Быстрое переключение и гальваническая развязка: оптоэлектронные реле ОТ IR. Гальваническая развязка. Оптронная развязка схема Гальваническая развязка перевертыш
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 оптоизолятораДатчик 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).
Гальванической развязкой или гальванической изоляцией называется общий принцип электрической (гальванической) изоляции рассматриваемой электрической цепи по отношению к другим электрическим цепям. Благодаря гальванической развязке осуществима передача энергии или сигнала от одной электрической цепи к другой электрической цепи без непосредственного электрического контакта между ними.
Гальваническая развязка позволяет обеспечить, в частности, независимость сигнальной цепи, поскольку формируется независимый контур тока сигнальной цепи относительно контуров токов других цепей, например силовой цепи, при проведении измерений и в цепях обратной связи. Такое решение полезно для обеспечения электромагнитной совместимости: повышается помехозащищенность и точность измерений. Гальваническая изоляция входа и выхода устройств зачастую улучшает их совместимость с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке.
Безусловно, гальваническая развязка обеспечивает и безопасность при работе людей с электрическим оборудованием. Это одна из мер, и изоляцию конкретной цепи необходимо всегда рассматривать в совокупности с другими мерами обеспечения электрической безопасности, такими как: защитное заземление и цепи ограничения напряжения и тока.
Для обеспечения гальванической развязки могут быть использованы различные технические решения:
индуктивная (трансформаторная) гальваническая развязка, которая применяется в и для изоляции цифровых цепей;
оптическая развязка посредством оптрона (оптопара) или оптореле, применение которой является типичным для многих современных импульсных источников питания;
емкостная гальваноразвязка, когда сигнал подается через конденсатор очень маленькой емкости;
электромеханическая развязка посредством, например, .
В настоящее время очень широкое распространение получили два варианта гальванической развязки в схемах: трансформаторный и оптоэлектронный.
Построение гальванической развязки трансформаторного типа предполагает применение магнитоиндукционного элемента (трансформатора) с сердечником или без сердечника, выходное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки которого пропорционально входному напряжению устройства. Однако, при реализации этого способа, важно учесть следующие его недостатки:
на выходной сигнал могут влиять помехи, создаваемые несущим сигналом;
частотная модуляция развязки ограничивает частоту пропускания;
большие габариты.
Развитие технологии полупроводниковых устройств в последние годы расширяет возможности построения оптоэлектронных узлов развязки, основанных на оптронах.
Принцип работы оптрона прост: светодиод излучает свет, который воспринимается фототранзистором. Так осуществляется гальваническая развязка цепей, одна из которых связана со светодиодом, а другая - с фототранзистором.
Такое решение имеет ряд достоинств: широкий диапазон напряжений развязки, вплоть до 500 вольт, что немаловажно для построения систем ввода данных, возможность работы развязки с сигналами частотой до десятков мегагерц, малые габариты компонентов.
Если не применять гальваническую развязку, то максимальный ток, протекающий между цепями, ограничивается лишь относительно небольшими электрическими сопротивлениями, что может привести в результате к протеканию выравнивающих токов, способных причинить вред как компонентам цепи, так и людям, прикасающимся к незащищенному оборудованию. Обеспечивающий развязку прибор специально ограничивает передачу энергии от одной цепи к другой.
Компания International Rectifier — разработчик и производитель силовой электроники с 1947 года — выпускает огромную номенклатуру оптореле для всевозможных применений. Наиболее популярные из них можно условно разделить на следующие группы:
- Быстродействующие (PVA, PVD, PVR);
- Общего назначения (PVT);
- Низковольтные средней мощности (PVG, PVN);
- Высоковольтные мощные (PVX).
PVA33: быстродействующее реле
для коммутации сигналов
Реле переменного тока серии PVA33 — однополюсное, нормально разомкнутое. Предназначено для общих целей коммутации аналоговых сигналов.
