Что такое гальваническое питание
Электроника для всех
Блог о электронике
Гальваническая развязка аналогового сигнала
Порой приходится делать гальваническое разделение аналогового сигнала. Например, чтобы отделить АЦП контроллера от высоковольтной части. И если с передачей дискретных сигналов все более менее понятно, там можно обойтись обычным оптроном, работающим в режиме вкл-выкл, то что делать с аналоговым сигналом?
Первое что приходит на ум, так это взять какую-нибудь оптопару и попробовать питать ее светодиод не номинальным напряжением, а нашим аналоговым сигналом. Ведь если напряжение на входе меньше, то светодиод горит тусклее и у фотодиода или фототранзистора на выходе будет совсем другое открытие. Если посмотреть даташит на какую-нибудь оптрон, вроде дешевого и популярного LTV817, то да, можно увидеть вполне характерную зависимость тока выхода (IC от тока входящего в светодиод (IF):
И даже можно попробовать на нем что-то изобразить. Но возникает несколько проблем. И главная даже не в нелинейности. В конце концов, в большинстве случаев, у нас сигнал все равно идет на АЦП какое-нибудь. А там нелинейность можно бы и программно исправить — бомбануть табличку или по формулам с кусочно-линейной аппроксимацией. Нет, главная проблема тут в разбросе параметров самих оптронов от штуки к штуке, даже в пределах одной партии, более того, они еще и с температурой очень сильно изменяют свои характеристики. Получится система которую сложно повторить и откалибровать. Скорей получится сделать всратый термометр чем линию связи 🙂
Будь то фотодиод, фототранзистор или фоторезистор. Для сколь-нибудь точной передачи сигнала подходит так себе. Но это можно исправить и поможет нам наш старый дружок… Операционный усилитель! :))))
Первым делом он поможет нам линеаризовать сигнал. Т.е. можно будет смело забыть про эти кривые передаточные характеристики оптического канала и все что влезло вылезет в том же виде. А это существенно все упрощает.
Делаем обратную связь через оптический канал. Как это работает. Допустим, в начальном состоянии, фототранзистор затемнен, закрыт и точка А подтянута к +V, пусть там будет вольт 15. А на точку В подали, скажем, 3 вольта входного сигнала. На выходе будет (15-3) * дохрена = напряжение которое зажжет светодиод оптопары и начнет открывать фототранзистор. А он, в свою очередь, просадит напряжение подтяжки в точке А до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением на точке В и ОУ не успокоится, замерев в этом устойчивом положении.
Если промоделировать, то увидим, что напряжения идентичные.
Желтый луч это входной с генератора, а синий с обратной связи.
Почти… у выходного (Сигнал В) сигнала есть небольшая плоскость внизу. Это связано с тем, что транзистор оптопары не может придавить сигнал совсем в ноль. Чтобы от нее избавиться надо чуток приподнять входной сигнал, добавив к нему смещение в пол вольта-вольт. Например, сделав сумматор из ОУ. Но это уже не большая проблема, сумматор можно собрать на другом ОУ из той же микросхемы.
Окей, классно. Приравняли мы напряжение А и В с помощью ОУ. А что нам это дает? Они ведь все равно на одной стороне находятся. Что дальше? А дальше мы можем взять вторую, точно такую же оптопару, а лучше второй канал сдвоенной оптопары (чтобы максимально идентичные свойства были) и насадить на тот же выходной ток с нашего ОУ. И он будет дублировать напряжение на той стороне. Вот так:
Токи через светодиоды идут одинаковые, значит светят они идентично. Транзисторы одинаковые (насколько это возможно), а значит на выходе будет то же самое напряжение.
На модели все также:
Если делать смещение, то тут же, на принимающем ОУ, его можно и отрезать.
Под такое дело есть даже специальные линейные оптопары. Они отличаются лучшими характеристиками в плане работы в линейном режиме, а еще имеют один светодиод, светящий на сразу на два фотодетектора. Что еще больше снижает разбег параметров, повышая точность. Типичный представитель такой микросхемы HCNR200 в ней один светодиод и два фотодиода. Включается она следующим образом:
Тут все почти то же самое. Только фотодиод тянет линию вверх, когда засвечивается. Стремясь сравнять напряжения на А и В. А второй фотодиод, по ту сторону барьера, за ним повторяет один в один.
Если промоделировать, то все работает идентично.
Но уже нет площадки на выходе. А если она у вас появляется сверху, значит фотодиод не может выдать нужный ток, чтобы обеспечить падение напряжения и надо увеличить сопротивление резистора который тянет вниз.
