Гальваническая развязка (часть 2). виды и задачи. особенности

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, hcnr201 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 loc110.

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—C87 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—C87.

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—C87 без и с выходным фильтром.

Применение

Без использования развязки предельный ток, протекающий между цепями, ограничен только электрическими сопротивлениями, которые обычно относительно малы. В результате возможно протекание выравнивающих токов и других токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепью. Прибор, обеспечивающий развязку, искусственно ограничивает передачу энергии из одной цепи в другую. В качестве такого прибора может использоваться разделительный трансформатор или оптрон. В обоих случаях цепи оказываются электрически разделёнными, но между ними возможна передача энергии или сигналов.

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.

Гальваническая развязка импульсного частотного сигнала

Очень просто и недорого проблема гальванической развязки решается, если использовать преобразователи напряжения в частоту. В данном случае можно, например, применить синхронный преобразователь напряжение-частота типа AD7742 в сочетании с оптопарой и с преобразователем DC-DC (рис. 4).

Рис. 4. Изолированная измерительная схема на базе преобразователя напряжения в частоту

Преобразователь AD7742 преобразует напряжение в частоту с высокой точностью и линейностью, обеспечивая высокую разрешающую способность (хотя, конечно, хуже, чем у хорошего сигма/дельта-АЦП). После гальванической развязки импульсный сигнал может быть подключен ко входу счетчика микропроцессора или микроконтроллера, и с помощью простого алгоритма — подсчета числа импульсов за фиксированный промежуток времени — мы получаем цифровой код.

Данное решение является одним из самых дешевых и эффективных, однако надо заметить: и здесь требуются отдельный источник питания или преобразователь DC/DC с гальванической развязкой для питания левой, изолированной части схемы. Хотя в некоторых случаях (подобных показанному на рис. 4), очевидно, можно запитать левую часть схемы от цепи, в которой измеряется ток.

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Когда требуется, чтобы между двумя частями схемы с разными потенциалами земли проходил сигнал, популярным решением является оптоизолятор (оптопара). Оптоизолятор представляет собой фототранзистор, который открывается («включается»), когда внутренний светодиод находится под напряжением. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является путем прохождения сигнала, и, таким образом, изоляция между потенциалами земли не нарушается.

Рисунок 3 – Схема типового оптоизолятора

Датчик Холла

Другим методом передачи информации между электрическими системами с раздельными потенциалами земли является использование датчика, основанного на эффекте Холла. Датчик Холла детектирует индукцию неинвазивно и не требует прямого контакта с исследуемым сигналом и не нарушает изолирующий барьер. Наиболее распространенное использование проходящей индукционной информации через цепи с различными потенциалами земли – это датчики тока.

Рисунок 4 – Датчик тока, используемый для измерения тока через проводник

На что в ИБП нельзя полагаться

Батарея — наименее надежный элемент большинства хорошо сконструированных систем ИБП. Тем не менее архитектура ИБП может влиять на долговечность этого критичного компонента. Если держать батарею под непрерывной подзарядкой даже при отключении ИБП (как это делается во всех ИБП, производимых АРС), срок ее эксплуатации увеличивается. При выборе ИБП следует избегать топологий с высоким напряжением батареи. Следует остерегаться ИБП, в которых батарея подвергается воздействию пульсирующих токов или перегреву. В большинстве систем ИБП применяются одинаковые батареи. И все же конструктивные различия между ИБП различных систем обусловливают значительные различия в сроке службы батарей, а следовательно, и в размерах эксплуатационных затрат.

Можно ли подключать автомобильный АКБ к UPS?

Мнения на этот счет двояки, но кардинально разные. Зачастую, по разным отзывам автомобильные аккумуляторы вполне справляются с данной задачей и работают стабильно. Основные проблема: газы, которые будут выделяться при зарядке АКБ и перегрев трансформатора, силовых ключей. От последней проблемы можно, хоть частично избавиться, используя дополнительные вентиляторы и т.п. А вот то от газов при зарядке никто никуда не денется. При зарядке выделяется не только взрывоопасный водород, но и другие газы, а это далеко не витамины. Если инвертор из бесперебойника используется в автомобиле, то и этот вопрос отпадает сам собой

Также важно помнить, что от сети зарядка АКБ происходит довольно небольшим током и процесс зарядки может растянуться на длительное время, от этого можно спокойно уйти если заряжать АКБ отдельно от UPS, например, для этих целей можно использовать самодельное зарядное устройство из блока питания компьютера. Использовать ли автомобильный АКБ в UPS решать нужно только Вам

comments powered by HyperComments

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.

