Гальваническая развязка по питанию 220 вольт. Транзисторный ключ переменного тока
Современная жизнь немыслима без телевидения. Во многих квартирах можно встретить по два, а иногда и по три телевизионных приемника. Особенно популярно кабельное ТВ. Но как быть если необходимо подключить несколько телевизоров к одному антенному кабелю? Естественно воспользоваться «китайским» двойником или даже тройником.
Например, таким как этот:
Именно такой двойник-разветвитель я установил на два телевизора для приема каналов кабельного телевидения. Однако качество приема оставляло желать лучшего, если каналы первого метрового диапазона показывали сносно, то каналы второго и ДМВ диапазонов принимались с сильным затуханием сигнала. Разобрав разветвитель, я обнаружил в нем небольшое ферритовое двойное колечко и несколько витков одножильного провода:
Устройство представляет собой высокочастотный трансформатор с противофазной намоткой обмоток. И по идее оно должно исключать взаимное влияние входных цепей приема ВЧ сигнала, но по факту только ослабляло его, видимо за счет того, что имелась гальваническая связь
Я решил заменить трансформатор обычными керамическими емкостями (красными флажками) номиналом в несколько пикофарад, тем самым исключить эту гальваническую связь:
Моему удивлению не было предела, оба телевизора показывали так, как будто работал только один, т.е. ни малейшего намека на взаимное влияние и отличный прием на всех диапазонах.
Емкости уместились в корпусе сплиттера:
Единственно, за что я ругаю себя - почему эта идея не пришла мне в голову раньше.
В этой статье речь пойдет в первую очередь об оптической развязке аналогового сигнала. Будет рассматриваться бюджетный вариант. Также основное внимание уделяется быстродействию схемотехнического решения.
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.
Специальные микросхемы оптической развязки сигнала
Теперь к делу! Для начала сравним три специализированных микросхемы: il300, loc110, hcnr201. Подключенные по одной и той же схеме:
Рис.3. Тестовая схема для il300, hc n r201 и loc110.
Разница только в номиналах для il300, hcnr201 R1,R3=30k, R2=100R, а для loc110 10k и 200R соответственно (я подбирал разные номиналы чтобы добиться максимального быстродействия, но при этом не выйти за допустимые пределы, например, по току излучающего диода). Ниже приведены осциллограммы, которые говорят сами за себя (здесь и далее: синий – входной сигнал, желтый — выходной).
Рис.4. Осциллограмма переходного процесса il300.
Рис.5. Осциллограмма переходного процесса hcnr201.
Рис.6. Осциллограмма переходного процесса loc 110.
Теперь рассмотрим микросхему ACPL-C87B (диапазон входного сигнала 0..2В). Честно говоря с ней я провозился достаточно долго. У меня в наличии было две микросхемы, после того как получил неожиданный результат на первой, со второй обращался очень аккуратно, особенно при пайке. Собирал всё по схеме, указанной в документации:
Рис.7. Типовая схема для ACPL — C 87 из документации.
Результат один и тот же. Подпаивал керамические конденсаторы непосредственно вблизи ножек питания, менял ОУ (естественно проверял его на других схемах), пересобирал схему и т.д. В чем собственно загвоздка: выходной сигнал имеет значительные флуктуации.
Рис.8. Осциллограмма переходного процесса ACPL — C 87.
Несмотря на то, что производитель обещает уровень шума выходного сигнала 0.013 mVrms и для варианта «B» точность ±0.5%. В чем же дело? Возможно ошибка в документации, поскольку с трудом верится в 0.013 mVrms. Непонятно. Но посмотрим в графу Test Conditions/Notes напротив Vout Noise и на Рис.12 документации:
Рис.9. Зависимость уровня шума от величины входного сигнала и частоты выходного фильтра.
Здесь картина немного проясняется. Видимо производитель говорит нам о том, что мы можем задушить эти шумы через ФНЧ. Ну что ж, спасибо за совет (иронично). Зачем вот только всё это таким хитрым образом вывернули. Скорее всего понятно зачем. Ниже приведены графики без и с выходным RC фильтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))
Рис.10. Осциллограмма переходного процесса ACPL — C 87 без и с выходным фильтром.
Применение оптопар общего назначения для развязки сигнала
Теперь перейдем к самому интересному. Ниже приведены схемы, которые я нашел в интернете.
Рис.11. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.
Рис.12. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.
Рис.13. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.
Такое решение имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществу отнесем большее напряжение изоляции, к недостаткам то, что две микросхемы могут значительно отличаться по параметрам, поэтому кстати рекомендуется использовать микросхемы из одной партии.
Я собрал эту схему на микросхеме 6n136:
Рис.14. Осциллограмма переходного процесса развязки на 6 N 136.