У данного способа развязки много недостатков. Он не очень точен, не очень быстр. Никакой прецизионности тут не будет, погрешность в пару процентов вам обеспечена. И вряд ли вы сможете перетащить сигнал быстрей нескольких десятков килогерц через такую сборку. Но у него есть одно несомненное достоинство — ультимативная дешевизна и простота. Так что если вас не смущает погрешность в несколько процентов, а частоты невелики, то зачем платить по пол сотни баксов за прецизионные изолированные ОУ, если можно обойтись всего двумя тремя бачинскими за попсовый оптрон и не менее попсовый же операционный усилок.
Вот такой вот способ передачи аналогового сигнала с гальванической развязкой. В следующий раз я наброшу еще несколько способов.
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.
28 thoughts on “Гальваническая развязка аналогового сигнала”
За пинок пожалуйста. Но я никак не догоняю — чем плох привычный трансформатор. Вроде именно для аналогового сигнала это первостатейный вариант?
Спасибо за статью. Тема безусловно полезная.
Вопрос лишь цены и качества. Часто нужно перетащить за барьер просто некий аналоговый показатель с точностью плюс-минус пол карасика. И втыкать туда прецизионный изолированный ОУ за 50 баксов, когда хватит и копеечного оптрона с не менее копеечным ОУ общего назначения, решение крайне глупое.
Наверно надо было начать статью не с
«Порой приходится делать гальваническое разделение аналогового сигнала…»
, а с описания конкретной задачи, для которой этот метод подходит — диапазон частот, точность АЦП, и так далее.
Вот, например, следующие две задачи походят друг на друга, но решаются совершенно разными способами.
Первая задача. Нужно изготовить однофазный счётчик электроэнергии для сети 220В/50 Гц. Мощность приборов не более 2 КВт.
Вторая задача. Нужно изготовить прибор, который отслеживает работу фекального насоса. (У меня, реально был такой заказ.) Насос работает в сети 220В. Предполагаемая мощность насоса 300-1000 Вт. Насос сам может включаться и выключаться согласно своего датчика уровня. Проблема в том, что насос может «закиснуть» или забиться твёрдым мусором. В этом случае его лучше отключить, а не давать ему многократно пытаться запускаться. (У моего заказчика так когда-то он так и вышел из строя.)
Понятное дело, что в первом случае нужно блюсти точность измерений. А во втором случае — чисто различать потребляемую мощность по поддиапазонам — номинальная мощность, перегрузка, выключено, которые, возможно, придётся немного подстроить в процессе экскплуатации.
Случаи-то они разные бывают. Тебе какую задачу-то нужно было решать описанным в статье методом? А читатели — они о чём подумали? Отсюда и вопросы у них.
Гальваническая развязка
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.
В связи с этим, подача тока на обмотки и включение двигателя осуществляется с применением специальных устройств, обеспечивающих коммутацию силовых цепей. В свою очередь, коммутаторы также управляются, чаще всего кнопками включение и выключения. Именно на этом участке и требуется развязка, защищающая оператора от воздействия опасного напряжения. Оно не попадает на пульт управления, благодаря механическому взаимодействию конструктивных элементов пускателя с магнитным полем.
В настоящее время данные системы используются в различных вариантах технических решений: индуктивные, оптические, емкостные и электромеханические.
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:
Гальваническая развязка оптоэлектронного типа
С развитием высоких технологий, использующих полупроводниковые элементы, все более широкое распространение получают БГР – блоки гальванической изоляции на основе оптоэлектронных узлов. Их основой служат оптроны, известные среди электротехников в качестве оптопар, выполненных на основе диодов, транзисторов, тиристоров и других элементов, обладающих повышенной светочувствительностью.
Общая схема оптической части, связывающая источник данных с приемником, использует в качестве сигнала нейтральные фотоны. Благодаря этому свойству, выполняется развязка цепи на входе и выходе, а также ее согласование с входными и выходными сопротивлениями.
Когда используется оптоэлектронная схема, приемник совершенно не влияет на источник сигнала, поэтому сигналы могут модулироваться в широком частотном диапазоне. Данные устройства обладают компактными размерами, поэтому они часто используются в микроэлектронике.
В конструкцию оптической пары входит световой излучатель, проводящая среда для светового потока, а также приемник, преобразующий свет в электрические сигналы. Сопротивление на входе и выходе оптрона очень большое, прядка нескольких миллионов Ом.
Вначале входной сигнал попадает на светодиод, далее в виде света он по световоду попадает на фототранзистор. На выходе устройства данная схема создает перепад или импульс выходного электрического тока. В результате цепи, связанные с двух сторон со светодиодом и фототранзистором, оказываются изолированными между собой.
