Гальваническая развязка. виды и работа. особенности

Схемы решений гальванической развязки

Во время построения сложных систем для цифровой обработки поступаемых сигналов, связанных с функционированием в промышленных условиях, гальваническая развязка должна решать следующие задачи:

Защищать компьютерные цепи от воздействия критических токов и напряжений

Это важно, если условия эксплуатации предполагают воздействие на них промышленных электромагнитных волн, существуют сложности с заземлением и т. д. Такие ситуации встречаются также на транспорте, имеющем большой фактор человеческого влияния

Ошибки могут становиться причиной полного выхода из строя дорогостоящего оборудования.
Предохранять пользователей от поражения электрическим током. Наиболее часто проблема актуальна для приборов медицинского назначения.
Минимизации вредного влияния различных помех. Важный фактор в лабораториях, выполняющих точные измерения, при построении прецизионных систем, на метрологических станциях.

Такие ситуации встречаются также на транспорте, имеющем большой фактор человеческого влияния. Ошибки могут становиться причиной полного выхода из строя дорогостоящего оборудования.
Предохранять пользователей от поражения электрическим током. Наиболее часто проблема актуальна для приборов медицинского назначения.
Минимизации вредного влияния различных помех. Важный фактор в лабораториях, выполняющих точные измерения, при построении прецизионных систем, на метрологических станциях.

В настоящее время широкое использование имеют трансформаторная и оптоэлектронная развязки.

Принцип работы оптрона

Светоизлучающий диод смещается в прямом направлении и принимает только излучение от фототранзистора. По такому методу осуществляется гальваническая связь цепей, имеющих связь с одной стороны со светодиодом и с другой стороны с фототранзистором. К преимуществам оптоэлектронных устройств относится способность передавать связи в широком диапазоне, возможность передачи чистых сигналов на больших частотах и небольшие линейные размеры.

Размножители электрических импульсов

Обеспечивают требуемый уровень электроизоляции, состоят из передатчиков-излучателей, линий связи и приемных устройств.

Линия связи должна обеспечивать требуемый уровень изоляции сигнала, в приемных устройствах происходит усиление импульсов до значений, необходимых для запуска в работу тиристоров.

Применение электрических трансформаторов для развязки повышает надежность установленных систем, построенных на основании последовательных мультикомплексных каналов в случае выхода из строя одного из них.

Параметры мультикомплексных каналов

Сообщения каналов состоят из информационных, командных или ответных сигналов, один из адресов свободен и используется для выполнения системных задач. Применение трансформаторов повышает надежность функционирования систем, собранных на основе последовательных мультикомплексных каналов и обеспечивает работу устройства при выходе из строя нескольких получателей. За счет применения многоступенчатого контроля передач на уровне сигналов обеспечиваются высокие показатели помехозащищенности. В общем режиме функционирования допускается отправка сообщений нескольким потребителям, что облегчает первичную инициализацию системы.

Простейшее электрическое устройство – электромагнитное реле. Но гальваническая развязка на основе этого прибора имеет высокую инертность, относительно большие размеры и может обеспечить только небольшое число потребителей при большом количестве потребляемой энергии. Такие недостатки препятствуют широкому применению реле.

Гальваническая развязка типа push-pull позволяет значительно уменьшить количество используемой электрической энергии в режиме полной нагрузки, за счет этого улучшаются экономические показатели использования устройств.

Развязка типа push-pull

За счет использования гальванических развязок удается создавать современные схемы автоматического управления, диагностики и контроля с высокой безопасностью, надежностью и устойчивостью функционирования.

Термин: Развязка гальваническая

Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Гальваническая изоляция, как правило, применяется для решения одной из двух (или обеих) задач:

1. Обеспечение независимости сигнальной цепи (при подключении приборов и устройств) за счёт того, что гальваническая изоляция обеспечивает независимый контур тока сигнальной цепи относительно других контуров тока, возникающих при соединении приборов и устройств. Например, это может быть независимость цепи измерения от силовой исполнительной цепи. Независимость сигнальной цепи решает целый ряд проблем электромагнитной совместимости (ЭМС): улучшает помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует лучшей его совместимости с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка бывает как групповая (одна на несколько каналов измерения), так и поканальная (индивидуальная для каждого канала измерения).