Принцип действия устройства — следующий (рис. 1). Напряжение, подаваемое на вход реле, вызывает протекание тока через арсенидо-галлиевый светодиод (GaAlAs), что приводит к интенсивному свечению последнего. Световой поток попадает на интегральный фотогальванический генератор (ФГГ), который создает разницу потенциалов между затвором и истоком выходного ключа, тем самым переводя последний в проводящее состояние. В качестве силовых выходных ключей применены силовые МОП-транзисторы (HEXFET — запатентованная IR технология). Таким образом достигается полная гальваническая изоляция входных цепей от выходных.
Рис. 1.
Преимущества подобного решения по сравнению с обычными электромеханическими и герконовыми реле состоит в значительном повышении срока службы и быстродействия, уменьшении потерь мощности, минимизации размеров. Эти преимущества позволяют повысить качество разрабатываемой продукции для различных применений, например, в области мультиплексирования сигналов, автоматического испытательного оборудования, систем сбора данных и других.
Уровень напряжений, который способен коммутировать реле этой серии, лежит в диапазоне от 0 до 300 В (амплитудное значение) как переменного, так и постоянного тока. При этом минимальный уровень определяется (при постоянном токе) сопротивлением канала выходных транзисторов, которое составляет в среднем около 1 Ом (максимально до 20 Ом).
Динамические характеристики устройства определяются временем включения-выключения, составляющим порядка 100 мкс. Таким образом, гарантированная частота переключений реле может достигать 500 Гц и более.
Максимальная частота коммутируемого сигнала зависит в основном от частотных характеристик применяемых транзисторов и для МОП-ключей достигает сотен килогерц. Реле поставляются в 8-выводных DIP-корпусах и доступны в двух вариантах: для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа.
PVT312: телекоммуникационное реле
общего назначения
Фотоэлектрическое реле PVT312, однополюсное, нормально разомкнутое, может быть использовано как на постоянном, так и на переменном токе.
Это твердотельное реле специально разработано для применения в телекоммуникационных системах. Реле серии PVT312L (с суффиксом «L») используют активную схему ограничения тока, что позволяет им выдерживать всплески токов переходных процессов. PVT312 выпускается в 6-контактном DIP-корпусе.
Применение: телекоммуникационные ключи, пусковые механизмы, общие схемы переключения.
Схемы подключения могут быть трех типов (рис. 2). В первом случае два ключа микросхемы подключаются последовательно. Это позволяет за счет симметрии получившийся схемы коммутировать переменное напряжение. Такая схема называется включением типа «А». Тип «В» отличается тем, что используется только один из двух ключей микросхемы. Это позволяет коммутировать больший, однако, уже только постоянный ток. В третьем варианте (тип «С») ключи подключаются параллельно, тем самым увеличивая максимально возможное значение тока.
Рис. 2.
PVG612: низковольтное реле средней
мощности для переменного тока
Фотоэлектрические реле серии PVG612 — однополярные, нормально разомкнутые твердотельные реле. Компактные устройства серии PVG612 используются для изолированного переключения токов до 1 А с напряжением от 12 до 48 В переменного или постоянного тока.
Реле этого типа интересны тем, что они способны коммутировать относительно большие (для данного типа устройств) переменные токи, при этом сохраняя скорость работы, присущую решениям на МОП-транзисторах.
PVDZ172N: низковольтное средней
мощности для постоянного тока
Реле данной серии (рис. 3), в отличие от вышеописанных, предназначены для коммутации токов только постоянной полярности силой до 1,5 А и напряжением до 60 В. Например, эти реле находят применение в управлении осветительными приборами, двигателями, нагревательными элементами и т.д.
Рис. 3.
PVDZ172N выпускаются нормально разомкнутыми в однополюсном исполнении в 8-выводных DIP-корпусах.
Остальные возможные сферы применения: аудиоаппаратура, источники питания, компьютеры и периферийные устройства.
PVX6012: для больших нагрузок
Для больших низкочастотных нагрузок компания IR предлагает фотоэлектрическое реле PVX6012 (рис. 4) (однополюсное, нормально разомкнутое). В устройстве использован выходной ключ на базе биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), что позволило получить малое падение напряжения в открытом состоянии и низкие токи потерь в закрытом при достаточно высокой скорости работы (7 мс — включение/1мс — выключение).
Рис. 4.