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.
Работа электромеханической развязки
Помимо уже перечисленных, существует электромеханический вариант развязки. Вопрос для чего он нужен, практически не возникает, поскольку устройства на этой основе широко применяются в электротехнике.
Основой таких приборов служит реле, соединяющее электрические цепи в результате каких-либо изменений входных данных. В итоге они оказываются развязанными, а сама система получила название релейной.
Наиболее ярким примером является схема электромагнитного реле. Эти приборы нужны для защиты электроустановок и в различных автоматических системах. Они разделяются на реле постоянного и переменного тока. Основным элементом считается якорь, которые под действием электромагнита и пружины осуществляет замыкание и размыкание контактов.
Принцип работы гальванического элемента
Что такое гальванический элемент
Диммер – что это, принцип действия светорегулятора, преимущества и недостатки, область применения, схема подключения устройства
Импульсный блок питания
Принцип действия поляризованного реле
Трансформаторы тока назначение и принцип действия
Гальванический элемент
Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани.
Содержание
История изучения гальванических процессов
Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета Луиджи Гальвани в 1786 году. Гальвани описал сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закрепленных на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».
Итальянский физик и химик Алеcсандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришел к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение А. Вольта заменил лапку лягушки электрометром и повторил все действия. В 1800 году А. Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов. Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления. Русский ученый Петров в 1802 году использовал гальванический элемент для построения электрической дуги.
Виды электродов
В состав гальванического элемента входят электроды. Электроды бывают:
Обратимые электроды
Ионоселективные мембранные электроды
Характеристики гальванических элементов
Гальванические элементы характеризуются: э.д.с., емкостью, энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь, сохраняемостью.
Классификация гальванических элементов
Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше цинковый электрод служит анодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит катодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.
Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целом рядом преимуществ, в частности существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки.
Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.
Также существуют щелочные аккумуляторы. Наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит KOH.
В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.
Применение
См. также
Литература
Ссылки
 Химические источники тока | |
|---|---|
| Гальванический элемент | Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | Ртутно-цинковый элемент | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона |
| Электрические аккумуляторы | Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый |
| Топливные элементы | Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной |
| Модели | Батарея | Электрический аккумулятор | Топливный элемент |
| Устройство | Анод | Катод | Электролит |
Полезное
Смотреть что такое «Гальванический элемент» в других словарях:
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно восстановительной реакцией. В состав гальванического элемента входят два разнородных электрода (один… … Большой Энциклопедический словарь
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — источник тока, в котором электрическая энергия возникает за счёт химической реакции. Гальванический элемент состоит из 2 электродов, помещённых в электропроводную жидкость (электролит). Применяются почти исключительно «сухие» элементы, в которых… … Краткая энциклопедия домашнего хозяйства
Гальванический элемент — ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, химический источник тока; вырабатывает электроэнергию в результате прямого преобразования химической энергии окислительно восстановительной реакций. Различают гальванический элемент одноразового (первичные элементы),… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
гальванический элемент — элемент Химический источник тока, состоящий из электродов и электролита, заключенных в один сосуд, предназначенный для разового или многократного разряда. [ГОСТ 15596 82] EN cell basic functional unit, consisting of an assembly of electrodes,… … Справочник технического переводчика
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — первичный источник постоянного электр. тока, в к ром хим. энергия, освобождающаяся при хим. процессах, превращается в электрическую. Технический железнодорожный словарь. М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство. Н. Н.… … Технический железнодорожный словарь
гальванический элемент — – система, в которой химическая энергия окислительно восстановительного процесса превращается в электрическую. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — устройство, в котором электрическая энергия получается за счёт самопроизвольной хим. реакции. Простой хим. источник тока состоит из двух электродов отрицательного (напр. цинк) и положительного (напр. медь, оксиды металлов, уголь), погружённых в… … Большая политехническая энциклопедия
гальванический элемент — химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно восстановительной реакции. В состав гальванического элемента входят два разнородных электрода (один … … Энциклопедический словарь
гальванический элемент — elektrocheminis elementas statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminis elektros energijos šaltinis, kuriame elektrocheminių reakcijų energija verčiama elektros energija. atitikmenys: angl. electrochemical cell; element; galvanic cell; voltaic… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Гальванический элемент — 2. Гальванический элемент Элемент Galvanisches Element Химический источник тока, состоящий из электродов и электролита, заключенных в один сосуд, предназначенный для разового или многократного разряда Источник: ГОСТ 15596 82: Источники тока… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации