Электрификация

Справочник домашнего мастера

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?


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.
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.

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 картинок Микросхема 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 картинок Микросхема 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

Особенности питания светодиодов: гальваническая развязка, ККМ и многое другое

14 июня 2011

При разработке светодиодного светильника разработчику приходится решать комплекс различных задач, часто противоречивых, связанных с получением необходимого светового потока, формированием требуемой кривой силы света (КСС), обеспечением теплового режима, обеспечением требований по электромагнитной совместимости, электробезопасности и т.п. Критерием выбора того или иного решения, как правило, является отношение цена/качество.

Практически все основные характеристики светильника зависят от источника питания (ИП). Рассмотрим некоторые из них.

Светотехнические. В первую очередь определяются источником света — светодиодом, но также будут зависеть от того, какой ток пойдет через источник света: будет ли он пульсировать или меняться в каких-либо пределах по тем или иным причинам. От этого будут зависеть световой поток, пульсации светового потока и цветовая температура светодиода, а следовательно — и светильника. Значением и качеством выходного тока источник питания оказывает непосредственное влияние на большинство светотехнических характеристик.

Надежность. В настоящее время технология изготовления светодиодов достигла такого уровня, что производители светодиодов указывают срок службы до 100000 часов (при определенных условиях). Источник питания, который разрабатывается для светодиодного светильника, должен иметь аналогичную надежность для соответствия заявленному сроку службы.

Энергоэффективность. Светодиоды относятся к энергосберегающим технологиям. При этом полупроводниковое освещение имеет пока что достаточно высокую потребительскую стоимость. Экономя на преобразовании электроэнергии, используя источники питания с более высоким КПД, можно повысить общую эффективность системы и снизить тем самым «стоимость света».

Электробезопасность. Источник питания является первичным и единственным устройством, которое подключается к сети 220 В/50 Гц. От того, как он будет выполнен, в первую очередь будет зависеть электробезопасность всего устройства в целом, в штатном и нештатном режимах работы.

Электромагнитная совместимость (ЭМС). В светильнике единственным преобразователем электрической энергии, способным влиять на электромагнитную обстановку, является импульсный источник питания. Поэтому от того, как он будет сконструирован, будет зависеть общая ЭМС готового изделия в целом.

Кроме того, источник питания должен соответствовать условиям эксплуатации светильника, для которого он разрабатывается (температурный диапазон, класс IP защиты).

Единственный параметр светильника, на который источник питания не оказывает влияния — это кривая силы света, которая формируется различными линзами, отражателями.

Поскольку источник питания оказывает существенное влияние на большое количество параметров светильника, есть ряд нормативных документов, которые регламентируют требования к ИП для светового оборудования (табл. 1)

Таблица 1. Нормативные документы, регламентирующие требования к ИП

Стандарты действующие
в России
Международные
стандарты
Наименование
1 ГОСТ Р МЭК 60065-2005 МЭК 60065 Требования безопасности
2 ГОСТ Р51318.14.1-2006 EN55015 Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений. (ЭМС)
3 ГОСТ Р51317.3.2-2006 IEC 61000-3-2 Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы измерений. (ЭМС)
4 ГОСТ Р51317.3.3-2008 IEC 61000-3-3 Ограничение изменений напряжения, колебаний напряжения и фликера в низковольтных системах электроснабжения общего назначения. Технические средства с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе), подключаемые к электрической сети при несоблюдении определенных условий подключения. Нормы и методы испытаний. (ЭМС)

Кроме требований документов, перечисленных в таблице 1, есть дополнительные требования, но уже с учетом особенностей применения светильников, например, устойчивость к воздействию импульсных помех. Эти требования также регламентируются отдельным документом — ГОСТ Р 51317.4.5-99.

Светодиод — прибор безынерционный, он мгновенно отрабатывает все изменения тока, протекающего через него. И в случае, если источник питания имеет какие-то пульсации тока, они моментально превращаются на выходе светильника в пульсации светового потока. Такие пульсации регламентируются нормативным документом СанПиН 2.2.1 2.1.1.2585-10 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий». В этом документе определены коэффициенты пульсаций в зависимости от функционального назначения помещения. Самая жесткая норма, 0%, применяется для помещений только одного типа — для чертежных залов. Следующий порог, 10%, применяется в помещениях для работы с мониторами. Есть еще порог 5%, но он определен в других СанПиН 2.1.8/2.2.4.2620-10 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы». Таким образом, разработчику источников питания для светодиодных светильников необходимо знать не только требования общих санитарных правил и норм, но и требования других документов. В конечном счете, при разработке источника питания для наиболее распространенного офисного светильника, встраиваемого в подвесной потолок типа «Армстронг», необходимо исходить из того, что пульсации тока не должны превышать 5%. Примечательно, что для уличного освещения коэффициент пульсаций светового потока не определен. Для этого типа освещения нормируются уровень и неравномерность освещенности.

Основная особенность источника питания для светодиодного оборудования заключается в том, что это источник стабильного тока. Именно в том, что стабилизируется ток, а не напряжение, и есть отличие от широко распространенных стабилизаторов напряжения. Собственно говоря, до тех пор, пока на рынке не было мощных осветительных светодиодов, не было и источников тока для них.

Диапазон токов современных светодиодов довольно широк: от нескольких десятков до нескольких тысяч мА (например, диапазон токов мощных светодиодов компании CREE находится в диапазоне от 60 мА до 3 А).

В настоящее время на рынке присутствует большое количество готовых модульных источников питания с токами 350 мА, 700 мА, 1050 мА и выше, с кратностью 350 мА. Но не всегда можно подобрать готовый источник питания. Возникают ситуации когда:

  • светодиоды требуется питать током, не кратным 350 мА;
  • имеется «нестандартное» напряжение питания для разрабатываемого устройства (например, освещение в подвижном составе);
  • необходимо организовать регулировку тока через светодиоды (димминг);
  • конструкция готового модульного источника питания не подходит под разрабатываемое устройство;
  • необходимо минимизировать габариты устройства и т.п.

Во всех подобных ситуациях и тогда, когда к светильнику предъявляются какие-либо специфические требования, приходится разрабатывать собственный источник питания.

На что нужно обращать внимание при разработке этого изделия?

Поскольку в нашем случае первичная сеть — это 220 В/50 Гц, то наиболее востребованным является класс АС/DC-понижающих преобразователей. В этом случае, можно выделить три основных момента.

1. Наличие или отсутствие гальванической развязки от сети.

Прямого запрета на использование источников питания с гальванической связью с первичной сетью нет. Имеется регламентирующий документ ГОСТ МЭК 60 598-1-99 «Светильники. Общие требования и методы испытаний». Он подразделяет светильники на три класса по защите от поражения электрическим током.

В светильниках, выполненных по классу I электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и дополнительным защитным заземлением. В этом случае изоляция светильника испытывается при напряжении 1,44 кВ.

В светильниках, выполненных по классу II электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается основной и дополнительной или усиленной изоляцией. Испытательное напряжение уже имеет величину 3,6 кВ.

В светильниках, выполненных по классу III электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается применением безопасного сверхнизкого напряжения питания (БСНН) и в нем не возникает напряжение, превышающее БСНН (БСНН по данному документу — до 50 В включительно). Испытательное напряжение составляет всего 0,5 кВ.