2. Обеспечение электробезопасности при работе с оборудованием согласно ГОСТам на электробезопасность. Для электрического оборудования для измерения, управления и лабораторного применения применяют ГОСТ 12.2.091-2012, согласно которому определяют требования к стойкости изоляции (испытательному напряжению)

Важно отметить, что гальваническая изоляция – это одна из технических мер обеспечения электробезопасности, поэтому требования к изоляции конкретной цепи всегда следует рассматривать в совокупности с другими мерами электобезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д.), принятыми в данном конкретном случае. В любом случае, испытательное напряжение изоляции, указанное в документации на оборудование, должно многократно превышать номинальные напряжения изолируемых цепей

Следует отметить, что гальваническая развязка цепей может обеспечиваться разными техническими способами: трансформаторная (индуктивная) гальваноразвязка (трансформаторы, цифровые изоляторы на высокочастотном трансформаторном принципе), оптическая гальваноразвязка (оптроны, оптореле), ёмкостная гальваноразвязка (цифровые изоляторы на ёмкостном принципе), электромеханическая развязка (электромеханические реле). Эти способы отличаются не только очевидными эксплуатационными параметрами «по назначению», но и, например, менее очевидными параметрами обеспечения «степени независимости» изолируемых цепей. Например, обычный сетевой трансформатор питания может иметь межобмоточную ёмкость – тысячи пФ, в то время как оптрон – десятые доли пФ. Эта ёмкость гальваноразвязки существенно влияет на сквозные токи высокой частоты через гальваноразвязку и фактически определяет независимость изолируемых цепей для синфазного напряжения с высокой скоростью нарастания.

Перейти к другим терминам	Cтатья создана:	06.07.2014
О разделе «Терминология»	Последняя редакция:	26.07.2019

Термин используется при описании электрических свойств входов и выходов измерительных приборов, исполнительных и интерфейсных устройств. Ниже приводим примеры измерительных приборов с гальванической изоляцией измерительных цепей.

Измерительная система LTR

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов; ±0,2 В…10 В; 2 МГц ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц Цифровые входы/выходы: 17/16, ТТЛ 5 В Интерфейс: USB 2.0 (high-speed), Ethernet (100 Мбит) Гальваническая развязка.

Модуль АЦП/ЦАП 16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, USB, Ethernet

E-502

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов; ±0,2 В…10 В; 2 МГц ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц Цифровые входы/выходы: 18/16 TTL 5 В Интерфейс: PCI Express

Плата АЦП/ЦАП 16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, PCI Express

L-502

Точность измерения: • напряжения и тока ±0,1% • активной мощности ±0,2% • активной энергии — класс 0,2S

Прибор контроля качества электроэнергии

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.

Классификация

В настоящее время промышленно выпускается несколько разновидностей разделительных трансформаторов, предназначенных для безопасной эксплуатации электроустановок. Различают следующие виды таких устройств:

токовые – первичная катушка служит для подключения источника тока, вторичная направляется к электросчётчику или аналогичному аппарату. Устанавливается в измерительной или релейной электросети;
пиковые – для преобразования синусоидального напряжения, в большинстве случаев применяются в цифрующих устройствах;
импульсного типа – преобразуют полученный сигнал в импульс, сглаживают высокочастотные помехи;
автоматические – в конструкции воедино соединяются входная и выходная обмотки, что формирует связь электрическую, вместе с магнитной;
силовые – с несколькими обмотками, позволяющими одновременно с передачей трансформировать характеристики;
портативные – применяются для организации осветительных систем на улице или в помещении.

Также читайте: Однофазный литой трансформатор тока — ТПОЛ Аппараты могут предусматривать узкоспециализированные условия применения. Подобные аппараты устанавливаются в медицинских учреждениях для электроснабжения операционных, стационарных и других важных отделений, где предъявляются высокие требования к безопасности.

Разделительный трансформатор

Изолированные системы сбора данных Dewesoft

Система сбора данных SIRIUS

Высокоскоростные системы сбора данных SIRIUS доступны в широком спектре физических конфигураций, от модульных плат SIRIUS, которые подключаются к компьютеру через USB или EtherCAT, и монтируемых в стойку систем сбора данных R3 до автономных систем сбора данных R1/R2, R4 и R8, которые включают встроенный компьютер.

