В электронике и электротехнике используется большое количество схем, в которых требуется изолировать или отделить высокое силовое напряжение от низкого напряжения управляющих цепей. За счет этого создается своеобразная защита низковольтных устройств от влияния высокого напряжения. То есть, в таких цепях уже нет течения обычного электрического тока. В таких случаях, при отсутствии тока, между устройствами возникает большое омическое сопротивление, вызывающее разрыв цепи. Данную проблему успешно решает гальваническая развязка, с помощью которой убирается гальваническая связь между устройствами.
Принцип действия
Гальваническая развязка в соответствии со своей функцией известна также под понятием гальванической изоляции. Данные системы обеспечивают электрическую изоляцию конкретной цепи по отношению к другим видам цепей, находящихся рядом. Применение гальванических развязок дает возможность бесконтактного управления, обеспечивает надежную защиту людей и оборудования от поражения электротоком.
Благодаря своим особенностям, гальваническая развязка обеспечивает обмен сигналами или энергией между цепями, исключая при этом непосредственный электрический контакт. С ее помощью образуется независимая сигнальная цепь за счет формирования независимого контура тока сигнальной цепи по отношению к токовым контурам других цепей.
Гальваническая изоляция используется во время измерений в силовых цепях и в цепях обратной связи. Данное техническое решение обеспечивает также электромагнитную совместимость, усиливает защиту от помех, повышает точность измерений. Используемый блок гальванической развязки на входе и выходе каждого устройства способствует улучшению их совместимости с другими приборами в условиях сложной электромагнитной обстановки.
Для того чтобы лучше представить себе, что такое гальваническая развязка, можно рассмотреть ее действие на примере стандартного промышленного электродвигателя. На производстве в большинстве случаев используется значение питающего напряжения, значительно превышающее 220 вольт и представляющее серьезную опасность для обслуживающего персонала.
Порядок подключения
Однофазное напряжение формируется методом подключения одной из фаз к нулевому проводу через нагрузку. В нашем случае нагрузкой служит первичная обмотка. Поэтому, когда фазный ток попадает на корпус прибора, то при его касании и одновременном контакте с заземленным предметом, через тело оператора проходит электрический ток.
Применение метода гальванической развязки исключает такую возможность, так как вторичная обмотка не заземлена. Поэтому, перед подключением убедитесь, что вы действительно имеете дело с разделительным трансформатором. Для этого тестером проверьте отсутствие соединения вторичной обмотки с корпусом и с витками первичной обмотки.
В том случае, если вторичная обмотка одна, а обе катушки физически разнесены на разные части сердечника, можно обойтись визуальным осмотром. В противном случае проверка обязательна. Заметьте, что между вторичными обмотками (если их несколько) гальваническая связь может существовать, и это нормально.
Пример схемы подключения приведен на рисунке 5. Обратите внимание, что корпус подключенного оборудования в первичную цепь на этой схеме заземлен. Кроме того, того, чтобы усилить защиту применено УЗО. Если вы используете переносной или стационарный разделительный трансформатор то заземлять оборудование во вторичной цепи не нужно.
Рис. 5. Схема подключения
Разница потенциалов между фазой и землей в первичной цепи составляет 220 В, в то время, как в защищенной цепи напряжение между фазой и землей нулевое.
Подключайте нагрузки, мощность которых не превышает номинала трансформатора. Несоблюдение этого правила может привести к перегреву обмоток, что чревато разрушениями изоляции.
Трансформаторная (индуктивная) развязка
Для того чтобы построить индуктивную развязку, следует использовать магнитоиндукционные устройства – трансформаторы. Его конструкция может быть с сердечником или без сердечника.
Оборудование цепей гальваноразвязкой индуктивного типа осуществляется с помощью трансформаторов, у которых коэффициент трансформации составляет единицу. К источнику сигнала подключается первичная катушка, а вторичная соединяется с приемником. На этом принципе гальванические развязки трансформаторного типа служат основой для создания магнитомодуляционных устройств.