В чем здесь может быть подвох? Дело в том, что светодиоды в светильники можно устанавливать как на печатные платы (ПП), изготовленные из стеклотекстолита, так и на печатные платы на алюминиевом основании. Если в источнике питания нет гальванической развязки, то один из выводов светодиода будет непосредственно связан с входной (220 В) клеммой светильника. У светодиодов имеются так называемые «термопады» — площадки, через которые отводится тепло. У многих светодиодов зазор между «термопадом» и выводом светодиода очень мал — 0,3…0,5 мм. В качестве радиатора используется корпус светильника, т.е. «термопад» имеет электрический контакт с корпусом. При условии применения ПП из стеклотекстолита эти доли миллиметра и будут составлять расстояние между корпусом светильника и входной клеммой, и ни о каких 1,44 кВ в данном случае речи идти не может — этот промежуток пробьется уже при нескольких сотнях вольт.

Если светодиод устанавливается на алюминиевую печатную плату, то этого избежать можно. Производители «сэндвичей» для печатных плат на металлическом основании гарантируют на свой материал напряжение пробоя 1,5…3 кВ.

Источники питания, имеющие гальваническую развязку от первичной электросети, предпочтительны с точки зрения электробезопасности и более простой конструкции светильника.

2. Коррекция коэффициента мощности (ККМ).

При традиционном построении источника питания, когда его входная цепь содержит выпрямительный мост и сглаживающий конденсатор (реактивная нагрузка), ток из сети потребляется кратковременно в виде коротких импульсов, совпадающих с пиковым значением входного напряжения (рис. 1).

Рис. 1. Формы тока потребления и напряжения сети источника питания без ККМ

При этом в сети появляются высшие гармоники тока (реактивная составляющая) и искажается форма напряжения сети. Основную опасность представляют третья и все нечетные, кратные третьей, гармоники тока. Эти гармоники из каждой фазы суммируются в нулевом проводнике трехфазной сети, что приводит к его перегреву и может спровоцировать возгорание изоляции. Задача корректора мощности состоит в том, чтобы сформировать для источника питания входной ток синусоидальной формы, по фазе совпадающий с входным напряжением, т.е. сделать источник питания по отношению к первичной сети активной нагрузкой (рис. 2).

Рис. 2. Формы тока потребления и напряжения сети источника питания с ККМ

Допустимый уровень гармонических составляющих тока определен в ГОСТ Р 51317.3.2-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний» (табл. 1).

Все оборудование делится на четыре класса: «A», «B», «C» и «D». Класс «C» — это источники питания светового оборудования, именно то, что нас интересует. Граница разделения по эмиссии гармонических составляющих в приборах этого класса определяется потребляемой активной мощностью и составляет 25 Вт. На приборы с потребляемой активной мощностью менее 25 Вт требования на эмиссию гармонических составляющих менее жесткие, чем на источники питания с потребляемой мощностью более 25 Вт (табл. 2, 3). Для выполнения требований по эмиссии гармонических составляющих в приборах с потребляемой мощностью более 25 Вт в схему источника питания в большинстве случаев приходится вводить коррекцию мощности с коэффициентом 0,8…0,99.

Таблица 2. Нормы гармонических составляющих для световых приборов мощностью менее 25 Вт

Порядок гармонической составляющей, n Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, мА/Вт* Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, А
3 3,4 2,30
5 1,9 1,14
7 1,0 0,77
9 0,5 0,40
11 0,35 0,33
11 Ј n Ј 39 (только для нечетных гармонических составляющих) 3,85/n в соответствии с табл. 1
* – на 1 Вт мощности ТС.

Таблица 3. Нормы гармонических составляющих для световых приборов мощностью более 25 Вт

Порядок гармонической
составляющей, n
Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, % основной гармонической составляющей потребляемого тока
2 2
3 30l*
5 10
7 7
9 5
11 Ј n Ј 39 (только для нечетных гармонических составляющих) 3
* – коэффициент мощности цепи

Коэффициент мощности (l) является комплексным показателем, включает в себя искажение формы потребляемого тока и сдвиг фаз между потребляемым током и входным напряжением, характеризует эффективность использования потребляемой из сети энергии и определяется как отношение между активной (полезной) и полной (активной и реактивной) потребляемой мощностью преобразователя напряжения:

l = Pвх ак/Sвх полн

Коэффициент мощности показывает, какая часть потребляемой из первичной сети энергии идет непосредственно на преобразование, а какая часть «гуляет» по проводам, не совершая полезной работы (реактивная составляющая), вынуждая прокладывать провода с увеличенным сечением во избежание перегрева.

Коррекция коэффициента мощности может быть выполнена на пассивных элементах (пассивная коррекция) или с использованием специальной микросхемы (активная коррекция). Наибольшее применение находят схемы с активной коррекцией мощности. Подобные схемы позволяют получить l до 0,99.

Источник питания с активной коррекцией мощности может быть выполнен по схеме однокаскадного (рис. 3) или многокаскадного преобразователя (рис. 4).

Рис. 3. Блок-схема однокаскадного источника с активной схемой КМ

Рис. 4. Блок-схема многокаскадного источника с активной схемой КМ

В схеме с однокаскадным преобразованием на вход схемы управления (PWM&PFC CONTROL) подается информация о пульсирующем входном напряжении после выпрямительного моста и EMI-фильтра, причем здесь нет фильтрующего электролитического конденсатора (это принципиально), и на вход схемы управления заводятся все виды обратной связи источника. В итоге схема управления вырабатывает ШИМ-напряжение, которое воздействует на ключевой транзистор по определенному алгоритму.

Одним из недостатков этой схемы является то, что все обратные связи и информация о форме входного напряжения поступают на одну схему управления. При изменении параметров нагрузки, изменении входного напряжения, при воздействии различных дестабилизирующих факторов обратные связи оказывают влияние на коррекцию коэффициента мощности, как правило, понижая ее.

Улучшенные характеристики можно получить, если коррекцию коэффициента мощности вынести в отдельный каскад, как на рис. 4 (PFC Controller/PFC Circuit). В этом случае каскад коррекции отрабатывает только форму напряжения сети, а все остальные виды обратных связей сосредоточены в отдельном каскаде (PWM Controller/Power Switching) и влияние на КМ не оказывают.

Какую же схему источника питания с ККМ выбрать?

Основным положительным качеством схемы с однокаскадным преобразованием является более простая схемная реализация и низкая стоимость, но существенным недостатком являются повышенные пульсации выходного тока с удвоенной частотой сети (100 Гц) (рис. 5). Это обусловлено тем, что сглаживающий электролитический конденсатор в этом случае подключается фактически на выходе источника питания параллельно нагрузке, и полностью избавиться от пульсаций тока практически невозможно.

Рис. 5. Форма выходного тока однокаскадного и двухкаскадного преобразователя с активной схемой КМ

Поэтому схема источника питания с однокаскадным преобразованием находит широкое применение для светодиодных светильников наружного (уличного) освещения, где нет требований по пульсациям светового потока.

Для офисных светильников и светильников для освещения помещений с долговременным пребыванием людей, там, где есть требования к пульсациям светового потока, более предпочтительна схема источника с многокаскадным преобразованием. В этом случае возможно построение источника питания с коррекцией коэффициента мощности и практически без пульсаций выходного тока. Естественно, схема источника питания при этом будет более сложной, но качество питающего светодиоды тока, а следовательно — полученного света, будет значительно выше.

Микросхемы однокаскадных ШИМ-контроллеров и отдельных корректоров мощности присутствуют в линейках продукции таких известных производителей, как: Texas Instruments (TI), ON Semiconductor (ON), STMicroelectronics (ST) и др.