Линейка систем сбора данных SIRIUS

Если вы обратите внимание на преобразователи сигналов SIRIUS DualCore и SIRIUS HS компании Dewesoft, то увидите, что все эти модули обеспечивают изоляцию между каналами и «канал-земля», рассчитанную на напряжение 1000 В. Усилители повышенной плотности SIRIUS HD изолированы парами по ±500 В. В видеоролике ниже показана изоляция систем SIRIUS на практике, в реальной ситуации использования:

В видеоролике ниже показана изоляция систем SIRIUS на практике, в реальной ситуации использования:

В реальном мире сбора данных зачастую присутствуют не только входы сигналов: преобразователи сигналов часто создают напряжение возбуждения или ток для питания датчиков. Тензодатчики, резистивные датчики температуры (RTD), датчики LVDT и IEPE-акселерометры — это хорошие примеры датчиков, которым требуется источник питания.

Иногда производители систем сбора данных упускают из виду, что эти линии возбуждения должны быть изолированы, поэтому Dewesoft обеспечивает изоляцию и/или дифференциальные входы и защиту от перенапряжения с возможностью прямого короткого замыкания на землю во всей линейке продуктов, а также защищает свои приборы и операторов, работающих с ними, от паразитного заземления.

Системы сбора данных KRYPTON и KRYPTON ONE

KRYPTON — это самые защищенные изделия в ассортименте компании Dewesoft. Созданные для работы в условиях экстремальных температур, ударных и вибрационных нагрузок, модули KRYPTON обеспечивают степень защиты IP67 (защита от воды, пыли и прочих воздействий). Они подключаются к любому компьютеру Windows (включая собственную модель процессора KRYPTON IP67 в защищенном корпусе) через EtherCAT и могут быть разнесены на дистанцию до 100 метров, что позволяет размещать их рядом с источником сигнала. Как и SIRIUS, они используют самое мощное программное обеспечение сбора данных на рынке — Dewesoft X.

Типичный многоканальный модуль KRYPTON с различными подключенными адаптерами DSI

Эти чрезвычайно прочные системы также доступны в конфигурации одноканальных модулей KRYPTON ONE. Как многоканальные, так и одноканальные модули KRYPTON обеспечивают одинаковый уровень производительности и устойчивости к воздействию окружающей среды.

Сверху слева: модуль KRYPTON ONE 1xTH-HV Справа: модуль KRYPTON ONE 1xHV

Характеристики эффективности изоляции модулей KRYPTON и KRYPTON-1:

Многоканальные модули KRYPTON
STG	TH	RDT	ACC	LV	LA	DIO
Тип	Деформация/напряжение	Термопара	RTD	IEPE/напряжение	Низкое напряжение	Низкая сила тока	Цифровой ввод/вывод
Напряжение изоляции	Дифф.	Пик 1000 В	Пик 1000 В	Дифф.	Пик 1000 В	Пик 1000 В	250 В
Канал-канал	√	√	√	√	√
Канал-земля	√	√	√	√	√

Одноканальные модули KRYPTON ONE
AO	DI	DO	ACC	STG	LV	HV	TH-HV	CNT
Тип	Аналоговый вывод	Цифровой ввод	Цифровой вывод	IEPE напряжение	Деформация напряжение	Низкое напряжение	Высокое напряжение	Температура	Счетчик энкодер цифровой
Напряжение изоляции	Н/Д	Гальв.	Гальв.	125 Vrms	125 Vrms	125 Vrms	1000 В CAT II 600 В CAT III	1000 В CAT II 600 В CAT III	Н/Д
Канал-канал	√	√	√	√	√	√	√
Канал-земля	√	√	√	√	√	√	√

В таблице выше «Дифф.» означает дифференциальное напряжение, а «Гальв.» относится к гальванической изоляции.

Трансформаторы (с выпрямителем или без него)

Сердце трансформатора — сердечник. Он набирается из пластин трансформаторной стали, изготовить которые вручную довольно проблематично. Правдами и неправдами исходный материал добывается на заводах, в строительных бригадах, на пунктах сбора металлолома. Полученная конструкция (как правило, в виде прямоугольника) должна иметь сечение не меньше, чем 55 см². Это довольно тяжелая конструкция, особенно после укладки обмоток.

При сборке обязательно надо предусмотреть регулировочный винт, с помощью которого можно двигать вторичную обмотку относительно неподвижной первички.

Чтобы не вдаваться в сложности расчетов сечения проводов, возьмем типовые параметры:

сила тока на вторичке 100–150 А;
напряжение холостого хода 60–65 вольт;
рабочее напряжение при сварке 18–25 вольт;
сила тока на первичной обмотке до 25 А.