Получилось, но медленно. Пробовал собирать и на других микросхемах (типа sfh615), получается, но тоже медленно. Мне надо было быстрее. К тому же часто схема не работает из-за возникающих автоколебаний (в таких случаях говорят САР неустойчива))) Помогает увеличение номинала конденсатора С2 рис. 16.
Один знакомый посоветовал отечественную оптопару АОД130А . Результат на лицо:
Рис.15. Осциллограмма переходного процесса развязки на АОД130А.
А вот и схема:
Рис.16: Схема развязки на АОД130А.
Потенциометр нужен один (RV1 или RV2) в зависимость от того будет выходной сигнал меньше или больше входного. В принципе можно было поставить только один RV=2k последовательно с R3=4.7k, ну или вообще оставить только RV2=10k без R3. Принцип понятен: иметь возможность подстройки в районе 5k.
Микросхема трансформаторной развязки сигнала
Перейдем к трансформаторному варианту. Микросхема ADUM3190 в двух вариантах на 200 и 400 кГц (у меня на 400 — ADUM3190TRQZ), также есть микросхема на более высокое напряжение изоляции ADUM4190. Замечу, корпус самый маленький из всех – QSOP16. Выходное напряжение Eaout от 0.4 до 2.4В. В моей микросхеме выходное напряжение смещения около 100мВ (видно на осциллограмме рис. 18). В целом работает неплохо, но лично меня несовсем устраивает выходной диапазон напряжения. Собрано по схеме из документации:
Рис.17. Схема ADUM3190 из документации.
Немного осциллограмм:
Рис.18. Осциллограмма переходного процесса ADUM3190.
Итоги
Подведем итог. На мой взгляд наилучшим вариантом является схема на отечественных АДО130А (где они их только взяли?!). Ну и напоследок небольшая сравнительная таблица:
| Микросхема | tr+задерж. (по осцилл.), мкс | tf+задерж. (по осцилл.), мкс | Диап. напряж., В | Напряж. изоляции, В | Шум (по осцилл.) мВп-п. | Цена** за шт., р (05.2018) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IL300 | 10 | 15 | 0-3* | 4400 | 20 | 150 |
| HCNR201 | 15 | 15 | 0-3* | 1414 | 25 | 150 |
| LOC110 | 4 | 6 | 0-3* | 3750 | 15 | 150 |
| ACPL-C87B | 15 | 15 | 0-2 | 1230 | нд | 500 |
| 6N136 | 10 | 8 | 0-3* | 2500 | 15 | 50 |
| АОД130А | 2 | 3 | 0.01-3* | 1500 | 10 | 90 |
| ADUM3190T | 2 | 2 | 0.4-2.4 | 2500 | 20 | 210 |
*- приблизительно (по собранной схеме с оптимизацией по быстродействию)
**- цена средняя по минимальным.
Ярослав Власов
P.S. АОД130А производства ОАО «Протон» (с гравировкой их логотипа в черном корпусе) — хороший. Старые (90х годов в коричневом корпусе) не годятся.
От других цепей в одном устройстве называется гальваническая развязка или изоляция. С помощью такой изоляции осуществляется передача сигнала или энергии от одной электрической цепи к другой, без прямого контакта между цепями.
Гальваническая развязка дает возможность обеспечения независимости цепи сигналов, так как образуется независимый токовый контур сигнальной цепи от других контуров, в цепях обратной связи и при измерениях. Для электромагнитной совместимости гальваническая развязка является оптимальным решением, так как увеличивается точность измерений, повышается защита от помех.
Принцип действия
Чтобы понять принцип работы гальванической развязки, рассмотрим, как это реализуется в конструкции .
Первичная обмотка электрически изолирована от вторичной обмотки. Между ними нет контакта, и не возникает никакого тока, если, конечно, не считать аварийный режим с пробоем изоляции или виткового замыкания. Однако разность потенциалов в катушках может быть значительной.
Виды
Такая изоляция электрических цепей обеспечивается различными методами с применением всевозможных электронных элементов и деталей. Например, конденсаторы и оптроны способны осуществлять передачу электрических сигналов без непосредственного контакта. Участки цепи взаимодействуют через световой поток, магнитное или электростатическое поле. Рассмотрим основные виды гальванической изоляции.
Индуктивная развязка
Для построения трансформаторной (индуктивной) развязки необходимо применить магнитоиндукционный элемент, который называется . Он может быть как с сердечником, так и без него.
При развязке трансформаторного вида применяют трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице. Первичная катушка трансформатора соединяется с источником сигнала, вторичная – с приемником. Для развязки цепей по такой схеме можно применять магнитомодуляционные устройства на основе трансформаторов.
