Меню

Гальваническая развязка в генераторе импульсов

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.

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.

Читайте также:  Замена щеток генератора ваз 1118

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.

20 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?

Ну… например, вам надо перегнать постоянный сигнал. Будете инвертировать -трансформировать- выпрямлять? Плюс транс это дорого, транс это громоздко. У него несомненно полно положительных качеств и это один из неплохих вариантов, но не везде применимый.

Согласен. Низкочастотные сигналы для транса плохо подходят. Но, справедливости ради, для низкочастотных сигналов и оптрон (по сути эмитерный повторитель) так себе решение. Та же температурная стабилизация, да и линейность коэффициента передачи что у диода, что у транзистора (а по факту их произведение)…. Безусловное, любое решение имеет право на жизнь если понимать его ограничения. А решения требующие гальванической развязки, как правило, простыми не бывают.

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.

Источник

Почему гальваническая развязка увеличивает размеры импульсных преобразователей электрической энергии. Часть 2

Александр Русу, Одесса, Украина

Преобразователи на основе повышающей и понижающей схем

Самым простым вариантом регулировки переменного напряжения является использование повышающей или понижающей схем (Рисунок 6). Принцип построения и работы их силовой части ничем не отличается от аналогичных схем преобразователей постоянного напряжения, за исключением того, что силовые ключи должны обеспечивать как протекание тока в любом направлении, так и блокировку этого процесса. К сожалению, среди компонентов для силовой электроники полупроводниковые приборы с такими свойствами пока отсутствуют, поэтому силовые ключи приходится создавать на основе комбинаций существующих элементов. Это является серьезным недостатком импульсных преобразователей переменного напряжения, поскольку даже в самом лучшем случае ток через силовой ключ должен протекать как минимум через два полупроводниковых прибора (диод и транзистор). Сейчас наиболее изящно эта задача решается путем последовательного соединения двух мощных MOSFET или IGBT, зашунтированных диодами, включенными в обратном направлении (Рисунок 6в), причем для этой цели можно использовать паразитные диоды MOSFET. В этом случае в цепи протекания тока присутствуют всего два последовательно включенных полупроводниковых элемента, а силовыми транзисторами можно управлять с помощью одного драйвера.

Рисунок 6. Преобразователи переменного напряжения на основе повышающей и понижающей
схем и варианты реализации ключей S1 и S2.

Поскольку регулировка выходного напряжения в понижающей и повышающей схемах изначально ограничена только понижением или только повышением напряжения, соответственно, для того чтобы создать на их основе понижающе-повышающий преобразователь, необходимо дополнительно усложнить схему.

Читайте также:  Ротор генератора твф 120

Проще всего, воспользовавшись тем, что характеристики понижающего и повышающего преобразователей полностью симметричны [6], можно просто менять местами вход и выход преобразователя, например, с помощью реле (Рисунок 7а). Такое решение имеет достаточно высокий КПД, однако плохо подходит для преобразователей, требующих частого переключения между режимами повышения и понижения.

Рисунок 7. Понижающе-повышающие преобразователи переменного напряжения на основе понижающей
и повышающей схем.

Более быстродействующей является схема с использованием четырех ключей, представляющая собой «классический» понижающе-повышающий преобразователь (Рисунок 7б). Основным недостатком такого решения является наличие в цепи протекания тока дополнительного ключа (S1 – в режиме повышения, S4 – в режиме понижения), на котором будет выделяться дополнительная мощность. Исключить его из цепи протекания тока можно путем использования дросселя с двумя одинаковыми обмотками (Рисунок 7в). В этом случае преобразователь будет иметь как более высокий КПД, так и более высокую скорость реакции на изменение входного напряжения, однако при этом увеличивается сложность изготовления дросселя, и для него может потребоваться магнитопровод хоть и с тем же самым объемом магнитного материала, но в два раза большей площадью окна.

В любом случае, для всех схем (Рисунки 6 и 7) величина преобразуемой мощности зависит от соотношения напряжений на входе и выходе преобразователя, которая, согласно (2), в диапазоне рабочих напряжений входа (для стабилизатора) и выхода (для регулятора) от 150 В до 190 В не превышает 35% от выходной мощности (Рисунок 8). Обратите внимание, что величина преобразуемой мощности стабилизаторов, понижающих входное напряжение до 220 В, и ЛАТРов с выходным напряжением больше 220 В меньше, чем для устройств, выполняющих обратные функции. Так, например, величина преобразуемой мощности стабилизатора, увеличивающего входное напряжение на 70 В – от 150 В до 220 В, приблизительно равна 32% от мощности нагрузки, в то время как при точно таком же уменьшении входного напряжения – от 290 В до 220 В значение этой величины меньше и не превышает 25%. Это связано с различием между схемами включения активной части преобразователей повышающего и понижающего типов (Рисунок 6) и различным соотношениям напряжений UВХ и UВЫХ, используемым в формуле (2) (Рисунок 8).