Используя продукцию перечисленных производителей, можно разрабатывать источники питания для светодиодного оборудования как с гальванической связью с сетью, так и гальванически развязанные от сети, с однокаскадным или многокаскадным преобразованием.

3. Коэффициент полезного действия (КПД).

Потери в импульсном преобразователе можно разделить на две группы: потери при преобразовании, связанные с неидеальностью параметров применяемых комплектующих, и потери в цепи обратной связи. Снизить потери первой группы можно, применяя более современные и качественные комплектующие: микросхемы с малым собственным током потребления; быстродействующие транзисторы (ключи) с минимальным внутренним сопротивлением, лучшими частотно-временными параметрами и с небольшой энергоемкостью по входу; более качественные моточные изделия и т.д.

Потери, возникающие в цепи обратной связи, напрямую зависят от значения опорного напряжения (напряжение обратной связи), относительно которого происходит стабилизация тока. Дело в том, что в качестве датчика тока используется резистор. Через него протекает стабилизируемый ток. Значение этого тока может доходить до нескольких ампер (в мощных источниках питания уличных светильников). И многое зависит от того, какое внутреннее опорное напряжение у микросхемы, выбранной в качестве ШИМ-контроллера. Если это напряжение на уровне 0,5 В и выше — это уже плохо. Применяя микросхемы с минимально возможным значением опорного напряжения, можно использовать более низкое значение сопротивления датчика тока, рассчитанного на меньшую рассеиваемую мощность, что, в конечном итоге, минимизирует общие потери в источнике питания и повысит его общий КПД. В современных интегральных микросхемах для построения источников питания светодиодных светильников напряжение обратной связи находится в диапазоне 100…300 мВ.

На основании имеющегося опыта можно сформировать основные общие требования к источникам питания светодиодных светильников в зависимости от их применения.

По применению светильники можно условно разделить на три большие группы: светильники для наружного освещения, внутреннего освещения и светильники для системы ЖКХ. Каждая группа будет характеризоваться некоторым набором основных параметров.

Источники питания для светильников наружного освещения должны иметь диапазон выходной мощности в десятки и сотни ватт. Значение выходного тока должно быть от 1 А и выше, при этом обязательным условием становится наличие ККМ и обеспечение соответствующей защиты от климатических факторов по ГОСТ 15150.

Источники питания для применения внутри помещений, как правило, имеют меньшую выходную мощность — десятки ватт; выходной ток до 1,5 А, но основным фактором выступает коэффициент пульсаций тока и наличие ККМ.

Источники питания для светильников в сфере ЖКХ характеризуются мощностью единицы-десятки ватт. Выходной ток источника — десятки-сотни мА. Наличие ККМ — в зависимости от потребляемой мощности (более или менее 25 Вт). В настоящий момент если светильник потребляет менее 25 Вт активной мощности, требования к эмиссии гармонических составляющих — щадящие (табл. 2).

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

О питании. Часть вторая.

Цикл статей состоит из трёх частей:

О питании. Часть первая.
Источники питания. Внутренее сопротивление источника тока. Электронный стабилизатор.
О питании. Часть вторая.
Помехи в схемах. Помехи по цепям питания. Раздельное питание и гальваническая развязка.
О питании. Часть третья.
О батарейках и аккумуляторах. Пути снижения токопотребления.

Данный цикл статей является попыткой в очень сжатом виде представить различные темы и вопросы о питании электроники. Статья представляет собой не инструкцию, а , скорее, приблизительное руководство с учётом личного мнения и опыта автора.

Помехи в схемах.

В процессе нормальной работы электронного устройства могут появляться помехи в схеме.

Помеха — это всплеск тока или напряжения в схеме, приводящий к неверной работе устройства.

Помехи могут не только препятствовать нормальной работе устройства, но и привести к его полному выходу из строя.


Рис. 1. Помехи в полезном сигнале.

Увидеть помехи можно на экране осциллографа, включив его в исследуемую часть схемы (Рис. 1). Длительность помех может быть как очень маленькой (единицы наносекунд, так называемые «иголки»), так и очень большой (несколько секунд). Форма и полярность помех тоже бывает разная.
Распространение (прохождение) помех происходит не только по проводным соединениям схемы, но иногда даже и между частями схемы, не соединёнными проводкниами. Кроме того помехи могут накладываясь, суммироваться друг с другом. Так, единичная слабая помеха может не вызвать сбоя в схеме устройства, но одновременное скопление нескольких слабых случайных помех приводит к неверной работе устройства. Этот факт во много раз усложняют поиск и устранение помех, так как они принимают ещё более случайный харрактер.
Источники помех можно грубо разделить:

  • Внешний источник помех. Находящийся рядом с устройством источник сильного электромагнитного или электростатического поля может привести к сбоям в электронном устройстве. Например разряд молнии, релейная коммутация больших токов или работа электросварки.
  • Внутненний источник помех. Например, при включении/выключении нагрузки с реактивным собпротивлением (электромотора или электромагнита) в устройстве, может происходить сбой в работе остальной части схемы. Неверный алгоритм программы тоже может быть источником внутренних помех.

Для защиты от внешних помех конструкцию или отдельные её части помещают в металлический или электромагнитный экран, а так же применяют схемные решения с меньшей чувствительностью к внешним помехам. От внутренних помех помогает применение фильтров, оптимизация алгоритма работы, изменение построения всей схемы и расположения её частей относительно друг друга.
Очень элегантным считается не безразборное подавление всех помех, а сознательное направление их в те места схемы, где они затухнут, не причинив вреда. В ряде случаев такой путь намного проще, компактнее и дешевле.
Оценка вероятности появления помех в схемах и пути их предотвращения — задача не простая, требующая теоретических знаний и практического опыта. Но тем не менее с твёрдостью можно сказать, что вероятность появления помехи возрастает:

  • с увеличением коммутируемого тока или напряжения в цепи,
  • с увеличением чувствительности частей схемы,
  • с увеличением быстродействия применённых деталей.

Что бы не переделывать готовую конструкцию из за частых сбоев, лучше уже на стадии проектирования схемы ознакомиться с возможными источниками и путями распространения помех. Так как около половины всех проялвений помех связаны с «плохим» питанием, то начинать проектировать устройство лучше всего с выбора способа питания его частей.

Помехи по цепям питания.

На рисунке 2 представлена типичная блок-схема некоего электронного устройства, которое состоит из источника питания, схемы управления, драйвера и исполнительного устройства.
По такой схеме построены большинство простейших роботов из серии «Шаг за Шагом» на этом сайте.


Рис. 2. Совместное питание управляющей и силовой части.

В таких схемах можно условно выделить две части: управляющую и силовую. Управляющая часть потребляет относительно мало тока и содержит какие-либо контролирующие или вычислительные схемы. Силовая часть потребляет значительно больше тока и в неё входит улилитель и оконечная нагрузка.
Рассмотрим каждую часть схемы подробнее.


Рис. 2 a.

Источник питания (Рис. 2 a.) может представлять собой «батарейки» или сетевой трансформаторный блок питания. В источник питания так же может входить стабилизатор напряжения и небольшой фильтр.


Рис. 2 б.

Схема управления — это часть схемы (Рис. 2 б.), где просиходит обработка какой либо информации в соответствии с работой алгоритма. Сюда же могут поступать сигналы с внешних источников, например, с каких либо сенсоров. Сама схема управления может быть собрана с применением микроконтроллеров или других микросхем, или же на дисретных элементах.
Линии связи просто соединяют схему управления с драйвером исполнительным устройством, то есть это просто проводки или дорожки печатной платы.