При этом напряжение на выходе, которое имеется на вторичной обмотке трансформатора, будет напрямую зависеть от напряжения на входе устройства. При таком методе индуктивной развязки существует ряд серьезных недостатков:
- Значительные габаритные размеры, не позволяющие изготовить компактное устройство.
- Частотная модуляция гальванической развязки ограничивает частоту пропускания.
- На качество выходного сигнала влияют помехи несущего входного сигнала.
- Действие трансформаторной развязки возможно только при переменном напряжении.
Оптоэлектронная развязка
Развитие электронных и информационных технологий в настоящее время повышает возможности проектирования развязки с помощью оптоэлектронных узлов. Основу таких узлов развязки составляют оптроны (оптопары), которые выполнены на основе , и других компонентов, чувствительных к свету.
В оптической части схемы, которая связывает приемник и источник данных, носителем сигнала выступают фотоны. Нейтральность фотонов дает возможность выполнить электрическую развязку выходной и входной цепи, а также согласовать цепи с различными сопротивлениями на выходе и входе.
В оптоэлектронной развязке приемник не оказывает влияние на источник сигнала, поэтому есть возможность модулирования сигналов широкого диапазона частот. Важным преимуществом оптических пар является их компактность, которая позволяет их применение в микроэлектронике.
Оптическая пара состоит из излучателя света, среды, проводящей световой поток, и приемника света, который преобразует его в сигнал электрического тока. Сопротивление выхода и входа в оптроне очень велико, и может достигать нескольких миллионов Ом.
Принцип действия оптрона довольно простой. От выходит световой поток и направляется на , который воспринимает его и осуществляет дальнейшую работу в соответствии с этим световым сигналом.
Более подробно работа оптопары выглядит следующим образом. Входной сигнал поступает на светодиод, который излучает свет по световоду. Далее световой поток воспринимается фототранзистором, на выходе которого создается перепад или импульс электрического тока выхода. В результате выполняется гальваническая развязка цепей, которые связаны с одной стороны со светодиодом, а с другой – с фототранзистором.
Диодная оптопара
В этой паре источником светового потока является светодиод. Такая пара может применяться вместо ключа и работать с сигналами частотой в несколько десятков МГц.
При необходимости передачи сигнала источник подает на светодиод питание, в результате чего излучается свет, попадающий на . Под действием света фотодиод открывается и пропускает через себя ток.
Приемник воспринимает появление тока как рабочий сигнал. Недостатком диодных оптопар является невозможность управления повышенными токами без вспомогательных элементов. Также к недостаткам можно отнести их малый КПД.
Транзисторная оптопара
Такие оптические пары имеют повышенную чувствительность, в отличие от диодных, а значит, являются более экономичными. Но их скорость реакции и наибольшая частота соединения оказывается меньше. Транзисторные оптические пары обладают незначительным сопротивлением в открытом виде, и большим в закрытом состоянии.
Управляющие токи для транзисторной пары выше выходного тока диодной пары. Транзисторные оптроны можно применять разными способами:
- Без вывода базы.
- С выводом базы.
Без вывода базы коллекторный ток будет напрямую зависеть от тока светодиода, но транзистор будет иметь длительное время отклика, так как цепь базы всегда открыта.
В случае с выводом базы есть возможность увеличить скорость реакции подключением вспомогательного сопротивления между эмиттером и базой транзистора. Тогда возникает эффект, при котором транзистор не переходит в состояние проводимости до тех пор, пока диодный ток не достигнет значения, необходимого для падения напряжения на резисторе.
Такая гальваническая развязка обладает некоторыми преимуществами:
- Широкий интервал напряжений развязки (до 0,5 кВ). Это играет большую роль в проектировании систем ввода информации.
- Гальваническая развязка может функционировать с высокой частотой, достигающей нескольких десятков МГц.
- Компоненты схемы такой развязки имеют незначительные габаритные размеры.
При отсутствии гальванической изоляции наибольший ток, который проходит между цепями, может ограничиться только малыми электрическими сопротивлениями. В результате это приводит к возникновению выравнивающих токов, которые причиняют вред элементам электрической цепи и работника, которые случайно прикасаются к незащищенному электрооборудованию.
В этой статье я расскажу о том, как из старого ИБП (точнее из двух) буквально на коленке сделать простую гальваническую развязку от сети 220 V.
Надеюсь, ни для кого не является секретом, для чего нужна гальваническая развязка с сетью. Многие наверняка знают один из самых простых способов взорвать полсхемы заземлённым осциллографом. Поэтому о развязке я всерьёз задумался именно после приобретения осциллографа.