PVX6012 выпускается в 14-контактном DIP-корпусе, в котором, что интересно, используется всего четыре вывода — такое решение позволяет обеспечивать лучшее охлаждение устройства.
Основные сферы применения включают в себя: тестовое оборудование; промышленный контроль и автоматизацию; замену электромеханических реле; замену ртутных реле.
PVI: фотоизолятор для внешних
ключей большой мощности
Приборы этой серии не являются реле в собственном смысле слова. То есть не способны коммутировать потоки большой энергии с помощью малой. Они лишь обеспечивают гальваническую развязку входа от выхода, откуда и их название — фотоэлектрический изолятор (рис. 5).
Рис. 5.
Зачем же нужно такое «недореле»? Дело в том, что приборы серии PVI вырабатывают при получении входного сигнала электрически изолированное постоянное напряжение, которое достаточно для непосредственного управления затворами мощных MOSFET и IGBT. Фактически это оптореле, но без выходного ключа, в качестве которого разработчик может использовать подходящий для него по мощности отдельный транзистор.
PVI идеально подходят для применений, требующих высокотокового и/или высоковольтного переключения с оптической изоляцией между схемой управления и мощными схемами нагрузки.
К тому же изолятор серии PVI1050N содержит в себе два одновременно управляемых выхода, что дает возможность подключать их последовательно или параллельно для обеспечения более высокого значения тока управления (МОП) или более высокого значения напряжения управления (БТИЗ). Таким образом фактически можно получить выходной сигнал 10 В/5 мкА при последовательном включении и 5 В/10 мкА — при параллельном.
Два выхода PVI1050N могут применяться и по отдельности, при условии что разность потенциалов между выходами не превышает 1200 В (пост.) Изоляция вход-выход составляет 2500 В (действ.).
Приборы данной серии выпускаются в 8-выводных DIP-корпусах и находят применение в организации управления мощными нагрузками, преобразователях напряжения и т.п.
PVR13: двойное быстродействующее реле
Главной особенностью данной серии является наличие двух независимых реле в одном корпусе (рис. 6), каждое из которых может быть включено по типу «А», «В», или «С» (объяснение типов см. выше в описании PVT312). Максимальное напряжение коммутации 100 В (пост./перем.), ток 300 мА. В остальном данное реле по области применения и характеристикам близко к PVA33 и предназначено также для коммутации аналоговых сигналов средней частоты (до сотен килогерц).
Рис. 6.
Выпускаются в 16-контактных DIP-корпусах с выводами для монтажа в отверстия.
Основные характеристики оптоэлектронных реле IR представлены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры оптоэлектронных реле компании IR
| Характеристики | PVA33 | PVT312 | PVG612N | PVDZ172N | PVX6012 |
|---|---|---|---|---|---|
| Входные характеристики | |||||
| Минимальный ток управления, мА | 1…2 | 2 | 10 | 10 | 5 |
| Макс. ток управления для нахождения в закрытом состоянии, мА | 0,01 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,4 |
| Диапазон управляющего тока (необходимо ограничение тока!), мА | 5…25 | 2…25 | 5…25 | 5…25 | 5…25 |
| Максимальное обратное напряжение, В | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| Выходные характеристики | |||||
| Рабочий диапазон напряжения, В | 0…300 | 0…250 | 0…60 | 0…60 (пост.) | 280 (пер.)/400 (пост.) |
| Максимальный длительный ток нагрузки при 40°С, А | 0,15 | - | - | 1,5 | 1 |
| А соед. (пост или перем) | - | 0,19 | 1 | - | - |
| В соед. (пост.) | - | 0,21 | 1,5 | - | - |
| С соед. (пост.) | - | 0,32 | 2 | - | - |
| Максимальный импульсный ток, А | - | - | 2,4 | 4 | не повтор. 5 А (1 сек) |
| Сопротивление в открытом состоянии, не более, Ом | 24 | - | - | 0,25 | - |
| А соед. | - | 10 | 0,5 | - | - |
| В соед. | - | 5,5 | 0,25 | - | - |
| С соед. | - | 3 | 0,15 | - | - |
| Сопротивление в закрытом состоянии, не менее, МОм | 10000 | - | 100 | 100 | - |
| Время включения, не более. мс | 0,1 | 3 | 2 | 2 | 7 |
| Время выключения, не более, мс | 0,11 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 1 |
| Выходная емкость, не более, пФ | 6 | 50 | 130 | 150 | 50 |
| Скорость нарастания напряжения, не менее, В/мкс | 1000 | - | - | - | - |
| Прочее | |||||
| Электрическая прочность изоляции «вход-выход», В (СКВ) | 4000 | 4000 | 4000 | 4000 | 3750 |
