного ланцюга до іншого. Таким приладом може бути розділовий трансформатор^[en] або оптрон. В обох випадках ланцюги виявляються електрично розділеними, але між ними можливе передавання енергії або сигналів.

Див. також

• Оптрон
• Спінтроніка