Рис. 2 в.

Исполнительное устройство (Рис. 2 в.) часто представляет собой механизм, который преобразует электрический сигнал в механическую работу, например электромотор или электромагнит. То есть исполнительное устройство преобразовывает электрический ток в другой вид энергии и обычно потребляет относительно большой ток.


Рис. 2 г.

Так как сигнал от схемы управления очень слабый, поэтому драйвер или усилитель (Рис. 2 г.) является неотъемлемой частью многих схем. Драйвер может быть выполненн, например, на одном лишь транзисторе или специальной микросхеме, в зависимости от типа исполнительного устройства.
Как правило, основным источником сильных помех является исполнительное устройство. Появившаяся тут помеха, пройдя через драйвер, распространяется и дальше по шине питания (Помеха на Рис. 2 показана схематично оранжевой стрелкой). А так как схема управления запитана от того же источника питания, то велика вероятность воздействия этой помехи и на неё. То есть, например, помеха, появившись в моторе, пройдёт через драйвер и может привести к сбою в схеме управления.
В простых схемах бывает достаточно поставить параллельно с источником питания конденсатор большой ёмкости около 1000 мкФ и керамический 0,1 мкФ. Они будут выполнять роль простейшего фильтра. В схемах с токами потребления около 1 ампера и более для защиты от сильных помех сложной формы придётся ставить громоздкий, сложный фильтр, но и это не всегда помогает.
Во многих схемах наиболее простым способом избавиться от воздействия помех помогает применение отдельных источников питания для управляющей и силовой части схемы, то есть применение так называемого раздельного питания.
Хотя раздельное питание применяют не только для борьбы с помехами.

Раздельное питание.

Питание одной или нескольких частей электросхемы от отдельных источников питания называют раздельными питанием.

На Рис. 3 приведена блок-схема некоего устройства. В этой схеме используется два источника питания. Силовая часть схемы запитана от источника питания 1, а схема управления — от источника питания 2. Оба источника питания соединены одним из полюсов, этот провод является общим для всей схемы и относительно него передаются сигналы по линии связи.


Рис. 3. Раздельное питание управляющей и силовой части.

На первый взгляд такая схема с двумя источниками питания выглядит громоздкой и сложной. На самом деле подобные схемы с раздельным питанием используются, например, в 95% всей бытовой аппаратуры. Раздельные источники питания там представляют собой лишь разные обмотки трансформаторов с разным напряжением и током. Это ещё одно достоинство схем с раздельным питанием: в одном устройстве можно использовать несколько блоков с различным напряжением питания. Например, для контроллера использовать 5 вольт, а для мотора — 10-15 вольт.
Если приглядеться к схеме на Рис. 3, то видно, что помеха из силовой части не имеет возможности попасть в управляющую часть по линии питания. Следовательно, полностью отпадает и необходимость её подавлять или фильтровать.

Рис. 4. Раздельное питание со стабилизатором.

В передвижных конструкциях, например, мобильных роботах, из-за габаритов не всегда удобно использовать два блока батареек. Поэтому раздельное питание можно построить с применением одного блока батареек. Схема управления при этом будет питаться от основного источника питания через стабилизатор с маломощным фильтром, Рис. 4. В этой схеме нужно учесть падение напряжения на стабилизаторе выбранного типа. Обычно применяется блок батарей с более высоким напряжением, чем необходимое для схемы управления напряжение. Работоспособность схемы в таком случае сохраняется и при частичном разряде батарей.

Рис. 5. L293 при раздельном питании.

Многие микросхемы-драйверы сразу специально расчитаны на использование в схемах с раздельным питанием. Например, широко известная микросхема драйвера L293 (Рис. 5) имеет вывод Vss — для питания схемы управления (Logic Supply Voltage) и вывод Vs — для питания оконечных каскадов силового драйвера (Supply Voltage или Output Supply Voltage).
Во всех конструкциях роботов с микроконтроллером или логической микросхемой из серии «Шаг за Шагом» можно включить L293 схемой с раздельным питанием. При этом напряжение питания силовой части (напряжение для моторов) может быть в пределах от 4,5 до 36 вольт, а напряжение на Vss можно подать то же, что и для питания микроконтроллера или логической микросхемы (обычно 5 вольт).
Если питание управляющей части (микроконтроллера или логической микросхемы) происходит через стабилизатор, а питание силовой части берётся напрямую от блока батареек, то это позволяет значительно сэкономить потери энергии. Так как стабилизатор будет питать только схему управления, а не всю конструкцию. Это — ещё одно достоинство раздельного питания: экономия энергии.
Если взглянуть ещё раз на схему рисунка 3, то можно заметить, что кроме общего провода (GND) силовую часть со схемой управления соединяют ещё и линии связи. По этим проводам в некоторых случаях тоже могут проходить помехи из силовой части внутрь схемы управления. Кроме того эти линии связи часто сильно подвержены электромагнитным воздействиям («наводкам»). Избавиться раз и на всегда от этих вредных явлений можно, применив так называемую гальваническую развязку.
Хотя гальваническую развязку применяют тоже не только для борьбы с помехами.

Гальваническая развязка.

Передачу сигнала между двумя точками электросхемы без электрического контакта называют гальванической развязкой.

На первый взгляд такое определение может показаться невероятным!
Как можно передать сигнал без электрического контакта?
На самом деле есть даже два способа, которые это позволяют.

Рис. 6.

Оптический способ передачи сигнала построен на явлении фоточувствительности полупроводников. Для этого применяется пара из светодиода и фоточувствительного прибора (фототранзистор, фотодиод), рис 6.

Рис. 7.

Пара светодиод-фотоприёмник изолированно рас- положены в одном корпусе напротив друг друга. Такая деталь так и называется оптопара (зарубежное название optocopler), рис 7.
Если через светодиод оптопары пропустить ток, то сопротивление встроенного фотоприёмника будет изменяться. Так происходит безконтактная передача сигнала, так как светодиод полностью изолированн от фотоприёмника.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельная оптопара. Частота передаваемого оптическим способом сигнала может лежать в пределах от нуля до нескольких десятков-сотен килогерц.

Рис. 8.

Индуктивный способ передачи сигнала основывается на явлении электромагнитной индукции в трансформаторе. При изменении тока в одной из обмоток трансформатора происходит изменение тока в другой его обмотке. Таким образом сигнал передаётся из первой обмотки во вторую (рис. 8). Такую связь между обмотками ещё называют трансформатороной, а трансформатор для гальваноразвязки иногда именуют разделительный трансформатор.

Рис. 9.

Конструктивно трансформаторы обычно выполненны на кольцевом ферритовом сердечнике, а обмотки содержат несколько десятков витков провода (рис. 9). Не смотря на кажущуюся сложность такого трансформатора, его можно изготовить самостоятельно за несколько минут. Так же продаются и готовые малогабаритные трансформаторы для гальванической развязки.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельный такой трансформатор. Частота передаваемого сигнала может лежать в пределах от нескольких десятков герц до сотен-тысяч мегагерц.
В зависимости от типа передаваемого сигнала и требований к схеме можно выбрать либо трансформаторную, либо оптическую гальваноразвязку. В схемах с гальванической развязкой с обоих сторон для согласования (связывания, сопряжения) с остальной схемой часто ставят специальные преобразователи.
Расмотрим теперь блок-схему с использованием гальванической развязки между управляющей и силовой частью на рисунке 10.

