Гальваническая развязка (ГР) – это передача питания или сигнала без электрического контакта между цепями приёмника и передатчика. Основная необходимость её применения – это защита приёмных или передающих цепей от высоких потенциалов, действующих в одной из них. Также ГР используется для складывания полюсов питания/сигнала, чтобы не было замыкания по общему проводнику. Как это происходит и что она развязывает – мы рассмотрим в данной статье. Но только пока трансформаторного и релейного типа.
Трансформаторная гальваническая развязка
Любой участок электрической цепи имеет свои постоянные или переменные, также импульсные потенциалы, вызванные питающим напряжением источников или генераторов. Они могут изменяться электронными каскадами аналоговых или цифровых модулей либо узлов.
Но такое будет происходить лишь до того времени, пока к участку этой цепи не подключится проводник с ёмкостными, индуктивными и резистивными связями. В этом случае потенциалы изменятся, но чтобы ограничить их ток, нужна ГР.
Что будет, если гальваническую развязку не применять?
Примером системы зарядки аккумулятора без ГР может служить схема фонарика (ниже). Она обладает простотой, но имеет существенный недостаток. Зарядку батареи можно производить только при закрытом корпусе. Щелочные аккумуляторы неприхотливы к напряжению заряда. Поэтому для них используют простейшую топологию выпрямителей. К примеру, схема, изображённая выше, содержит лишь диодный мост (V1-V4) и ограничитель на конденсаторе C1 с резистором его саморазряда R1.
Если прикоснуться к плюсовому электроду АКБ, то сетевое фазное напряжение, в случае его подведения к нижнему контакту сетевой вилкой, будет подключено к плюсовой шине через диод V3 (в одну полуволну переменной составляющей) и через V4, C2 – во вторую. Если вилка вставлена так, что фаза находится сверху, то ограничением становится конденсатор C1 и диоды V1,V2. Резистор R1можно не учитывать, так как его сопротивление большое и особой «беды» он не принесёт.
Зато все вышеперечисленные компоненты, диодный мост и конденсаторы, фазное напряжение сети не смогут значительно ограничить. Т.е. смертельный удар током можно получить, достаточно прикоснуться к почти любой точке этой схемы во время заряда батареи. Но фонарик надёжно закрыт изоляционным материалом корпуса, поэтому никакой опасности не представляет, Если же корпус раскрыть, и подключить сетевой шнур, то под опасным потенциалом станут находиться почти все электронные компоненты фонарика. Об этом есть предупреждение на корпусе и в инструкции.
Почему так происходит? Да потому что ток заряда аккумулятора протекает по проводам и через компоненты (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и пр.). Через эти же радиодетали успешно будет протекать и ток фазного потенциала на землю, если создать такую цепь. Выходит всё, что питается от сети ~230В, имеющей фазу с высоким (пик синусоиды доходит до 310В) напряжением, имеет такой потенциал относительно земли и элементов, контактирующих с ней.
При этом, контакт с землёй может быть не только резистивным, но и ёмкостным. А если учесть, что тело человека большое, а площадь рядом находящейся земли и токопроводящих предметов с ней контактируемых тоже не малая, то образовавшаяся емкость может быть достаточной для возникновения опасного тока. Напомним, что всего 50 мА считается смертельно опасным. Поэтому все элементы, к которым человек, возможно, будет прикасаться, необходимо как-то отделить от этой «поскудной» фазы сети.
Что даёт гальваническая развязка
Для отделения от фазного напряжения используется ГР, которая «развязывает» (разделяет) потоки питания или сигнала при переходе с одной цепи на вторую. Возьмём, к примеру, схему зарядного устройства автомобильного аккумулятора. К выходным клеммам человек может прикасаться и ему ничего не будет, даже если он босиком стоит на сырой земле. А почему так? В схеме есть трансформатор, который имеет эту самую ГР.
Секретом ГР в этой схеме является само устройство трансформатора. Он работает по принципу преобразования энергии из первичной обмотки в магнитный поток, который опять вызывает электрический ток, но уже во вторичной обмотке. Таким образом, трансформатор, преобразуя величины напряжения соотношением витков, гальванически развязывает цепи первичной и вторичной обмоток.
Причём, в трансформаторе обмоток может быть несколько. Так что ГР образуется не только между сетевой и вторичной обмотками, но и между цепями всех обмоток, если там нет соединений или ёмкостных связей. В автотрансформаторе по определению нет ГР, так как витки гальванически соединены между собой, хоть и последовательно.
Гальваническая развязка в импульсных блоках питания и регуляторах мощности
А как же тогда в импульсных преобразователях? Там тоже может быть ГР? Может быть, а может и не быть, но если реализована, то на малогабаритном кольце или трансформаторике. Если развязка не нужна, то преобразователь имеет лишь катушку индуктивности или автотрансформатор, внешне схожие с трансформатором. Но, если нужно гальваническое разделение – то выходная обмотка или обмотки не делают связанными между собой.