Исходя из этого, сечение провода первички должно быть не менее 5 мм², если делать с запасом — можно взять провод 6–7 мм². Изоляция должна быть жаростойкой, из материала, не поддерживающего горение.

Вторичная обмотка набирается из провода (а лучше медной шины), сечением 30 мм². Изоляция тряпичная. Пусть толщина вас не пугает, количество витков на вторичке небольшое.

Количество витков первичной обмотки определяется по коэффициенту 0.9–1 виток на вольт (для наших параметров).

Формула выглядит так:

W(количество витков) = U(напряжение) / коэффициент.

То есть, при напряжении в сети 200–210 вольт, это будет порядка 230–250 витков.

Соответственно, при напряжении вторички 60–65 вольт, количество ее витков составит 67–70.

С технической точки зрения трансформатор готов. Для удобства использования рекомендуется выполнить небольшой запас по вторичной обмотке, с несколькими ответвлениями (на 65, 70, 80 витках). Это позволит уверенно работать в местах с пониженным напряжением сети.

Прятать агрегат в корпус, или оставлять открытым — это вопрос безопасности использования. Типовой изготовленный сварочный трансформатор своими руками выглядит так:

Оптимальный материал для корпуса — текстолит 10–15 мм.

Добавляем выпрямитель

Самодельный мощный сварочный трансформатор с точки зрения схемотехники — обычный блок питания. Соответственно выпрямитель устроен так же просто, как в сетевом заряднике для мобильного телефона. Только элементная база будет выглядеть на несколько порядков массивнее.

Как правило, в простую схему из диодного моста добавляют пару конденсаторов, гасящих импульсы выпрямленного тока.

Можно собрать выпрямитель и без них, но чем ровнее ток, тем качественней получается сварочный шов. Для сборки собственно моста применяются мощные диоды типа Д161–250(320). Поскольку при нагрузке на элементах выделяется много тепла, его нужно рассеивать с помощью радиаторов. Диоды крепятся к ним с помощью болтового соединения и термопасты.

Разумеется, ребра радиаторов должны либо обдуваться вентилятором, либо выступать над корпусом. Иначе вместо охлаждения они будут греть трансформатор.

Мини сварочный трансформатор

Если вам не нужно варить рельсы или швеллера из стали 4–5 мм, можно собрать компактный сварочник для спайки стальной проволоки (изготовление каркасов для самоделок) или сварки тонкой жести. Для этого можно взять готовый трансформатор от мощного бытового прибора (идеальный вариант — микроволновка), и перемотать вторичную обмотку. Сечение провода 15–20 мм², потребляемая мощность не более 2–3 кВт.

Расчет схемы производится также, как и для более мощных агрегатов. При сборке выпрямителя можно использовать менее мощные диоды.

Микросварочник

Если сфера применения ограничена спайкой медных проводов (например, при монтаже распределительных коробок), можно ограничиться конструкцией размером с пару спичечных коробков.

Выполняется на транзисторе КТ835 (837). Трансформатор изготавливается самостоятельно. Фактически — это высокочастотный повышающий преобразователь.

Трансформатор мотаем на ферритовом стержне. Две первичные обмотки: коллекторная (20 витком 1 мм), базовая (5 витков 0.5 мм). Вторичная (повышающая) обмотка — 500 витков 0.15 проволоки.

Собираем схему, припаиваем по схеме резисторную обвязку (чтобы трансформатор не перегревался на холостом ходу), аппарат готов. Питание от 12 до 24 вольт, с помощью такого аппарата можно сваривать жгуты проводов, резать тонкую сталь, соединять металлы толщиной до 1 мм.

В качестве сварочных электродов можно использовать толстую швейную иглу.

Практическое использование гальванического разделения цепей

Рассмотрим практический пример использования гальванического разделения цепей. Многие компании производят гальванические развязки сигнальных цепей, но далеко не всегда они содержат встроенные DC/DC-преобразователи для разделения цепей питания. Насколько известно автору, среди работающих на нашем рынке компаний гальванические развязки с разделением цепей питания производят Analog Devices, Texas Instruments, Mornsun. К ним можно причислить и компанию SiLabs, но следует учесть, что ее компоненты содержат ключи силового каскада, но не имеют встроенного трансформатора. Применение развязок с встроенными DC/DC-преобразователями позволяет сократить занимаемое на плате место, упрощает топологию и, как следствие, облегчает решение проблем электромагнитной совместимости.