Рис. 10. Раздельное питание и гальваническая развязка канала связи.

По этой схеме видно, что любые помехи из силовой части не имеют никакой возможности проникнуть в управляющую часть, так как электрического контакта между частями схемы не существует.
Отсутствие электрического контакта между частями схемы в случае с гальваноразвязкой позволяет безопасно управлять исполнительными механизмами с высоковольтным питанием. Например, какой нибудь пульт управления с питанием от нескольких вольт может быть гальванически разделён от фазового напряжения сети в несколько сотен вольт, что повышает безопасность для обслуживающего персонала. Это является важным достоинством схем с гальваноразвязкой.
Схемы управления с гальваноразвязкой практически всегда можно встретить в ответственных устройствах, а так же в испульсных блоках питания. Оссобенно там, где присутствует хоть малейшая вероятность появления помех. Но даже в любительских устройствах гальваническая развязка находит применение. Так как небольшое усложнение схемы гальваноразвязкой приносит полную уверенность в бесперебойной работе устройства.

Напоследок ещё раз приведём достоинства и недостатки схем с раздельным питанием и гальванической развязкой:

Раздельное питание

  • — немного усложняет схему
  • + значительно увеличивает помехозащищённость
  • + позволяет применять части схем с разным напряжением питания
  • + экономит энергию

Гальваническая развязка

  • — немного усложненяет схему
  • + значительно увеличивает помехозащищённость
  • + позволяет применять части схем с разным напряжением питания
  • + повышает безопасность работы

Смелых и Удачных Экспериментов!!!

Цикл статей состоит из трёх частей:

О питании. Часть первая.
Источники питания. Внутренее сопротивление источника тока. Электронный стабилизатор.
О питании. Часть вторая.
Помехи в схемах. Помехи по цепям питания. Раздельное питание и гальваническая развязка.
О питании. Часть третья.
О батарейках и аккумуляторах. Пути снижения токопотребления.

Дополнения и файлы:

  • myURL: Стабилизация работы микроконтроллера. — Защита AVR-µC от помех.
  • URL: Помехи и отказы в работе RC-аппаратуры..
  • URL: Помехи, шумы, наводки и как с ними бороться. — Советы для борьбы с помехами.
  • URL: Помехи, шумы, наводки и как с ними бороться. — Помехи в сетях электроснабжения.
  • URL: Ловись, помеха, большая и маленькая. — Обзор разветвителей с помехоподавлением.
  • URL: Защита от помех датчиков и проводов. — Возникновение помех и способы борьбы.
  • URL: Помехоустойчивые устройства — описание помех и методов борьбы с ними.
  • URL: WIKI: Понятие о помехах и методы борьбы с ними.
  • URL: ГОСТ 30372-95. Помехи. Термины и определения.
  • URL: Техника разводки печатных плат.
  • URL: Книга «Методы подавления шумов и помех в электронных системах» Г. У. Отт.

Устройство для безопасной проверки приборов. Гальваническая развязка

Приветствую, Самоделкины!
Если вы занимаетесь ремонтом или проектированием различной электроники, то устройство, которое мы рассмотрим в этой статье, вам просто необходимо.

Автором данного проекта является Роман (YouTube канал «Open Frime TV»). История создания данного прибора началась еще давно, когда автор только начал изучать блоки питания. Для наглядности работы автору пришлось купить себе вот такой USB осциллограф, и с помощью него смотреть на процессы, протекающие в схеме.

Но тут есть один важный момент, который был упущен, а именно, гальваническая развязка с сетью. И в итоге автор благополучно спалил свой осциллограф плюс все задние USB порты компьютера и все то, что к ним было подключено. В общем урон был весьма впечатлительный.

После этого происшествия, Роман начал разбираться из-за чего же произошел такой трабл. Как выяснилось, все дело оказалось в общей земле. У компьютера и устройства они оказались общими, и когда автор ткнулся в высоковольтную часть схемы, произошел пробой через эту зловещую землю.


В итоге пришлось покупать новый осциллограф, что сильно ударило по бюджету. Теперь же автор решил показать, как изготовить такой вот нехитрый прибор, который поможет всем радиолюбителям избежать такой же неудачи.
И так, что же подразумевает собой гальваническая развязка? Это обыкновенный сетевой трансформатор с коэффициентом трансформации один к одному (1:1).

Таким образом мы получаем на выходе те же 220В, но уже никак не связанные с сетью.

И еще один большой плюс такой штуки: если нечаянно дотронуться до оголенных проводов, то вас не убьет.

С этим разобрались, но где же взять нужный трансформатор? Для этих целей отлично подходят трансформаторы от старых телевизоров, они имеют достаточно большие габариты, а иногда даже обмотки с нужным нам соотношением 1:1. Вот, к примеру, на местной барахолке автор нашел такой трансформатор ТСА-270-1.
Данный трансформатор был купил считай за бесценок, но его выходная обмотка оказалось недостаточно мощной. Ее ток составлял всего 0,32А, а это, как вы понимаете, маловато для наших целей.
Тогда было принято решение перемотать трансформатор. Специально для этой цели автором был даже куплен вот такой провод:
Казалось бы, все готово к намотке, но в связи с некоторыми обстоятельствами этот процесс затянулся, и как ни странно это спасло автора от бесполезной работы. Сейчас узнаете почему. Спустя некоторое время после старта проекта, автор искал в сарае какие-то вещи и наткнулся на коробку с трансформатором.
Он был похож на ТСА, но по размерам немного меньше, а это плюс, так как на нем будет удобнее делать. Но это оказалось еще не все. Загуглив автор понял, что его высоковольтная обмотка мощнее, чем у ТСА и может выдать ток под 1А. Так это вообще шикарно, ненужно даже ничего перематывать. Вот на этом трансформаторе, марка которого ТС-250-2П, и будет построена наша гальваническая развязка.
В первую очередь нам необходимо отключить все провода и убрать ненужные части, которые увеличивают в размерах сам трансформатор. После чего, произведя необходимые замеры, был заказан вот такой пластиковый короб, в который наш трансформатор помещался идеально.
Но помимо самого трансформатора было решено установить сюда еще одну полезную функцию, а именно, включение нагрузки через лампочку. Это очень удобно, допустим, если производить первое включение устройства, так как в случае короткого замыкания лампочка ограничит ток и ничего не сгорит.
Так как место в корпусе сильно ограничено, то будем использовать вот такую миниатюрную лампу, которая рассчитана на напряжение 220В, мощностью 60Вт.
Теперь давайте займемся подготовкой корпуса. На нем необходимо закрепить розетку, а также переключатель, который позволит подключить или отключить лампу накаливания.
Делается это элементарно, даже не будем останавливаться на этом. Так же необходимо добавить еще отверстие под предохранитель, но его сделаем чуть позже. Теперь займемся подготовкой трансформатора. В интернете находим документацию, из нее видно, что сетевое напряжение необходимо подавать на контакты 1 и 1′.
А контакты 2 и 2’ необходимо замкнуть между собой.
Как видите, тут нет ничего сложного. Переходим к вторичной обмотке. Их тут несколько, но как видим чисто обмотки на 220В нет. Жаль конечно, но ничего, будем выкручиваться. Ниже можем видеть, как автор проверяет напряжение на своем трансформаторе.
Они в принципе соответствуют документации. Дальше рассуждаем таким путем: нам необходимо подключить все обмотки последовательно. На каркасе трансформатора, чтобы не запутаться, автор написал слово «штрих».
Теперь берем, допустим, обмотку 4 и 4’ и подключаем ее к основной обмотке 5 и 5’. Теперь съем напряжения будет происходить с выводов 5 и 4’.
Дальше к ним добавляем еще одну обмотку 6 и 6’, так же последовательно. И теперь съем уже происходит с выводов 5 и 6’.
Соединяем это все в железе и смотрим сколько вольт у нас получилось.
Как видим, мультиметр показывает напряжение около 210В, а этого более чем достаточно. А специально для тех, кто не понял схемы подключения, автор подготовил наглядный рисунок, исходя из которого данную схему сможет собрать даже ребенок.
Как видим, на рисунке указаны и предохранитель с лампой, и переключатель, в общем полный фарш. А сейчас пришло время установить все в корпус.
Детали подошли впритирочку, но главное, что все поместилось. На этом сборка завершена, но это еще не все. У USB осциллографов, стандартным щупом с делителем 1:10 можно смотреть только низкое напряжение.
А для того, чтобы безопасно лезть в горячую часть схемы, нужно прикупить вот такой щуп с делителем на 100. Да, стоит он не дешево, но зато спасает от выгорания более дорогого осциллографа. Предел измерений с таким щупом значительно расширяется.
Ну и в заключении можно провести тесты только что собранного нами устройства. Для этого нам понадобится любая самоделка. Автор будет использовать блок питания, который сейчас разрабатывает.
Включаем его в сеть и спокойно становимся на затвор транзистора, не опасаясь при этом каких-нибудь подводных камней.
На экране можем видеть наши импульсы.
Как видим, все четко. В общем, устройство реально стоит повторять, тем более, если вы собираетесь в дальнейшем заниматься электроникой.
При этом не обязательно брать такой же трансформатор, как у автора, есть много подобных моделей, но люди, не знающие их ценности, отдают практически даром.
На крайний случай можно взять 2 трансформатора, у которых одинаковые выходные обмотки и соединить их по низкой стороне вот таким образом:
Результат будет тот же. На этом пора заканчивать. Благодарю за внимание. До новых встреч!
Видео:

Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. .

Гальваническая (кондуктивная) связь

Описание

Два или более устройств соединены между собой источником питания и коммуникационными кабелями (рис. Q22). Когда по сопротивлениям цепей протекают внешние токи (токи молний, токи короткого замыкания, возмущения), между точками A и B, которые предположительно являются эквипотенциальными, возникает нежелательное напряжение. Это паразитное напряжение может создать помехи для слаботочных цепей или цепей передачи данных.

Все кабели, включая защитные проводники, имеют сопротивление (импеданс), особенно на высоких частотах.

Открытые проводящие части устройств 1 и 2 присоединены к общей клемме заземления через сопротивления Z1 и Z2.
Ток, вызванный паразитным перенапряжением, уходит на землю через Z1. Потенциал устройства 1 возрастает до величины Z1 х I1.
Разность потенциалов с устройством 2 (начальный потенциал которого равен нулю) приводит к появлению тока I2.

Z1 x I1 = (Zсигн. + Z2) I2 => I2 / I1 = Z1 / (Zсигн. + Z2)

Ток I2, протекающий по сигнальной линии, создает помехи для устройства 2.

Рис. Q22 : Описание гальванической (кондуктивной) связи

Примеры

(рис. Q23)

  • Устройства, соединенные общим заземляющим проводником (например, PEN или PE) и подвергающиеся воздействию кратковременных или интенсивных изменений тока (ток повреждения, удар молнии, ток короткого замыкания, изменения нагрузки, цепи отключения, гармоники тока, батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности и др.).
  • Общая обратная цепь для нескольких источников электрического напряжения.

Рис. Q23 : Пример гальванической связи

Меры противодействия

(рис. Q24)

Чтобы уменьшить влияние помех, передающихся по гальваническим связям (кондуктивным путем) нужно:

  • уменьшать сопротивления:

— объединить заземляющие проводники системы уравнивания потенциалов в сетку;
— использовать короткие кабели или плоские жгуты, которые при равных сечениях имеют меньшее сопротивление по сравнению с кабелями круглого сечения;
— установить систему уравнивания потенциалов между устройствами.

  • снизить уровень возмущающих токов посредством фильтрации гармоник и использования дросселей для ограничения токов замыкания на землю.

Если сопротивление параллельного заземляющего проводника (Z sup) является очень низким по сравнению с Zсигн., то в основном ток пойдет через этот проводник, а не через сигнальную линию, как в предыдущем случае.
Разность потенциалов между устройствами 1 и 2 становится очень низкой, и уровень помех снижается до допустимого.

Рис. Q24 : Меры по уменьшению величины влияния кондуктивных помех

ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ

Есть вопросы, решение которых на первый взгляд кажется очень простым. Однако на поверку часто оказывается, что без грамотного и кропотливого подхода к их разрешению не удается достичь заданных параметров и критериев работы устройств и систем. Одним из таких вопросов является осуществление заземления и гальванической развязки.

Рассмотрим устройство, в котором мы можем выделить аналоговый и цифровой блок (рис. 1). Конечно иногда, такое выделение может быть достаточно условным, но для большинства практических случаев оно не лишено смысла. Питание обоих частей устройство будем осуществлять от одного общего источника питания. Т. е. будут существовать два контура тока – контур тока питания цифрового модуля и контур тока питания аналогового модуля. Оба этих тока в конце концов будут протекать по общей земляной шине.

Рис. 1. Питание аналогового и цифрового блоков устройства

от общего источника питания

Можно сразу обратить внимание на разницу в характере изменения токов в этих контурах. Элементы цифровой части работают в ключевом режиме. В процессе работы цифрового блока число элементов с нулями и единицами на выходе (число замкнутых и разомкнутых ключевых элементов) различно. Ключевой режим работы определяет что ток, потребляемый ими от источника питания, меняется скачкообразно. Элементы аналогового блока работают в активном режиме и ток, потребляемый элементами этого блока от источника питания, меняется всегда плавно.

Сопротивление земляной шины всегда стараются сделать как можно меньшим, чтобы свести к нулю падение напряжения, которое будет возникать на ней за счет протекающих по ней токов. Однако практически это сопротивление будет иметь какое-то значение отличное от нуля и распределенное вдоль ее длины. Из-за этого на шине будет наблюдаться распределенное падение напряжения и потенциалы точек шины, удаленные от точки ее заземления, будут отличны от нуля. Скачкообразные изменения тока в шине будут приводить к скачкообразным изменениям распределенного падения напряжения вдоль нее.

Напряжения полезных сигналов, передаваемые от одного элемента аналогового блока к другому, будут определяться относительно потенциала той точки шины заземления, к которой они подключены. Появление скачкообразных изменений потенциалов на этой шине будет эквивалентно внесению в напряжение полезных сигналов помехи. Таким образом одни узлы схемы будут влиять на работу других узлов схемы. Особенно это влияние ощутимо для аналоговых узлов.

Помехи, которые передаются из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путём переноса электрического тока по общим для обеих цепей проводникам, в основном через общие участки цепей заземления или питания получили название кондуктивных. Основной механизм их появления описан выше. Связан он конечно не только с работой цифровых узлов. Источником кондуктивных помех являются генераторы, реле, тиристорные преобразователи, шаговые двигатели с импульсным питанием, мощные печи с ШИМ-управлением, а точнее – не сами устройства, а большие и меняющиеся токи в общих цепях питания этих устройств.