| Сопротивление изоляции, вход-выход, 90 В пост.напр., Ом | 1012 | 1012 | 1012 | 1012 | 1012 |
| Емкость «вход-выход», пФ | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Максимальная температура пайки контактов, °С | 260 | 260 | 260 | 260 | 260 |
| Рабочая температура, °С | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 |
| Температура хранения,°С | -40…100 | -40…100 | -40…100 |
-40…100 | -40…100 |
Применение оптоэлектронных реле IR
Системы управления. В интерфейсах АСУ одной из актуальных проблем является организация связи между управляющей и коммутируемой цепью с обеспечением надежной гальванической развязки. То есть необходимо организовать передачу информации (например, сигнала исполнительному устройству) без электрического контакта. Одними из первых устройств подобного рода были электромеханические реле, в которых информация передавалась посредством магнитного поля. Однако наличие механических частей приводило к искрению контактов и низкому быстродействию таких систем.
Применение передачи сигнала через световой поток (оптоэлектронные реле) в интерфейсах АСУ (рис. 7) по сравнению с электромеханическими коммутаторами обеспечивает более высокие показатели по надежности, скорости переключения, долговечности, лучшие массогабаритные показатели; а преимущество в сравнении с электронными коммутаторами — отсутствие общей точки и взаимного влияния цепей при коммутации.
Рис. 7.
Наличие в системе управления гальванической развязки является одним из важных свойств коммутатора, т.к. позволяет создавать отдельные потоки управления, что, в свою очередь, дает возможность обеспечивать электрическую независимость информационной и исполнительной зон системы. Оптическая гальваническая развязка изолирует микроэлектронную управляющую аппаратуру от сильноточных и высоковольтных цепей периферийных исполняющих устройств, что приводит к повышению помехоустойчивости, срока службы и снижению цены такой аппаратуры.
Рис. 8.
Еще одной необходимой функцией в измерительном оборудовании является переключение режимов работы (диапазона измерений, коэффициента усиления, вида соединения и проч.), которое ранее выполнялось механически. Например, для измерения напряжения вольтметр подключается к цепи параллельно, в то время как для измерения тока необходимо последовательное соединение измерительного оборудования с цепью. В некоторых приборах для реализации такого переключения необходимо было использовать другой вход, механически переключив измерительную линию. Это довольно неудобно в случае частой смены измеряемого параметра, поэтому применение оптоэлектронных реле может эффективно решить данную проблему, значительно увеличив удобство пользования прибором.
С другой стороны, в системах сбора данных необходимость использования оптореле часто обусловлена большой вероятностью повреждения чувствительных входных цепей измерительной аппаратуры (аналогово-цифровых и частотных преобразователей). Такой нежелательный эффект может возникать, например, в связи с большой длиной проводников от первичного преобразователя до измерительного элемента, что способствует наведению электростатических помех. Кроме того, существенное влияние могут оказать как переходные процессы во время включения/выключения аппаратуры, так и ошибки в ее использовании, например, присутствие входного сигнала большой амплитуды при пропадании напряжения питания.
Все эти факторы приводят к необходимости использования гальванической развязки. Как пример можно привести реле серии PVT312L со встроенной активной схемой подавления пульсации токов, которая может быть эффективно использована в устройствах, сопряженных с длинными проводниками или работающих в сложных электромагнитных условиях (проводные системы экологического мониторинга предприятий, индустриальные измерительные преобразователи).
Телекоммуникации. Применение оптореле в области связи также является перспективным направлением. Есть несколько уникальных функций, для реализации которых можно эффективно использовать преимущества оптореле. Сюда относятся гальваническая развязка между модемом и телефонной линей для предотвращения повреждений, связанных с электростатическими (в т.ч. грозовыми) разрядами; реализации специфических функций телефонного оборудования (импульсный и тоновый набор, подключение и определение состояния линии) и т.п.