В качестве примера рассмотрим гальваническую развязку ISOW784x компании Texas Instruments. Ее структурная схема показана на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема ISOW784x

Приведем основные параметры ISOW784x:

напряжение питания: 3,3–5 В;
выходная мощность встроенного DC/DC-преобразователя: 0,65 Вт;
выходной ток встроенного DC/DC-преобразователя (max): 130 мА;
скорость передачи данных (max): 100 Мбит/с;
стойкость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс;
электрическая прочность изолирующего барьера: 5 кВ (СКЗ) и 7,071 кВ в пике;
диапазон рабочей температуры: –40…125 °C;
корпус: 16‑выводной SOIC размером 10,3×7,5 мм.

Максимального выходного тока 130 мА встроенного DC/DC-преобразователя, как правило, вполне достаточно для того, чтобы организовать питание четырех трактов входных сигналов. В качестве диэлектрика в развязке используется диоксид кремния SiO₂. Его диэлектрическая прочность достигает 500 В (СКЗ)/мкм, благодаря чему и достигается высокая электрическая прочность изоляции, позволяющая с запасом удовлетворить требования стандартов электробезопасности.

Заметим, что никакое гальваническое разделение цепей не означает полного разделения частей. Проходные емкости собственно развязки, особенно малогабаритного встроенного трансформатора DC/DC-преобразователя, и паразитные емкости платы создают токовый контур, который представляет собой антенну, излучающую помехи. Причем чем выше скорость передачи данных и больше площадь токовой петли из паразитных емкостей, тем больше величина излучаемых помех

На эти обстоятельства следует обратить внимание при разработке топологии платы и постараться уменьшить паразитные емкости между двумя частями системы

Уменьшить величину токовой петли может Y2‑конденсатор С_ISO (рис. 2). Напомним, что по требованиям стандарта IEC60384-1 максимально допустимое напряжение Y2‑конденсатора должно находиться в диапазоне 150–300 В (АС). Этот конденсатор должен выдерживать пиковое напряжение 5 кВ. Но, к сожалению, такой конденсатор имеет и паразитную индуктивность выводов, которая снижает эффективность его использования в полосе частот выше 200–300 МГц.

Решением этой проблемы может стать емкость, образованная слоями печатной платы (stitching capacitance). На рис. 6 показан пример формирования такой емкости на четырехслойной печатной плате. Изолированные части системы размещаются на верхнем и нижнем слоях, емкость образуется с помощью слоев земли и питания. В данном случае величина емкости составила 30 пФ. Подробный расчет, создаваемой таким образом емкости, изложен в .

Рис. 6. Конденсатор, образованный слоями печатной платы (stitching capacitance)

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.

Что такое гальваническая развязка?

Гальваническая развязка — это процесс проектирования электрического оборудования или систем с отдельными источниками питания таким образом, чтобы они не обменивались энергией или никак электрически не взаимодействовали. Идея состоит в том, чтобы поддерживать питание постоянного (и / или переменного тока) отдельно и независимо. Одна система электроснабжения не должна влиять на другую. В то же время, как правило, необходимо полностью изолированно передавать сигналы мониторинга и данные управления между ними.

Изоляция питания достигается за счет того, что две физические секции находятся далеко друг от друга. И это обычно реализуется НЕ подключением заземляющих соединений двух систем. Это устраняет контуры заземления и уменьшает или, по крайней мере, сводит к минимуму любой перенос шума. Когда используются как высоковольтные, так и низковольтные подсистемы, такая физическая изоляция и изоляция заземления также помогает защитить пользователей и специалистов по обслуживанию от ударов электрическим током, низковольтные цепи — от высокого напряжения, а в некоторых случаях защищает и от молнии.

Примеры оборудования, требующего гальванической развязки, включают программируемые логические контроллеры (ПЛК) в промышленных инструментах и оборудовании, источники бесперебойного питания (ИБП), электроприводы, промышленные роботы, зарядные устройства для аккумуляторов, преобразователи частоты / инверторы и иногда DC-DC преобразователи. Не забываем о постоянно растущем сегменте автомобильных приложениях.

Классификация однофазных трансформаторов

Силовой трансформатор

Трансформатор используется для преобразования электрической энергии в сетях и устройствах, используемых для получения и использования необходимого количества электроэнергии. «Мощность» означает работу под высоким напряжением. Применение силовых трансформаторов обусловлено несколькими показателями рабочей мощности линий электропередач, сетей в черте города, выходного напряжения конечных объектов, а также общей работы электрических устройств и машин. Мощность колеблется от нескольких вольт до сотен киловатт.