В самом простом случае развязка выглядит, как трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1. Поэтому изначально была идея взять какой-нибудь ТС-270 и перемотать. Но заниматься перемоткой не хотелось, да и лишнего трансформатора достаточной мощности под рукой не было. Но как-то на работе попался под руку старый ИБП. Примерно вот такой:
И тут пришла в голову идея сделать развязку на «перевёртышах», т.е. когда два идентичных трансформатора включаются зеркально:
Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течёт и тем лучше, но выбирать не приходилось и я использовал принцип «как есть». Решено было использовать корпус ИБП и трансформатор, который там уже установлен. У китайцев был для контроля наличия напряжения на выходе:
После того, как второй трансформатор был найден и закреплён, оставалось лишь все соединить.
В итоге имеем конечную схему, по которой соединяем трансформаторы:
Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только
И получаем примерно такую картину:
Сначала я выбросил родную плату, но, как оказалось, корпус сильно теряет жёсткость и пришлось вернуть её на место, предварительно выпаяв все детали:
Потом я врезал вольтметр:
Вторичную обмотку на 18 В я использовал для питания подсветки штатного выключателя. В качестве входного предохранителя использовал штатный многоразовый предохранитель ИБП, а для защиты выхода врезал обычный держатель предохранителя.
И, вуаля! Наша развязка в работе.
Судя по нескольким недавним постам, неплохо бы осветить, что такое гальваническая развязка и зачем она нужна. Итак:
Гальваническая развязка - передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними.
А теперь, давайте на примерах:)
Пример 1. Сеть
Чаще всего о гальванической развязке говорят применительно к сетевому питанию, и вот почему. Представьте себе, что вы ухватились рукой за провод из розетки. Ваше «подключение» с точки зрения электричества выглядит вот так:И, да, тока утечки тапочек вполне хватит, чтобы вы почувствовали «удар» при прикосновении к «фазовому» проводу сети. Если тапочки сухие, то такой «удар», обычно, безвреден. Но, если вы стоите босяком на влажном полу, последствия могут быть весьма плачевными.
Совсем другое дело, если в схеме присутствует трансформатор:
Если прикоснуться к одному из выводов трансформатора, через вас ток не потечет - ему просто некуда течь, второй вывод трансформатора висит в воздухе. Если, конечно, схватиться за оба вывода трансформатора, и он выдает достаточное напряжение, то долбанет и так.
Итак, в данном случае, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Кроме трансформатора есть еще куча разных способов передать сигнал, не создавая электрического контакта:
- Оптический: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи
- Радио: приемники, передатчики
- Звуковой: динамик, микрофон
- Емкостный: через конденсатор очень маленькой емкости
- Механический: мотор-генератор
- Можно еще понавыдумывать
Пример 2. Осциллограф
Есть прямо мега-классический способ взорвать пол-схемы. На форуме даже есть соответствующий . Дело в том, что многие забывают, что осциллограф (и многое другое оборудование) соединен с землей. Вот как выглядит полная картина при подключении осциллографа в схему, питающуюся прямо от сети:
Запомните - как только вы что-то подключаете в схему, оно становится частью схемы! Это справедливо и для различного измерительного оборудования.
Правильный способ измерить в что-то в такой схеме - подключить ее через развязывающий трансформатор 220->220:
Готовые трансформаторы 220->220 найти довольно сложно. Поэтому, можно использовать так называемые перевертыши. Перевертыш - это два трансформатора, к примеру 220->24, выключенные последовательно вот так: 
Как это выглядит на практике, вы наверняка видели в :
Перевертыши - это даже лучше, чем один трансформатор 220->220.
- Они обеспечивают вдвое меньшую емкость между входом и выходом
- Среднюю часть можно заземлить, и, таким образом очень неплохо отфильтровать помехи из сети
- Можно включить 3 трансформатора, и тогда можно получить 440 или 110 вольт
Песенка
Давным давно я на тему гальванической развязки даже песенку записал. Песенка под спойлером.Песня, ее текст и объяснения
Эту мини-песенку я записал когда я занимался разной аудио-электроникой. Один товарисч сделал ламповую гитарную примочку и, подумав, что трансформатор который превращает 220 в 220 совершенно бесполезен, выбросил его из схемы, за что и поплатился. Я подумал, что это - вполне себе тема для метальной мини-песенки.
Привет, Олдфаг! Твой браузер не поддерживает html5! Обновись!
Ты не поставил трансформатор анодный
Запитал непосредственно из сети
Под ногой была батарея
А рукой гитару схватил тыТок пронзает бренное тело
Извивается бренная плоть
Ты не можешь разжать свою руку
Ты один и никто не может помочьРазрывая и выжигая
Электроны сжимают сердце твое
Будет биться или утихнет?
Безопасность, запомни, превыше всего.
Кстати, кроме развязки в этой мелкой песенке еще два неплохих совета:
- Да, все работы с сетевым напряжением нужно выполнять как минимум вдвоем.
- Когда бьет током, рука сжимается, поэтому, сначала к приборам лучше прикасаться тыльной стороной правой руки.