Можно ли зарядить аккумулятор ИБП автомобильной зарядкой

Какими отличиями обладает зарядное устройство ИБП и можно ли его применять для зарядки автомобильного аккумулятора? Можно, если воспользоваться функцией постоянного тока. Тогда аккумулятор будет получать заряд долго, но зарядится полностью. Если воспользоваться постоянным напряжением, максимальное значение 13,8 В не позволит выполнить полную зарядку.

Точно также гелевый аккумулятор бесперебойника можно зарядить ЗУ от автомобильного АКБ. Но выставить нужно постоянный ток, равный 10 % от емкости. Примерное время накопления энергии около суток. Перезаряд гелевой батареи недопустим, необходимо снять ее с зарядки до достижения 14,4 В. Пред тем как зарядить аккумулятор ИБП зарядным устройством от автомобиля, нужно убедиться, что на корпусе устройства есть надпись rechargeable.

Зарядить автомобильный аккумулятор, используя ИБП можно, используя схему поочередного насыщения нескольких аккумуляторов, в схеме для газового котла. Тогда зарядное для автомобильного аккумулятора используется поочередно к накопителям, но тот прибор, что работает в паре с ИБП, не должен одновременно подзаряжаться.

На многочисленных форумах предлагают использовать ИПБ для зарядки автомобильного аккумулятора, выполнив электронную схему переключения своими руками

Важно чтобы была отсечка работы АКБ в схеме и подзарядкой. Если внешняя батарея одна, на время заряда автомобильным ЗУ защитный блок должен отключаться от потребителя должен отключаться

Пользователи советуют использовать в схеме ИБП автомобильную батарею б/у или восстановленную. Так можно продлить срок службы автомобильной АКБ и научиться управлять процессом зарядки ИБП своими руками.

Такая мысль у меня появилась, когда я увидел аккумулятор от автомобиля, которым временно не пользовался. Переведя с него взгляд на мой бесперебойник я подумал – можно ли сделать ИБП с внешним аккумулятором, например, как в моем случае – с автомобильным? А почему нельзя? Кто нам запретит? Ведь, по идее, время автономной работы должно стать НАМНОГО выше!

И вот я решил провести такой эксперимент. Что из этого вышло, читайте ниже.

Итак, наши подопытные:

• ИБП APC Back-Ups CS 500
• Аккумулятор MULTU -12 V, 60 а/ч

1. Если ИБП на гарантии, вы ее лишитесь. Он будет подвержен разборке и переделке.
2. В автомобильном аккумуляторе содержится электролит, в состав которого входит серная кислота. Её пары – это не самая лучшая ингаляция для организма. Ввиду этого, лучше всю конструкцию устанавливать на балконе, лоджии, или в том месте, где помещение хорошо проветривается.

Чтобы не томить душу, вот результат:

Для того, чтобы подружить ИБП с автомобильным аккумулятором, нам понадобятся следующие инструменты и компоненты :

• Обычный паяльник. Можно использовать ручную газовую горелку;
• Двойной провод, сечением не меньше, чем 1,5 мм2;
• Специальные зажимы для подключения к клеммам аккумулятора;
• Разъёмы, типа «мама», в количестве двух штук.

Припаиваем к проводу разъемы и зажимы. Отметьте плюсовой провод.

Следующим шагом разбираем ИБП. Мой разобрался на «ура». Нужно на задней панели выкрутить два шурупа.

Отводим корпус на себя и тянем вверх. Он снимается.

Отделяем вторую часть корпуса.

Снимаем старый провод, который подключался к штатному аккумулятору. Не забудьте пометить или запомнить, какой вывод «+» и какой «-»

Меня постоянно отвлекало пищание бесперебойника, когда он переходил в автономный режим, т.е. работал от аккумулятора. Поэтому я заклеил динамик толстым слоем изоленты, чтобы он работал тише.

Пропускаем сделанный ранее провод через крышку корпуса и подключаем, соблюдая полярность. Зафиксируйте его, чтобы он не выдернулся случайно.

Всё, можно собрать ИБП в обратном порядке.

Влияет ли напряжение на надежность?