Заключение
В последние годы наблюдается тенденция к постоянному росту спроса на оптоэлектронные реле компании IR. Главными потребителями твердотельных реле являются промышленные гиганты нашей страны — приборостроительные и транспортные предприятия, крупные государственные корпорации Ростелеком, Росатом, РЖД. Производители ценят удобство и высокие технические характеристики реле компании IR для индустриального применения.
С другой стороны, постоянно растут требования к надежности радиоэлектронной аппаратуры со стороны военной и авиакосмической промышленности. Вопрос очень актуальный, который требует конкретных технических решений, которые позволят понизить отказы техники в процессе эксплуатации. Ни у кого из специалистов не вызывает сомнения, что твердотельные реле способны повысить надежность аппаратуры специального назначения.
Современная жизнь немыслима без телевидения. Во многих квартирах можно встретить по два, а иногда и по три телевизионных приемника. Особенно популярно кабельное ТВ. Но как быть если необходимо подключить несколько телевизоров к одному антенному кабелю? Естественно воспользоваться «китайским» двойником или даже тройником.
Например, таким как этот:
Именно такой двойник-разветвитель я установил на два телевизора для приема каналов кабельного телевидения. Однако качество приема оставляло желать лучшего, если каналы первого метрового диапазона показывали сносно, то каналы второго и ДМВ диапазонов принимались с сильным затуханием сигнала. Разобрав разветвитель, я обнаружил в нем небольшое ферритовое двойное колечко и несколько витков одножильного провода:
Устройство представляет собой высокочастотный трансформатор с противофазной намоткой обмоток. И по идее оно должно исключать взаимное влияние входных цепей приема ВЧ сигнала, но по факту только ослабляло его, видимо за счет того, что имелась гальваническая связь
Я решил заменить трансформатор обычными керамическими емкостями (красными флажками) номиналом в несколько пикофарад, тем самым исключить эту гальваническую связь:
Моему удивлению не было предела, оба телевизора показывали так, как будто работал только один, т.е. ни малейшего намека на взаимное влияние и отличный прием на всех диапазонах.
Емкости уместились в корпусе сплиттера:
Единственно, за что я ругаю себя - почему эта идея не пришла мне в голову раньше.
В этой статье я расскажу о том, как из старого ИБП (точнее из двух) буквально на коленке сделать простую гальваническую развязку от сети 220 V.
Надеюсь, ни для кого не является секретом, для чего нужна гальваническая развязка с сетью. Многие наверняка знают один из самых простых способов взорвать полсхемы заземлённым осциллографом. Поэтому о развязке я всерьёз задумался именно после приобретения осциллографа.
В самом простом случае развязка выглядит, как трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1. Поэтому изначально была идея взять какой-нибудь ТС-270 и перемотать. Но заниматься перемоткой не хотелось, да и лишнего трансформатора достаточной мощности под рукой не было. Но как-то на работе попался под руку старый ИБП. Примерно вот такой:
И тут пришла в голову идея сделать развязку на «перевёртышах», т.е. когда два идентичных трансформатора включаются зеркально:
Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течёт и тем лучше, но выбирать не приходилось и я использовал принцип «как есть». Решено было использовать корпус ИБП и трансформатор, который там уже установлен. У китайцев был для контроля наличия напряжения на выходе:
После того, как второй трансформатор был найден и закреплён, оставалось лишь все соединить.
В итоге имеем конечную схему, по которой соединяем трансформаторы:
Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только
И получаем примерно такую картину:
Сначала я выбросил родную плату, но, как оказалось, корпус сильно теряет жёсткость и пришлось вернуть её на место, предварительно выпаяв все детали:
Потом я врезал вольтметр:
Вторичную обмотку на 18 В я использовал для питания подсветки штатного выключателя. В качестве входного предохранителя использовал штатный многоразовый предохранитель ИБП, а для защиты выхода врезал обычный держатель предохранителя.
И, вуаля! Наша развязка в работе.