Выходное напряжение, возникающее во вторичной обмотке, напрямую связано с напряжением на входе трансформаторного устройства. В связи с этим, индуктивная развязка имеет серьезные недостатки, почему и ограничивается ее применение:
- Невозможно изготовить компактное устройство из-за существенных габаритных размеров трансформатора.
- Частота пропускания ограничивается частотной модуляцией самой развязки.
- Помехи, возникающие во входном сигнале, снижают качество сигнала на выходе.
- Подобная трансформаторная гальваническая развязка может нормально работать только при наличии переменного напряжения.
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.
Принцип действия емкостной развязки
Нередко возникает вопрос, зачем нужны различные виды развязок, в том числе и емкостная развязка. Эта схема представляет собой систему, в которой между цепями отсутствуют связи через ток, землю и другие элементы.
В этом случае передача данных электрических цепей осуществляется с помощью переменного электрического поля. Изоляция цепей происходит за счет диэлектрика, расположенного между конденсаторными пластинами. Качество развязывающего конденсатора определяется свойствами диэлектрика, размером обкладок и расстоянием между ними. Данный вид изоляции обладает повышенной энергетической эффективностью, устройства на его основе отличаются незначительными размерами, способны передавать электроэнергию и не реагируют на внешние электромагнитные поля.
Нормальная работа устройств обеспечивается разделением частоты сигнала и помех. Таким образом, емкость оказывает рабочему сигналу совсем небольшое сопротивление, а для помех создает преграду.
Модуль гальванической развязки и задержки отключения питания для DIY аудиопроцессора в авто
Всем добрый день. Это будет небольшой обзор-заметка. Заканчивается год, а у меня в рамках обзоров остался один незавершенный вопрос. Если кто следил, то в обзоре DIY аудиопроцессора в авто, после установки устройства, я остался с проблемой наводок по линии питания (в динамиках можно было слушать приятный гул генератора на небольшой громкости), а также с проблемой небольшого хлопка в динамиках после выключения питания. Подобные проблемы появились также у людей, кто решил повторить мой проект, и, соответственно возникли вопросы по ликвидации этих недочетов системы. В ходе поисков вариантов решения, был рожден небольшой модуль гальванической развязки питания (на базе DC-DC преобразователя B1212S-2W) и схемы задержки отключения питания аудиопроцессора. Получился рабочий прототип, который уже успешно прошел испытания. Подробности в обзоре. С проблемой помех и шумов по линии питания процессора на ADAU1701 я уже сталкивался ранее, при внедрении аудиопроцессора в домашний УНЧ. Там я перепробовал разные варианты схем питания, но все равно приходилось ловить земляную петлю. Так было, пока я не решился попробовать запитать плату DSP от DC-DC преобразователя, который стоял на PiFi I2C DAC для RaspberryPi. Это был DC-DC модуль с гальванической развязкой B0505S. Припаялся к выводам преобразователя на плате и все шумы и помехи исчезли. Такой же способ я решил применить к аудиопроцессору в авто. Для своего устройства я решил приобрести модуль B1212S-2W. Заказывал в трех местах:
- 1 шт./лот B1212S B1212S-2W DIP-4
- 1 шт./лот B1212S-2W B1212S B1212S-2 B1212 DIP-4
- 1 шт. B1212S-2W DIP-4 Модуль Аутентичные B1212S B1212S-2 DIP B1212
Все рабочие.
Преобразователь выглядит следующим образом:
Пользуясь рекомендациями по подключению данных модулей от одного из производителей (DELUS B-1W & F-1W Series)
собрал на макетной плате небольшую схему из предохранителя 1А, диода, конденсатора (поставил параллельно два по 820 uF) и модуля B1212S-2W. После преобразователя поставил пленочный конденсатор 1,8 uF.:
Собрал и пошел пробовать в авто. Помехи по питанию пропали, сразу тишина, зато хлопок при выключении только увеличился, его стало уже реально слышно, что совсем не хорошо для динамиков. Затем я стал экспериментировать с конденсаторами большой емкости после преобразователя, чтобы придержать падение напряжения на ADAU1701, но B1212S-2W не выдержал таких издевательств. Пришлось заказывать новый.