К подобным же результатам приводит и наличие электромагнитных наводок. Исходными источниками электромагнитного поля помехи могут быть радиомодем, радиотелефон, радиоретранслятор, радиостанция, сотовый передатчик на крыше здания, двигатель с искрящимися щётками, электросварочный аппарат, трамвай, люминесцентные лампы, тиристорный регулятор, компьютер, телевизионные и радиостанции, сотовые телефоны, молнии и др. Индуктивные электромагнитные помехи наводятся на всех проводящих предметах, которые в таком случае играют роль антенн. Мощность наведённой помехи зависит от площади контура, охваченного проводником, или от длины провода. Если такой антенной является линия питания или земляная шина, то помеха, наведённая в ней, кондуктивным путём может передаваться по ним и влиять на сигнальные цепи, вызывая поток ошибок в цифровых схемах или погрешность передачи сигнала в аналоговых.

Уменьшить такое взаимовлияние узлов друг на друга можно, если осуществлять их подключение к точке заземления с помощью отдельных шин. Такой способ осуществления заземления называют веерным. Т. к. в первую очередь нам необходимо уменьшить влияние цифровых узлов на аналоговые, то прежде всего делают отдельные шины заземления для цифровых узлов и аналоговых (рис.2). Такие шины принято называть соответственно цифровой и аналоговой землей.

Рис. 2. Веерная разводка земляных шин аналогового и цифрового блоков устройства

Подчеркнем, что решение о разделении шин заземления на аналоговую и цифровую не является обязательным для любого случая, а принимается лишь в тех случаях, когда можно хотя бы к какой-то мере конструктивно сгруппировать отдельно аналоговые и цифровые элементы, когда потребление цифровой группы (так бывает чаще) велико и существенно превышает потребление аналоговой. Набор обязательных требований зависит от требуемой точности измерений, мощности потребления узлов и от окружающей электромагнитной обстановки. Эти решения могут приниматься на разном уровне разводки шин. Например, при разводке проводников на печатной плате. Даже в некоторых БИС (например, АЦП) применяется такая раздельная разводка. И конечно на уровне разводки проводников на уровне блоков, например в электрическом шкафу.

Разработчики комплексных систем автоматики сталкиваются с заземлением чаще всего именно на уровне монтажа блоков, поэтому остановимся более подробно именно на таком примере. Т. к. заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, поэтому нижеприведенные примеры заземления условно разделены на «правильные» и «ошибочные». При этом «правильный» подход всегда дает меньший уровень помех, чем «неправильный».

На рис. 3 сделаны следующие «неправильные» соединения:

· заземление шкафов выполнено в разных точках, поэтому потенциалы их земель отличаются;

· шкафы соединены между собой, что создает замкнутый контур в цепи заземления;

· проводники аналоговой и цифровой земли в левом шкафу на большом участке идут параллельно, поэтому на аналоговой земле могут появиться индуктивные и емкостные наводки от цифровой земли;

· блок питания (точнее, его отрицательный вывод) соединен с корпусом шкафа в ближайшей точке, а не на клемме заземления, поэтому по корпусу шкафа течет ток помехи, проникающий через трансформатор блока питания;

· используется один блок питания на два шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;

· в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа. При этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки на все провода, проходящие вдоль его стен;

· в правом шкафу, в среднем ряду, аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков, что неправильно.

Рис. 3. Пример неправильного заземления шкафов с автоматики.

Цветными линиями выделены неправильные соединения.

GND – вывод для подключения заземленного вывода блока питания.

Перечисленные недостатки устранены для шкафов на рис. 4. Дополнительным улучшением разводки в этом примере было бы применение отдельного проводника заземления для наиболее чувствительных аналоговых модулей ввода. В пределах шкафа (стойки) желательно группировать аналоговые модули отдельно, цифровые – отдельно, чтобы при прокладке проводов в кабельном канале уменьшить длину участков параллельного прохождения цепей цифровой и аналоговой земли.

Рис. 4. Пример правильного заземления шкафов автоматики

Рассмотренный веерный способ заземления позволяет уменьшить взаимовлияние узлов друг на друга, но не исключает его полностью. Дело в том, что потенциалы точек подключения узлов к шинам все равно хоть на сколько-то будут отличаться от нуля и от друг-друга и между ними будут течь так называемые уравнительные токи, стремящиеся уменьшить эту разность потенциалов.

Наличие этих токов показывает, что взаимовлияние узлов друг на друга в какой-то степени при веерной системе заземления все же остается. Вместе с тем это показывает и то, что его можно полностью исключить только если мы предотвратим течение таких уравнительных токов. Это возможно только в случае если мы разорвем гальванические связи между узлами – т. е. осуществим между ними тем или иным образом гальваническую развязку. Гальваническая развязка узлов друг от друга означает, что их питание должно осуществляться от гальванически не связанных источников питания, а передача полезных (информационных, управляющих и пр.) сигналов от одного к другому осуществляться способами, исключающими гальваническую связь, например с использованием световых сигналов или явления электромагнитной индукции. На практике это приводит к использованию для передачи сигналов от узла к узлу оптопар и трансформаторов.

Оптопара состоит из двух элементов – один из них формирует световой поток, интенсивность которого зависит от уровня входного электрического сигнала, другой элемент, являясь приемником этого светового потока, формирует выходной электрический сигнал, зависящий от интенсивности потока (рис.5). Такими парами являются: светодиод-фотодиод или светодиод-фототранзистор, светодиод-тиристор. Сейчас используются оптопары, выполненные в интегральном исполнении. Оптоэлектронные микросхемы характеризуются полной электрической и конструктивной совместимостью с традиционными микросхемами. Достоинством всех оптопар является их конструктивная простота и компактность, главным недостатком – нелинейность (узкий диапазон линейности), которая препятствует их применению в цепях развязки аналоговых сигналов. Оптопары в основном используются для гальванической развязки цепей передачи дискретных сигналов.

Рис. 5. Диодно-диодная и диодно-транзисторная оптопары

Оптопары (или оптроны) характеризуются несколькими группами параметров. Первая группа характеризует входную цепь, вторая – выходную цепь, третья – объединяет параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохождения сигнала через оптопару как элемент связи (параметры передаточной характеристики), наконец, четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки, значения которых показывают, насколько приближается оптопара к идеальному элементу развязки. Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока.

Использование диодной оптопары не может дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

Транзисторные оптопары выгодно отличаются от диодных. Это проявляется прежде всего схемотехнической гибкости, состоящей в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в активном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей.

Тиристорные оптопары используются для коммутации сильноточных высоковольтных цепей.

Существуют системы гальванической опторазвязки с передачей сигнала от источника светового потока к его приемнику по оптоволоконному каналу.