Батареи состоят из отдельных ячеек, примерно по 2 В каждая. Для создания батареи более высокого напряжения отдельные элементы соединяют последовательно. В 12-вольтовой батарее — шесть элементов, в 24-вольтовой — 12 элементов и т.д. Когда батарея находится под непрерывной подзарядкой, как в системах ИБП, отдельные элементы подзаряжаются одновременно. В силу неизбежного разброса параметров некоторые элементы отбирают большую по сравнению с другими долю напряжения зарядки. Это вызывает преждевременное старение подобных элементов. Надежность группы из последовательно соединенных элементов определяется надежностью наименее надежного элемента. Поэтому, когда один из элементов выходит из строя, выходит из строя и батарея в целом. Доказано, что скорость процессов старения непосредственно связана с количеством элементов в батарее, в связи с этим скорость старения возрастает при повышении напряжения батареи. В лучших типах ИБП применяется меньшее количество более мощных элементов вместо большего количества элементов меньшей мощности, тем самым достигается повышенная надежность. Некоторые изготовители применяют батареи высокого напряжения, что при заданном уровне мощности дает возможность уменьшить число проводных соединений и полупроводников, снизив, таким образом, стоимость ИБП. Напряжение батареи большинства типичных ИБП при мощности порядка 1кВА составляет 24…96 В. При таком уровне мощности у батарей ИБП фирмы АРС, в частности семейства Smart-UPS, напряжение не превышает 24 В. Батареи низкого напряжения в ИБП, производимых компанией АРС, имеют более высокий по сравнению с конкурирующими устройствами срок эксплуатации. Средний срок эксплуатации в батареях АРС равен 3-5 годам (в зависимости от температурного режима, частоты циклов разряд/заряд), тогда как некоторые изготовители указывают срок эксплуатации только 1 год. В течение 10-летнего срока использования ИБП пользователи некоторых систем затрачивают на батареи вдвое больше, чем на само устройство! Хотя разработка ИБП с применением высоковольтных батарей оказывается проще и обходится производителю и дешевле, на пользователя в таком случае ложатся скрытые расходы в виде укороченного срока эксплуатации ИБП.

Включение измерительных трансформаторов тока и напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для возможности измерения высокого напряжения электроустановок переменного тока путем снижения этого напряжения для подачи на защитные реле, приборы измерения и системы автоматики.

При отсутствии измерительных трансформаторов понадобилось бы применять приборы и реле с большими габаритными размерами, так как необходима надежная изоляция от высокого напряжения, которая увеличивает размеры устройств. Изготовить такое оборудование практически невозможно, так как напряжения линий могут достигать величины 110 киловольт.

Измерительные трансформаторы для замера напряжения дают возможность применять стандартные обычные приборы для измерений электрических параметров, при этом увеличивая их диапазон измерения. Защитные реле, подключаемые через эти трансформаторы, могут применяться обычного исполнения.

Трансформатор напряже­ния  выполняют в виде двухобмоточного понижа­ющего трансформатора (рис. 3.33,а). Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку тщательно изолируют от первичной и заземляют.

Рис. 3.33. Схема включения (а) и век­торная диаграмма измерительного трансформатора напряжения (б)

Так как сопротивления обмоток вольтметров и других приборов, подключаемых к трансформатору на­пряжения, велики, то он практически работает в режиме холостого хода. В этом режиме можно с достаточной степенью точности считать, чтоUl = U’2=U2k.

В действительности ток холостого хода I0 (а также не­большой ток нагрузки) создает в трансформаторе падение напряжения, поэтому, как видно из векторной диаграммы (рис. 3.33, б), и между векторами этих напряжений имеется некоторый сдвиг по фазе δu. В результате при изме­рениях образуются некоторые погрешности.

Трансформаторы тока или измерительные трансформаторы преобразуют высокий первичный ток нагрузки в безопасное значение, удобное для проведения измерений.

Трансформаторы тока для электросчетчиков

трансформатор тока в электросчетчиках

Трансформаторы тока для электросчетчиков нормально функционируют при рабочей частоте в 50 Гц и вторичном номинальном токе в 5 ампер. Поэтому, если коэффициент трансформации составляет 100/5, это означает максимальную нагрузку в 100 ампер, а значение измерительного тока – 5 ампер.

Следовательно, в этом случае показания трехфазного счетчика умножаются в 20 раз (100/5). Благодаря такому конструктивному решению, отпала необходимость в изготовлении более мощных приборов учета. Кроме того, обеспечивается надежная защита счетчика от коротких замыканий и перегрузок, поскольку сгоревший трансформатор меняется значительно легче по сравнению с установкой нового счетчика.