В то же время, надо было решать вопрос с хлопком при выключении. Единственной идеей тогда было поставить реле задержки выключения питания, которое я даже заказал. (DC 12 В светодиодный цифровой дисплей домашней автоматизации реле задержки Триггера времени цепи таймер управления цикл Регулируемый переключатель релейный модуль) Но мне не нравился вариант, что реле должно всегда находиться в рабочем состоянии с действующим питанием.
Я начал поиск в сети различных схем задержки отключения питания, которые я смог бы реализовать. Для многих обитателей муськи это элементарные вещи, а для меня это реально вопрос).
Нашел следующую схему, которая мне понравилась своей простотой, а главное тем, что необходимые детали у меня были в наличии:
На базе неё я подготовил следующую схему своего модуля фильтра питания и устройства задержки выключения:
В данной схеме время задержки отключения питания задается емкостью конденсатора С1 (я использовал конденсатор 820 uF), а также резистором R2. При номинале резистора в 1кОм время задержки составило 2-3 секунды, я поставил резистор 3кОм, тем самым увеличив время выключения до 8-10 секунд, решил перестраховаться, так как не знаю, как быстро отключаются полностью усилители.
Нашел небольшое 12В реле от схемы защиты старого усилителя сабвуфера, VT1 – простой биполярный NPN транзистор. Так как напряжение в авто при рабочем двигателе составляет около 14,2В, то я решил добавить в схему стабилитрон на 12В (5Вт) с балластным резистором 8,2 Ом (я использовал резисторы 3Ом+4,7Ом, 2Вт). Тем самым напряжение питания на DC-DC преобразователе B1212S-2W теперь не превышает 12,6В. На выходе DC-DC преобразователя пришлось поставить конденсатор С3 емкостью 1,8 мкФ, больше не было в наличии. По всем линиям питания закрылся предохранителями 1А.
Схему изначально планировал собрать на макетной плате, поэтому и разводку платы делал для удобного макетного способа сборки. Делал в KiCAD, чтобы точно знать, что всё влезет с простыми соединениями:
Нашел старый корпус от разобранного ноутбучного БП, и установил свою плату прямо в нем, припаяв и зафиксировав провода питания и сигнала REM +12В:
Не сделал фото установки в авто, было холодно, хотелось сделать быстро, и было не до фото. Просто подключил все провода питания, и сам аудиопроцессор к клеммнику нового фильтра питания.
Включил питание, убедился в отсутствии шумов и помех, а также отсутствии хлопка при выключении, всё заработало как я хотел. Сделал несколько включений и выключений, и обнаружил, что на каждое третье-четвертое включение ADAU1701 не стартует, тишина. По линии питания добавились конденсаторы, увеличилось время нарастания напряжения и ADAU1701 не хочет стабильно запускаться. Такая же проблема была и в домашнем УНЧ, но тогда мне подсказал уважаемый dskinder в комментариях к тому обзору (ссылка на комментарий:), и я опять воспользовался советом, и уже прямо в авто добавил к конденсатору С13 на плате ADAU1701 параллельно конденсатор емкостью 1мкФ:
В итоге проблемы с запуском ADAU1701 исчезли, хлопки исчезли, шумы и ставший родным звук генератора тоже покинули систему. На сегодняшний момент все текущие проблемы решены, можно смело пользоваться.
Если у кого есть замечания, или более простые варианты решения, то буду очень рад критике и советам, так как компетентных людей в этой сфере на данном ресурсе очень много.
Файл проекта в KiCAD: power_filter_kicad.zip