Рисунок 8. Зависимость относительной преобразуемой мощности от соотношения напряжений
на входе и выходе для стабилизатора (красная ось) и регулятора (синяя) переменного
напряжения промышленной сети.

Несмотря на то, что величина преобразуемой мощности схем, использующих низкочастотный автотрансформатор и импульсный способ преобразования практически одинакова, индуктивные элементы импульсных преобразователей за счет использования более высокой частоты оказываются намного меньше и легче автотрансформатора, работающего на частоте 50(60) Гц.

Преобразователи на основе схем с двойным преобразованием

Но даже преобразование всего лишь 35% от мощности нагрузки, пусть даже и на высокой частоте, все равно делает дроссели схем на Рисунке 7 достаточно большими элементами. Дальнейшая миниатюризация этих компонентов, как и в преобразователях постоянного тока, возможна путем использования технологии двойного преобразования: вначале с помощью трансформатора осуществляется грубая, а затем с помощью преобразователя на основе дросселя – точная регулировка выходного напряжения [1].

Рисунок 9. Импульсный стабилизатор переменного напряжения промышленной сети на основе
низкочастотного автотрансформатора.

Один из вариантов реализации такого подхода показан на Рисунке 9. В этой схеме грубая регулировка входного напряжения осуществляется трансформатором TV1, работающим на частоте 50(60) Гц, обмотки которого коммутируются ключами S1 – S4, а точная – преобразователем на основе дросселя L1. Главной особенностью этой схемы является подключение входа высокочастотного импульсного преобразователя к двум отпайкам низкочастотного трансформатора TV1. При таком подключении величина мощности, преобразуемой дросселем L1, определяется по формуле:

(3)

где U1, U2 – напряжения в точках подключения импульсного преобразователя.

Анализ формулы (3) показывает, что при таком способе подключения максимальное значение мощности РПМ_МАХ, преобразуемой дросселем L1, будет в случае, когда выходное напряжение UВЫХ равно среднему значению напряжений U1 и U2 (UВЫХ = 0.5[U1 + U2]):

(4)

При других значениях выходного напряжения преобразуемая мощность будет меньше, достигая нуля на краях диапазона регулирования (когда UВЫХ = U1 или UВЫХ = U2), Рисунок 10. Это означает, что при заданном выходном напряжении выбором напряжений U1 и U2 можно регулировать величину преобразуемой мощности, а, следовательно, и размеры дросселя. Так, например, для стабилизатора при U1 = 240 В, U2 = 200 В и UВЫХ = 220 В величина мощности, проходящей через магнитное поле дросселя L1, не превышает 5% от мощности нагрузки:

(5)

А это означает, что, несмотря на то, что через дроссель L1 протекает весь ток нагрузки, для точной установки выходного напряжения (для преобразования необходимого количества энергии) ему необходим магнитопровод с объемом магнитного материала почти в 10 раз меньшим, чем для схем, показанных на (Рисунках 6 и 7).

Рисунок 10. Зависимость относительной преобразуемой мощности преобразователя
на основе дросселя (Рисунок 9) от величины выходного напряжения.

Однако данное решение, хоть и применяется в некоторых моделях промышленно выпускаемых стабилизаторов, имеет один серьезный недостаток – наличие трансформатора, работающего на низкой частоте. Схема на Рисунке 9 позволяет лишь повысить точность регулировки напряжения, но масса и габариты такого решения останутся все еще большими.

Читайте также:  Применение генераторов тумана в дезинфекции
Рисунок 11. Стабилизатор переменного напряжения промышленной сети на основе
высокочастотного автотрансформатора.

Однако почему автотрансформатор обязательно должен работать на частоте сети? Если использовать тот же подход, что и в [1], то частоту работы этого элемента можно повысить на несколько порядков. Такое решение показано на Рисунке 11. В этой схеме высокочастотный автотрансформатор TV1 выполняет грубое преобразование напряжения сети на величину, равную соотношению количества витков обмоток, связанных с входом (W1 + W2, W3 + W4) и выходом (W2, W3), а дроссель L1 – точную установку выходного напряжения, которая зависит от коэффициента заполнения импульсов управления D. Выходное напряжение данной схемы можно определить по формуле:

(6)

где КТР = W2/(W1 + W2) = W3/(W3 + W4) – коэффициент трансформации автотрансформатора.

