Гальваническая развязка обеспечивает передачу энергии или конкретного сигнала между электрическими цепями, не имеющими прямого соединения. Эти принципы применяются для передачи сигналов с минимальным уровнем помех, обеспечения бесконтактного управления и защиты электрооборудования от возможных повреждений.
Типы гальванической развязки
Гальваническая развязка является широко применяемым методом в различных сферах, включая промышленную автоматизацию, медицинскую технику и телекоммуникации. В зависимости от конкретной области применения, существуют различные типы гальванической развязки. Трансформаторная, оптическая и цифровая, обеспечивают эффективную передачу сигналов и энергии, сохраняя при этом безопасность и стабильность работы систем.
Оптическая
Развитие новых технологий и полупроводниковых элементов открыло новые перспективы для проектирования развязки с использованием оптоэлектронных узлов. Оптроны (оптопары), построенные на тиристорах, диодах и транзисторах, обеспечивают гальваническую развязку через световой сигнал.
Основные компоненты оптической гальванической развязки включают в себя светодиод и фотодиод. Светодиод преобразует электрический сигнал в световой сигнал, который затем передается через оптический канал. На другом конце оптического канала фотодиод преобразует световой сигнал обратно в электрический сигнал.
Преимущества оптических пар включают компактность и возможность применения в микроэлектронике, передача сигналов на высоких частотах и обеспечение безопасности, так как оптический сигнал не создает электрическую связь между развязанными цепям
Недостатками гальванической развязки на оптопаре является ограничение диапазона частот, на которых она может передавать сигналы и при при высоком уровне электромагнитных помех сигнал в оптопаре может подвергаться искажениям.
Оптическая часть схемы, связывающая приемник и источник данных, использует фотоны в качестве носителей сигнала. Нейтральность фотонов позволяет электрически развязать выходную и входную цепи, а также согласовать цепи с различными сопротивлениями.
Преимущества оптических пар включают компактность и возможность применения в микроэлектронике. Диодные и транзисторные оптроны предоставляют различные характеристики, влияющие на скорость реакции, сопротивление и возможности управления токами.
Светодиод служит источником светового потока в данной паре. Это позволяет использовать оптическую гальваническую развязку вместо ключа для работы с частотами до нескольких десятков мегагерц. Недостатки включают невозможность управления большими токами без дополнительных элементов и малый коэффициент полезного действия.
Цифровая
Метод разделения электрических цепей с помощью цифрового сигнала получил название цифровой гальванической развязки, которая базируется на использовании цифровых изоляторов для обеспечения изоляции между отдельными цепями.
Основными компонентами – являются изоляторы, состоящие из двух частей: передатчика и приемника. Передатчик преобразует электрический сигнал в цифровой формат и передает его через гальваническую изоляцию к приемнику. Приемник в свою очередь преобразует цифровой сигнал обратно в электрический формат.
Цифровая гальваническая развязка может функционировать с высокой частотой, достигая нескольких десятков мегагерц, также позволяет предотвратить выравнивающие токи и обеспечить безопасность работы с электрическими цепями. Компоненты схемы обладают компактными габаритами.
Схема подключения цифрового изолированного барьера CHENZHU серии GS5000
Трансформаторная
Для построения трансформаторной (индуктивной) развязки применяют магнитоиндукционный элемент, известный как трансформатор.
Он позволяет осуществлять передачу между цепями как электрической мощности для питания, так информационных сигналов для управления. Первичная катушка трансформатора соединяется с источником сигнала, вторичная – с приемником. Выходное напряжение, извлекаемое с вторичной обмотки, пропорционально входному напряжению устройства.
Для развязки цепей используют магнитную связь между обмотками трансформатора, позволяющий передавать большие мощности на расстояние.
Несмотря на ряд преимуществ, наблюдаются и недостатки данного метода.
- Могут возникнуть искажение сигнала и снижение частоты, при появлении помех в выходном сигнале
- При работе с высокочастотными сигналами модуляция гальванической развязки через трансформатор может ограничивать частоту пропускания.
- Трансформаторы затрудняют создание компактных устройств из-за их габаритности, а также являются дорогими устройствами для передачи электрической мощности и информационных сигналов для управления.
В современных электронных схемах трансформаторная и оптоэлектронная гальваническая развязка стали чрезвычайно популярными.
Применение в промышленности
Зачем применяется гальваническая развязка? Гальваническая развязка применяется с целью обеспечения непрерывной передачи аналоговых и цифровых сигналов с минимальными искажениями и помехами. Ниже приведены области, где гальваническая развязка является необходимой:
Индустриальное оборудование.
Гальваническая развязка широко применяется в автоматизации производства, электроэнергетике и химической промышленности, где позволяет подключить различные устройства к общей системе без риска электрических помех и избыточного шума.
Медицинская техника.
В медицине применяется для обеспечения безопасности использования медицинских приборов для пациентов, где предотвращает возникновение опасных токовых петель.
Телекоммуникационные системы.
В области телекоммуникаций гальваническая развязка играет важную роль в защите связи от помех и перенапряжений. Это особенно критично при интеграции различных сетей и систем, где различные устройства могут функционировать в разных условиях.
Главная цель гальванической развязки аналоговых сигналов заключается в обеспечении надежной передачи данных и защите подключенных устройств от нежелательных электрических воздействий. Это помогает обеспечить стабильную работу системы и снизить риск повреждений при передаче сигналов.