В итоге энергия высокочастотным трансформатором передаётся с первичной обмотки во вторичные, без гальванической связи между ними. Таким образом, первичная обмотка может иметь связь с фазой сети, но через разделяющий трансформатор опасный потенциал не попадёт на выход. Впрочем, опасное «у-гу-гу» может быть и в цепях вторичной обмотки. В подобных случаях первичная цепь, чаще всего, управляющая. А во вторичке – мощный ключ, тиристор или симистор.
Почему низкочастотные трансформаторы крупнее импульсных
Малые габариты высокочастотных трансформаторов достигаются тем, что мощные потоки импульсов, генерируемых схемой ШИМ-контроллеров, вспыхивают в первичной обмотке несколько тысяч раз за секунду. Т.е. преобразование происходит мелкими порциями, хотя и очень часто повторяющимися.
Сетевой трансформатор на частоте преобразования 50 Гц имеет всего 100 полуволн, поэтому вынужден создавать большой магнитный поток в каждой из них. За время одной сотой секунды на сердечнике скапливается такая магнитная волна, что способна нагреть сердечник. Чтобы уменьшить температуру, площадь его поперечного сечения увеличивают с ростом передаваемой мощности. Вот почему мощные сетевые трансформаторы громоздкие.
Гальваническая развязка в сигнальных цепях
Так же как и питание переменного тока, сигнал тоже можно развязать с помощью трансформатора. Но здесь есть одна особенность. Обмотки имеют индуктивность, поэтому на разных частотах будут оказывать различные сопротивления. В итоге, если сигнал широкополосный, то искажений на высоких и низких участках диапазона никак не избежать. Но, если достоверность сигнала не имеет острого значения, то их применение оправдано.
Безтрансформаторные виды гальванических развязок
Цепи электропитания развязывают гальванически с помощью трансформаторов. Это простой и недорого способ. А вот сигнальные и управляющие цепи можно гальванически изолировать при помощи других электромеханических, оптоэлектронных и электронных компонентов.
Релейная или электромеханическая развязка
Если скорость коммутации требуется сравнительно небольшая, до десятой части секунды, то для реализации ГР в системах коммутации применяют электромагнитные реле. Их принцип работы основан на действии электромагнита, который притягивает якорь или часть сердечника, механически соединённые с контактом или их группами. Такие устройства называют электромагнитными реле или контакторами в зависимости от мощности коммутируемой нагрузки.
На схеме управляющая цепь запитана непосредственно с фазы, поэтому здесь ГР не применена. Но цепь катушки управления может питаться от любой сети, так как в контакторе развязка имеется. Если используются контакторы с катушкой на 110В, 36В или 24В, то питание на управление берут с дополнительного трансформатора.
Также есть герконовые реле, которые состоят из катушки, внутри которой помещён 1 или несколько запаянных в стеклянную колбу поляризованных контактов (герконов). Под действием электромагнитного поля, создаваемого катушкой, они замыкаются, размыкаются либо переключаются, в зависимости от конструкции. Так как катушка хорошо изолирована от контактов, то реализуется ГР между каскадом управления и исполнительными контактами.
Достоинства релейной гальванической развязки
Реле и контакторы позиционируют сравнительно невысокой стоимостью и простотой технологии изготовления. Их применение реализует надёжную изоляцию между схемой управления (включения) и цепями коммутации, также между коммутируемыми цепями между собой. Такое свойство позволяет создать надёжную обратную связь, также имеющую ГР.
Например, временно поданным напряжением можно включить реле или контактор, а дополнительные его контакты замкнут цепь управления на дальнейшее питание катушки. В итоге получается своего рода триггер, выключить который можно разрывом цепи питания катушки (см. схему пуска 3-фазного двигателя, выше). Именно таким способом чаще всего реализуется включение/выключение электродвигателей и мощных агрегатов на производстве, да и в быту.
Недостатком релейной гальванической развязки
Минусом использования реле является сравнительная медленность включения, которая не позволяет им работать в скоростной электронике. Также исполнительные контакты, включаемые электромеханически, имеют дребезг – свойство многократного замыкания/размыкания контактов в короткий момент коммутации. Это неприемлемо в системах скоростного управления.
Разрыв силовой цепи, особенно, если в ней имеется индуктивная нагрузка сопровождается дугообразованием, которое излучает сильные помехи. Поэтому, и не только из-за этого, контакты реле, пускателей и контакторов имеют ограниченный ресурс использования.
Длительное бездействие контактов, также пребывание их во влажной среде может привести к их окислению. Из-за этого сопротивление включенного их состояния может возрасти. В любом случае, аппаратура, содержащая реле или контакторы требует регулярного обслуживания.