Знак в формуле (6) определяется алгоритмом переключения ключей S1 – S4. Если входное напряжение необходимо увеличить, то при замыкании ключа S1 должен быть замкнут ключ S4, а если уменьшить – то S3. Соответственно, одновременное замыкание ключей S2 и S3 приведет к увеличению входного напряжения, а S2 и S4 – к уменьшению. На интервалах времени, когда ключи S1 и S2 разомкнуты для обеспечения пути протекания тока дросселя L1, оба ключа S3 и S4 должны быть замкнуты. При этом происходит короткое замыкание, обеспечивающее путь для протекания тока намагничивания автотрансформатора TV1, причем намагничивающие силы, создаваемые токами одинаковых обмоток W2 и W3, взаимно компенсируются, не оказывая влияния на его магнитный поток (более подробно этот процесс рассмотрен в [1]).

Обратите внимание, что одновременное замыкание ключей S3 и S4 фактически приводит к подключению выхода преобразователя к его входу (автотрансформатор TV1 в этом случае практически не оказывает никакого влияния на величину входного напряжения). Этот режим удобно использовать в стабилизаторах в случаях, когда входное напряжение находится в заданных пределах, и необходимости в его изменении нет. Кроме того, одновременное размыкание ключей S3 и S4 приводит к отключению нагрузки от источника питания и может использоваться, например, для блокировки аппарата при возникновении аварийных режимов.

Поскольку коэффициент передачи преобразователей на основе дросселей определяется соотношением длительностей этапов преобразования [3], при расчете коэффициента заполнения D в качестве периода Т необходимо брать длительность периода электрических процессов в дросселе, которая в два раза меньше, чем для автотрансформатора (дроссель работает на удвоенной частоте [1]):

(7)

где t1 – длительность открытого состояния ключей S1 или S2 (Рисунок 11).

Задавшись максимальным значением коэффициента заполнения DMAX, из формулы (6) можно определить необходимый коэффициент трансформации трансформатора TV1. Например, для стабилизатора, который должен обеспечить выходное напряжение 220 В в диапазоне входных напряжений от 150 В до 290 В, при DMAX = 0.85 значение КТР должно быть равно:

(8)

Для обеспечения нужного диапазона регулирования из двух значений, полученных по формуле (8), необходимо выбрать максимальное; в данном случае КТР = 0.55.

При таком значении коэффициента трансформации максимальная мощность, проходящая через магнитное поле дросселя, не превышает 20% от мощности нагрузки (Рисунок 12), причем в режиме повышения входного напряжения это значение не превышает 12%. Столь большая разница величины PПМ для дросселя в режимах повышения и понижения обусловлена тем, что коэффициент трансформации трансформатора TV1 выбирался по формуле (8) для режима повышения, поэтому в режиме понижения дроссель работает в неоптимальном режиме. Если же выбрать коэффициент трансформации равным КТР = 0.28, то мощность, преобразуемая дросселем в режиме понижения, снизится до 10%, однако выходное напряжение 220 В такой стабилизатор сможет обеспечить при входном напряжении не ниже 170 В.

Рисунок 12. Зависимости относительной мощности, преобразуемой индуктивными элементами
стабилизатора (Рисунок 11) от величины входного напряжения.

Одним из вариантов выхода из этой ситуации является использование трансформатора с двумя комплектами отводов: одни для режима повышения с коэффициентом трансформации КТР = 0.55, а другие, с коэффициентом трансформации КТР = 0.28 – для режима понижения. Однако это потребует установки дополнительных ключей на вторичной стороне, что негативно скажется как на сложности, так и на стоимости аппарата.

Заключение

Гальваническая связь между входом и выходом позволяет в наиболее полной мере использовать параметры источника первичного электропитания и преобразовывать лишь то количество энергии, которое необходимо для их коррекции. Отрицательной стороной такого подхода является уменьшение диапазона регулирования. Однако в любом случае следует понимать, что преобразование лишь части энергии является эффективным способом не только уменьшить массу и габариты индуктивных компонентов, но и повысить КПД системы в целом, ведь уровень потерь при преобразовании также напрямую зависит от величины преобразуемой мощности.

Источник

Adblock
detector