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.

Для коммутации нагрузок в цепях переменного тока в последнее время все чаще стали применяться схемы с использованием мощных полевых транзисторов. Этот класс приборов представлен двумя группами. К первой отнесены биполярные транзисторы с изолированным затвором – БТИЗ. Западная аббревиатура – IGBT.

Во вторую, самую многочисленную вошли традиционные полевые (канальные) транзисторы. К этой группе относятся и транзисторы КП707 (см. таблицу 1), на которых и собран коммутатор нагрузки для сети 220 вольт.

Первична сеть переменного тока очень опасная вещь во всех отношениях. Поэтому существует много схемных решений, позволяющих избежать управления нагрузками в сети напрямую. Ранее для этих целей использовались разделительные трансформаторы, в настоящее время им на смену пришли разнообразные оптроны.

Транзисторный ключ с оптической развязкой

Схема, ставшая уже типовой, показана на рисунке 1.


Данная схема позволяет гальванически развязать управляющие цепи и цепь первичной сети 220 вольт. В качестве развязывающего элемента применен оптрон TLP521. Можно применить и другие импортные или отечественные транзисторные оптроны. Схема простая и работает следующим образом. Кода напряжение на входных клеммах равно нулю, светодиод оптрона не светится, транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных коммутирующих транзисторов. Таким образом, на их затворах присутствует открывающее напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона VD1. В этом случае транзисторы открыты и работают по очереди, в зависимости от полярности напряжения в данный момент времени. Допусти, на выходном выводе схемы 4 присутствует плюс, а на клемме 3 – минус. Тогда ток нагрузки потечет от клеммы 3 к клемме 5, через нагрузку к клемме 6, далее через внутренний защитный диод транзистора VT2, через открытый транзистор VT1 к клемме 4. При смене полярности питающего напряжения, ток нагрузки потечет уже через диод транзистора VT1 и открытый транзистор VT2. Элементы схемы R3, R3, C1 и VD1 не что иное, как безтрансформаторный источник питания. Номинал резистора R1 соответствует входному напряжению пять вольт и может быть изменен при необходимости.

Вся схема выполнена в виде функционально законченного блочка. Элементы схемы установлены на небольшой П-образной печатной плате, показанной на рисунке 2.


Сама плата одним винтом крепится к пластине из алюминия с размерами 56×43х6 мм, являющейся первичным теплоотводом. К ней же через теплопроводную пасту и слюдяные изолирующие прокладки с помощью винтов с втулками крепятся и мощные транзисторы VT1 и VT2. Угловые отверстия сверятся и в плате и в пластине и служат, при необходимости, для крепления блока к другому более мощному теплоотводу.

В этой статье речь пойдет в первую очередь об оптической развязке аналогового сигнала. Будет рассматриваться бюджетный вариант. Также основное внимание уделяется быстродействию схемотехнического решения.

Способы развязки аналогового сигнала

Небольшой обзор. Существует три основных способа гальванической развязки аналогового сигнала: трансформаторный, оптический и конденсаторный. Первые два нашли наибольшее применение. На сегодняшний день существует целый класс устройств, которые называются изолирующие усилители или развязывающие усилители (Isolated Amplifier). Такие устройства передают сигнал по средствам его преобразования (в схеме присутствует модулятор и демодулятор сигнала).

Рис.1. Общая схема изолирующих усилителей.

Есть устройства как для передачи аналогового сигнала по напряжению (ADUM3190, ACPL-C87), так и специализированные, для подключения непосредственно к токовому шунту (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). В данной статье мы не будем рассматривать дорогие устройства, однако перечислим некоторые из них: iso100, iso124, ad202..ad215 и др.

Существует также другой класс устройств – развязывающие оптические усилители с линеаризующей обратной связью (Linear Optocoupler) к этим устройствам относятся il300, loc110, hcnr201. Принцип действия этих устройств легко понять, посмотрев на их типовую схему подключения.

Рис.2. Типовая схема для развязывающих оптических усилителей.

Подробнее о развязывающих усилителях вы можете почитать: А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях» (глава 2), также будет полезен документ AN614 «A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers» от silicon labs, там есть хорошая сравнительная таблица. Оба источника есть в интернете.

Специальные микросхемы оптической развязки сигнала

Теперь к делу! Для начала сравним три специализированных микросхемы: il300, loc110, hcnr201. Подключенные по одной и той же схеме:

Рис.3. Тестовая схема для il300, hc n r201 и loc110.

Разница только в номиналах для il300, hcnr201 R1,R3=30k, R2=100R, а для loc110 10k и 200R соответственно (я подбирал разные номиналы чтобы добиться максимального быстродействия, но при этом не выйти за допустимые пределы, например, по току излучающего диода). Ниже приведены осциллограммы, которые говорят сами за себя (здесь и далее: синий – входной сигнал, желтый — выходной).

Рис.4. Осциллограмма переходного процесса il300.

Рис.5. Осциллограмма переходного процесса hcnr201.

Рис.6. Осциллограмма переходного процесса loc 110.

Теперь рассмотрим микросхему ACPL-C87B (диапазон входного сигнала 0..2В). Честно говоря с ней я провозился достаточно долго. У меня в наличии было две микросхемы, после того как получил неожиданный результат на первой, со второй обращался очень аккуратно, особенно при пайке. Собирал всё по схеме, указанной в документации:

Рис.7. Типовая схема для ACPL — C 87 из документации.

Результат один и тот же. Подпаивал керамические конденсаторы непосредственно вблизи ножек питания, менял ОУ (естественно проверял его на других схемах), пересобирал схему и т.д. В чем собственно загвоздка: выходной сигнал имеет значительные флуктуации.