Существуют определенные недостатки при таком подключении. Прежде всего, измерительный ток в случае малого потребления, может быть меньше стартового тока счетчика. Следовательно, счетчик не будет работать и выдавать показания. В первую очередь это касается счетчиков индукционного типа с очень большим собственным потреблением. Современные электросчетчики такого недостатка практически не имеют.

Особое внимание при подключение нужно обращать на соблюдение полярности. Первичная катушка имеет входные клеммы. Одна из них предназначена для подключения фазы и обозначается Л1

Другой выход – Л2 необходим, чтобы подключиться к нагрузке. Измерительная обмотка также имеет клеммы, обозначаемые соответственно, как И1 и И2. Кабель, подключаемый к выходам Л1 и Л2, рассчитывается на необходимую нагрузку

Одна из них предназначена для подключения фазы и обозначается Л1. Другой выход – Л2 необходим, чтобы подключиться к нагрузке. Измерительная обмотка также имеет клеммы, обозначаемые соответственно, как И1 и И2. Кабель, подключаемый к выходам Л1 и Л2, рассчитывается на необходимую нагрузку.

Для вторичных цепей используется проводник, поперечное сечение которого должно быть не ниже 2,5 мм2.

Рекомендуется применять разноцветные промаркированные провода с обозначенными выводами. Нередко подключение вторичной обмотки к счетчику осуществляется с помощью опломбированного промежуточного клеммника.

Использование клеммника позволяет проводить замену и обслуживание счетчика без отключения электроэнергии, поступающей к потребителям.

ИБП не держит нагрузку — эта, и другие неисправности бесперебойников

При любой неисправности в первую очередь следует прочитать инструкцию к прибору. В зависимости от производителя и модели, одна и та же неисправность может проявляться по-разному. Диагностика каждого ИБП и ремонт могут отличаться, в зависимости от определения типовых проблем.

Симптомы неисправностей бесперебойников могут быть разными, но основные из них:

• не держит нагрузку при отключении питания от сети;
• не включается;
• ИБП постоянно пищит;
• перегревается;
• ИБП щелкает или самостоятельно отключается.

В некоторых случаях отремонтировать прибор получится самостоятельно, при этом стоить помнить, что UPS прибор электрический и потребуются элементарные навыки в сборке и разборке.

Наиболее частыми проблемами в работе бесперебойников являются пыль и износ аккумулятора. Обе они возникают в результате длительной эксплуатации. Техника нуждается в регулярной чистке от пыли, не стоит оставлять прибор в комнате где де идет ремонт – строительная пыль для него наиболее опасна.

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.

Поддержка работоспособности

В большинстве случаев рассматриваемое устройство служит своему владельцу долгие годы и без особых проблем. При этом для достижения такого положения вещей требуется регулярное обслуживание ИБП, которое заключается в замене аккумуляторной батареи (примерно раз в два года) и общем контроле исправности электронных компонентов. Если для контроля свойств конденсаторов, резисторов и других электронных элементов понадобятся довольно глубокие знания в электронике и схемотехнике либо поход в сервисный центр, то заменить аккумулятор ИБП, вышедший из строя или утративший свои свойства со временем, может практически каждый. Такой ремонт ИБП своими руками приходится осуществлять практически каждому владельцу устройства хотя бы единожды за жизненный цикл бесперебойника.

Простой инвертор из бесперебойника своими руками

Все мы знаем как неприятно, когда внезапно отключают свет. Это может случиться в любой момент — дома или на даче. Жителям сельской местности не позавидуешь вдвойне, тем более, если в такие моменты работает инкубатор или циркуляционный насос. Внезапное выключение света может привести к гибели будущего выводка или остановке насоса для отопления. Есть отличное решение этой проблемы – нужно всего-навсего купить автомобильный инвертор с 12-на 220 в. Однако цены на них очень велики, не каждый сельский житель сможет позволить себе купить такую дорогую вещь.

Что же делать – где можно недорого приобрести источник бесперебойного питания для освещения дома, теплицы, дачи т. д.? Конечно же, попробовать сделать его своими руками! А интернет нам в этом поможет.

Оказывается, есть более простое и дешевое решение – нужно всего лишь навсего, переделать бесперебойник в инвертор.

Для этой цели нам понадобится рабочий источник бесперебойного питания от компьютера, который можно купить буквально за копейки на «блошиных» рынках или через объявления местных газетах по продаже б/у компьютерной техники. Однако для наших задач бесперебойник не совсем подходит и требует небольшой переделки. Все, кто умеет работать с паяльником, без особого труда справятся с такой работой.