Автотрансформатор – один из типов преобразователя, в котором первичная и вторичная обмотки не разделены, а напрямую соединены друг с другом. В связи с этим между ними формируются как электромагнитная, так и электрическая связь. Обмотка сопровождается минимум тремя проводниками, при подключении к каждому из них можно использовать разные мощности. Главное достоинство такого трансформатора – высокий КПД, поскольку преобразуется не все напряжение, а только его часть. Разница особенно заметна, когда входная и выходная мощность немного отличаются.

Трансформатор тока

Этот трансформатор в основном используется для снижения первичного тока до желаемого значения, подходящего для применения в схемах измерения, защиты, регулирования и сигнализации. Кроме того, он используется в гальванической развязке (передача электричества или сигнала от подключенных электрических цепей, при этом между ними отсутствует электрический контакт).

Нормированное значение параметров тока вторичной обмотки – 1 А или 5 А. Первичная обмотка трансформатора постепенно включается в цепь с нагрузкой, при этом контролируется переменный ток, измерительные приборы подключаются к вторичная обмотка.

Вторичная обмотка трансформатора тока должна постоянно находиться в режиме короткого замыкания. Фактически при любом варианте отключения цепи обеспечивается высокая мощность, способная исключить изоляцию и выход из строя включенных устройств.

ТТ высокого напряжения (слева) и ТТ низкого напряжения (справа)

Подробнее о трансформаторе тока.

Трансформатор напряжения

Такой трансформатор получает энергию от источника напряжения. Он в основном используется для изменения высокого напряжения на низкое в различных цепях, включая релейные измерения, защиту и автоматизацию. Он имеет возможность изолировать цепи защиты и измерения от цепей большой мощности.

Телевизор высокого напряжения (слева) и телевизор низкого напряжения (справа)

Узнать больше о TN.

Импульсный трансформатор

Он используется для модификации импульсных сигналов с точной импульсной характеристикой до десятков микросекунд. В этом случае форма импульса сопровождается лишь незначительным искажением. Основное назначение импульсного трансформатора – передача электрического импульса прямоугольной формы

Он используется для преобразования коротких импульсов видео напряжения, часто воспроизводимых с высокой скважностью

Важным параметром при использовании импульсного трансформатора является тип неискаженной передачи систем импульсного напряжения

При воздействии на вход устройства разной мощности важно получить напряжение, точно совпадающее с той же формой, возможно, с другой амплитудой или другой полярностью

Типы импульсных трансформаторов

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

Импульсный блок питания

Принцип действия поляризованного реле

Трансформаторы тока назначение и принцип действия

Твердотельное реле

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.

Для обеспечения гальванической развязки могут быть использованы различные технические решения:

индуктивная (трансформаторная) гальваническая развязка, которая применяется в трансформаторах 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, электромеханического реле.

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.

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.

Разновидности

В электротехнике довольно часто используют понижающий трансформатор с гальваническим разделением цепей первичной обмотки и вторичной катушки.

Такого типа разделительный понижающий аппарат позволяет решить две задачи:

понизить напряжение до требуемого уровня;
обеспечить безопасную эксплуатацию оборудования.

Семейство силовых трансформаторов включает в себя серии однофазных трансформаторов, обладающими различными номинальными мощностями. Промышленные силовые агрегаты обычно бывают внушительных размеров и устанавливаются стационарно в специальных боксах (см. рис. 2).

Рис. 2. Промышленный разделительный трансформатор

Существуют компактные переносные устройства (см. рис. 3).

Применение переносных трансформаторов удобно в тех случаях, когда электрооборудование не может быть установлено стационарно, а используется периодически. Например, при использовании электроинструмента в кабельных колодцах, в подвалах и т.п. При номинальных первичных напряжениях эти устройства стабильно работают. Они хорошо защищены от воздействия влаги и прочих влияний окружающей среды.

Рис. 3. Переносной разделительный агрегат

Во входных сигнальных блоках, а также в других цепях электронного оборудования применяются малогабаритные, высокочастотные импульсные трансформаторы.

По конструкции сердечника сетевой трансформатор чаще всего бывает стержневого типа. Встречаются также тороидальные модели.

Рис. 4. Тороидальный разделительный трансформатор