Рис.8. Осциллограмма переходного процесса ACPL — C 87.

Несмотря на то, что производитель обещает уровень шума выходного сигнала 0.013 mVrms и для варианта «B» точность ±0.5%. В чем же дело? Возможно ошибка в документации, поскольку с трудом верится в 0.013 mVrms. Непонятно. Но посмотрим в графу Test Conditions/Notes напротив Vout Noise и на Рис.12 документации:

Рис.9. Зависимость уровня шума от величины входного сигнала и частоты выходного фильтра.

Здесь картина немного проясняется. Видимо производитель говорит нам о том, что мы можем задушить эти шумы через ФНЧ. Ну что ж, спасибо за совет (иронично). Зачем вот только всё это таким хитрым образом вывернули. Скорее всего понятно зачем. Ниже приведены графики без и с выходным RC фильтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Рис.10. Осциллограмма переходного процесса ACPL — C 87 без и с выходным фильтром.

Применение оптопар общего назначения для развязки сигнала

Теперь перейдем к самому интересному. Ниже приведены схемы, которые я нашел в интернете.

Рис.11. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.12. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.13. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Такое решение имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществу отнесем большее напряжение изоляции, к недостаткам то, что две микросхемы могут значительно отличаться по параметрам, поэтому кстати рекомендуется использовать микросхемы из одной партии.

Я собрал эту схему на микросхеме 6n136:

Рис.14. Осциллограмма переходного процесса развязки на 6 N 136.

Получилось, но медленно. Пробовал собирать и на других микросхемах (типа sfh615), получается, но тоже медленно. Мне надо было быстрее. К тому же часто схема не работает из-за возникающих автоколебаний (в таких случаях говорят САР неустойчива))) Помогает увеличение номинала конденсатора С2 рис. 16.

Один знакомый посоветовал отечественную оптопару АОД130А . Результат на лицо:

Рис.15. Осциллограмма переходного процесса развязки на АОД130А.

А вот и схема:

Рис.16: Схема развязки на АОД130А.

Потенциометр нужен один (RV1 или RV2) в зависимость от того будет выходной сигнал меньше или больше входного. В принципе можно было поставить только один RV=2k последовательно с R3=4.7k, ну или вообще оставить только RV2=10k без R3. Принцип понятен: иметь возможность подстройки в районе 5k.

Микросхема трансформаторной развязки сигнала

Перейдем к трансформаторному варианту. Микросхема ADUM3190 в двух вариантах на 200 и 400 кГц (у меня на 400 — ADUM3190TRQZ), также есть микросхема на более высокое напряжение изоляции ADUM4190. Замечу, корпус самый маленький из всех – QSOP16. Выходное напряжение Eaout от 0.4 до 2.4В. В моей микросхеме выходное напряжение смещения около 100мВ (видно на осциллограмме рис. 18). В целом работает неплохо, но лично меня несовсем устраивает выходной диапазон напряжения. Собрано по схеме из документации:

Рис.17. Схема ADUM3190 из документации.

Немного осциллограмм:

Рис.18. Осциллограмма переходного процесса ADUM3190.

Итоги

Подведем итог. На мой взгляд наилучшим вариантом является схема на отечественных АДО130А (где они их только взяли?!). Ну и напоследок небольшая сравнительная таблица:

Микросхема	tr+задерж. (по осцилл.), мкс	tf+задерж. (по осцилл.), мкс	Диап. напряж., В	Напряж. изоляции, В	Шум (по осцилл.) мВп-п.	Цена** за шт., р (05.2018)
IL300	10	15	0-3*	4400	20	150
HCNR201	15	15	0-3*	1414	25	150
LOC110	4	6	0-3*	3750	15	150
ACPL-C87B	15	15	0-2	1230	нд	500
6N136	10	8	0-3*	2500	15	50
АОД130А	2	3	0.01-3*	1500	10	90
ADUM3190T	2	2	0.4-2.4	2500	20	210

*- приблизительно (по собранной схеме с оптимизацией по быстродействию)

**- цена средняя по минимальным.
Ярослав Власов

P.S. АОД130А производства ОАО «Протон» (с гравировкой их логотипа в черном корпусе) — хороший. Старые (90х годов в коричневом корпусе) не годятся.

Введение

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

Методы развязки по питанию

Трансформаторы

Наиболее распространенной формой развязки является использование трансформатора. При проектировании схемы стабилизации питания, где требуется развязка, изолирующая часть конструкции связана с необходимостью повышения/понижения уровня напряжения и не рассматривается как отдельная часть системы. В случае, если необходимо изолировать всю электрическую систему (например, для многого автомобильного тестирующего оборудования требуется, чтобы источники питания были изолированы от сети переменного тока), для создания необходимой изоляции последовательно с системой может быть установлен трансформатор 1:1.

Рисунок 1 - Ассортимент SMD трансформаторов

Конденсаторы

Менее распространенным методом создания развязки является использование последовательно включенных конденсаторов. Из-за возможности протекания сигналов переменного тока через конденсаторы этот метод может быть эффективным способом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем метод с трансформатором, поскольку в случае неисправности трансформатор разрывает цепь, а конденсатор закорачивает. Одна из целей создания гальванической развязки от сети переменного тока заключается в том, чтобы в случае неисправности пользователь находился в безопасности от работающего неограниченного источника тока.

Рисунок 2 - Пример использования конденсаторов для создания развязки

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

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

Рисунок 3 - Схема типового оптоизолятора

Датчик Холла

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

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

Заключение

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

Практический пример

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

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

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.