Гальваническая развязка трансформаторного типа предполагает использование магнитоиндукционного элемента с сердечником или без него, напряжение на вторичной обмотке которого пропорционально напряжению на входе устройства (на первичной обмотке). Трансформаторы являются линейными устройствами, но работают только в цепях переменного тока. В системах управления приходится работать и с очень медленно меняющимися сигналами – фактически с сигналами постоянного тока (или сигналами, имеющими постоянные составляющие). Для возможности применения линейных трансформаторов для гальванической развязки в аналоговых цепях постоянного тока перед ними устанавливают модуляторы, а за ними – демодуляторы таких сигналов. При применении трансформаторной гальванической развязки необходимо учитывать следующие её недостатки:

· несущий сигнал может создавать помехи, влияющие на выходной сигнал развязки;

· полоса пропускания ограничена частотой модуляции развязки;

Общим недостатком трансформаторных развязывающих элементов является их конструктивная сложность, сравнительно большие габаритные размеры компонентов. Ответом на это стало появление технологий с использованием интегральных микротрансформаторов. Например, к таковыми относятся изоляторы цифрового сигнала семейства iCoupler фирмы Analog Devices. В одном корпусе микросхемы размещены три кристалла. На двух кристаллах, сделанных по технологии CMOS, реализованы схемы драйвера и приемника. Между ними находится микротрансформатор. Он состоит из плоских катушек, сделанных из золота и разделенных 20-микронным слоем полиамидной пленки. Эта полиамидная изоляция выдерживает напряжение 5 кВ в течение одной минуты. В одном корпусе выпускаются одноканальные и многоканальные (до четырех каналов) изоляторы.

Законченную линейку элементов гальванической развязки и повторителей сигналов для использования в системах промышленной автоматики представляют собой модули DSCL, DSCP и SCTP компании Dataforth. В зависимости от конструкции корпуса они предназначены для пайки, установки в сокет, на DIN-рейку или панель. Погрешность – не более ±0,2 %. Модули поставляются с предустановленным, изменяемым перемычками или конфигурируемым с персонального компьютера входным/выходным диапазоном сигналов. Питание осуществляется от источника выходной токовой петли или от источника переменного/постоянного напряжения. Диапазон рабочих температур от –25 до +65 оС.

Выше рассматривались элементы для развязки сигнальных цепей. Однако нельзя забывать, что развязка должна обязательно осуществляться и по цепям питания, по которым в гальванически не связанные узлы должна передаваться электрическая энергия. Для этого каждый гальванически не связанный блок можно питать от отдельного аккумулятора или отдельной батареи. Для этого их можно питать от выпрямителей и стабилизаторов, получающих напряжение от отдельных обмоток трансформатора. Наконец можно использовать преобразователи «постоянный ток-постоянный ток» – DC/DC-преобразователи, которые могут служить для преобразования одного уровня постоянного питающего напряжения в другой и обязательно осуществляют гальваническую развязку между входными и выходными цепями.

DC/DC-преобразователи широко выпускаются различными компаниями и отличаются друг от друга уровнями входных и выходных напряжений, а также мощностью. Например, компании XP Power, Peak Electronics, TRACOPOWER и др. выпускают такие преобразователи мощностью от 1 до 150 Вт в SIP, DIP и в специальных пластиковых и металлических корпусах со стабилизированным и нестабилизированным выходным напряжением.

Примером DC/DC-преобразователей, выпускаемых российскими компаниями может служить блок гальванической развязки компании ОВЕН БГР2(4)-24/24. Он предназначен для питания оборудования нестабилизированным напряжением постоянного тока 24 В. БГР представлен в четырехканальном и двухканальном исполнениях и в зависимости от этого формирует 4 или 2 изолированных друг от друга выходных напряжения 24 В с нагрузочной способностью выходов не более 40 мА. Габаритные размеры корпуса 36 × 90 ×58 мм. Устанавливается на DIN-рейку. Степень защиты корпуса (со стороны лицевой панели) IP20. Масса блока – не более 0,11 кг. Питание блока следует осуществлять от локального источника питания подходящей мощности, установленного в том же шкафу электрооборудования, в котором устанавливается блок.

Можно назвать и некоторые комплексные решения для осуществления гальванической развязки. Так, например фирмой Analog Devices разработано семейство приборов isoPower, которые являются развитием линии iCoupler. В приборах isoPower применяется та же технология с микротрансформаторами, но помимо передачи цифровых данных, в isoPower обеспечивается гальванически развязанная передача энергии (развязка по питанию) и имеются все необходимые ключевые схемы, выпрямители и стабилизаторы. Другими словами, в приборах семейства isoPower имеется встроенный DC/DC-преобразователь и при этом он вместе с каналами передачи информации представляет собой микросхему в корпусе SOIC-8.

Вернемся к рассмотрению практических случаев. Представьте, что у Вас к одной земляной шине в промышленных условиях подключены измерительные элементы, устройства автоматики и какие-то силовые установки (двигатели, инверторы и т. п.). Включение/выключение любой силовой установки, ее мощных элементов (ключей, тиристоров) будет приводить к скачкообразному изменению токов и потенциалов на земляной шине. Наверняка, это приведет к моментальным сбоям Вашей автоматики, ошибкам измерений, а возможно и к выходу из строя узлов с низким уровнем питающего напряжения. Избавиться от этого можно только гальванически развязав «внутренности» Ваших узлов от общей земляной шины. И чем «раньше» с точки зрения получения и обработки полезных сигналов Вы это сделаете, тем выше будет вероятность безотказной работы техники. Если Вы имеете некоторый измерительный канал, постарайтесь уже сам датчик включить без связи с землей, т. е. использовать датчики с дифференциальным выходом. В целом такие рассуждения будут определять место и способ реализации гальванической развязки в Вашей системе.

На самом деле гальваническая развязка играет еще одну роль, кроме рассмотренной. Элементы развязки фактически выступают в роли своеобразных предохранителей, останавливая на себе действие пробоя при случайном (аварийном) попадании высокого напряжения на цепи с низковольтным питанием. Например, при попадании высокого напряжения на вход измерительного канала «выгорит» все до элемента развязки, включая его входную цепь, но дальше, если высокое напряжение не превысит некоторого критического уровня, все будет целым.

Этот критический уровень напряжения связывают с понятием «напряжение изоляции», которое часто трактуется неправильно. Для описания характеристик изоляции используют несколько стандартов, но в описаниях устройств гальванической развязки не всегда даются на них ссылки. Поэтому понятие «напряжение изоляции» в описаниях приборов трактуется неоднозначно. Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идет о напряжении, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), в других случаях речь идет об испытательном напряжении (напряжение изоляции), которое прикладывается к образцу в течение от нескольких микросекунд до 1 мин. Испытательное напряжение может в несколько раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку напряжение, при котором наступает пробой, зависит от длительности тестового импульса.

Электрическая прочность изоляции отечественных средств автоматизации испытывается по ГОСТ 51350 или ГОСТ Р МЭК 60950-2002 синусоидальным напряжением с частотой 50 Гц в течение 60 с при напряжении, указываемом в руководстве по эксплуатации как «напряжение изоляции». При этом например, если испытательное напряжение изоляции составляет 2 500–3 000 В, то рабочее напряжение изоляции составит всего 300–500 В.

Подведем итог. Гальваническая развязка нужна для устранения взаимовлияния работы одних узлов на другие узлы, которое может возникать, если все они подключены к общей земляной шине, и обеспечения за счет этого бесперебойной нормальной работы узлов. Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи. Гальваническая развязка (изоляция) цепей является радикальным решением большинства проблем, связанных с заземлением, и ее применение фактически стало обязательным в системах промышленной автоматизации. Одной из характеристик различных узлов систем автоматики является указание о наличии гальванической развязки по входным и выходным цепям, а также указание напряжения изоляции.

Для применения гальванической развязки система автоматизации делится на автономные изолированные подсистемы, обмен информацией между которыми выполняется с помощью элементов гальванической развязки. Каждая подсистема имеет свою локальную землю и локальный источник питания. Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной защиты от помех.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх