Что означает гальваническая развязка простыми словами?
Гальваническая развязка – это принцип связи или передачи электричества (постоянного или переменного тока) или информационного сигнала от одной электроцепи к другой для питания или управленческого воздействия без непосредственного (прямого) электрического контакта между ними. Цепи не связываются проводами, а энергия передается, например, через магнитное поле, оптическое излучение или радиосигнал. Гальваническая развязка встречается в источниках питания, системах управления и линиях связи.
По сути, она искусственно создает разделение или ограничение – изоляцию:
- исключающую токовую связь;
- минимизирующую влияние или полностью не пропускающую возможные помехи и искаженные сигналы.
Гальваническая развязка может представлять собой:
- отдельный электроприбор, например, разделительный трансформатор в обособленном корпусном исполнении;
- элемент на печатной плате электрооборудования. Например, в зарядном устройстве такой компонент обеспечивает связь между низковольтной и высоковольтной частями. При возникновении короткого замыкания внутри блока он не пропустит высокий ток на другие низковольтные компоненты платы, что исключает их выгорание.
Какие проблемы решает гальваническая развязка?
Гальваническая развязка необходима для того, чтобы обеспечить электробезопасность. Она способна защитить:
- электрические цепи от поломки из-за аварийной ситуации в одной из них;
- оборудование на линии от возможных повреждений и сбоев в работе, особенно, если входная электросеть не имеет заземляющего проводника (например, при возникновении короткого замыкания в первичной цепи вторичная цепь просто отключится);
- пользователей от вероятного поражения электрическим током при соприкосновении с металлическим корпусом электротехники.
Делая цепи независимыми друг от друга относительно протекающего тока, гальваническая развязка решает проблему качества электропитания и электромагнитной совместимости различных электроприборов, которые подключаются к сети, улучшая их работу.
Виды гальванических развязок
Для изоляции электроцепей применяются гальванические развязки следующих типов:
- трансформаторного (с двумя одинаковыми обмотками);
- оптического (с оптическим датчиком и приёмником);
- емкостного (с конденсаторами малой емкости);
- электромеханического (с электромеханическими реле или генераторами).
Рассмотрим особенности самых распространенных видов.
Трансформаторная гальваническая развязка
Представляет собой разделительный или развязывающий трансформатор. Может быть в виде отдельного электроприбора и внутреннего модуля в составе какого-либо устройства.
Применяется в основном в силовых цепях переменного тока и состоит из первичной и вторичной обмоток (катушек), размещенных на металлическом сердечнике. Ток поступает на первичную и через магнитный поток появляется на вторичной обмотке. Обмотки имеют одинаковую толщину и количество витков, защищены друг от друга слоем заземленной фольги.
В отличие от обычных трансформаторов, которые изменяют выходной вольтаж на более высокий/низкий или стабилизируют его до номинального значения 220/230 В (например, как в трансформаторных стабилизаторах напряжения или линейно-интерактивных ИБП), разделительные устройства передают напряжение на выход в неизменном виде, то есть на вторичной обмотке оно равно входному. Коэффициент преобразования у них равен единице.
Основное предназначение – защита от поражения током и повышение качества электропитания подключенного оборудования.
Разделительные трансформаторы целесообразно устанавливать там, где необходимо обеспечить безопасную подачу электричества для пользователей и нормальную работу критически важной электротехники:
- в помещениях с высокой влажностью, электротехникой с металлическими корпусами и неисправным/отсутствующим заземлением (в подвалах, ванных комнатах, саунах и др.);
- в медицинский учреждениях при работе со стационарной специализированной аппаратурой, имеющей корпус из металла, чтобы повысить электробезопасность и защитить пользователей (персонал и пациентов) от возможного поражения током при работе с такими устройствами.
В этих местах гальваническая развязка позволяет безопасно пользоваться электроприборами. Например, при контакте токоведущих частей техники с водой или при пробое изоляции и касании пользователем металлического корпуса прибора опасность поражения током будет сведена к минимуму, так как между электросетью и оборудованием не будет возникать замкнутой цепи.
Оптическая развязка
Представляет собой небольшого размера внутренний модуль (оптрон) в электроприборах. Состоит из светового излучателя (например, светодиода) и фотоприемника (фототранзистора, фототеристора и др.), разделенных прозрачным изолятором.
Сигнал передается от одной цепи к другой через оптическое излучение. Энергия на входе переходит в световой импульс, проходит через изоляционный материал и попадает в фотодетектор, который преобразует его обратно в исходный сигнал. По сравнению с трансформаторными развязками имеют значительно меньшие размеры. Оптроны делятся на два типа – оптопары и оптореле. Первые передают информационный сигнал в сигнальных цепях или цепях с малым током, а вторые применяются для коммутации силовых цепей с большим током, например, для их включения/выключения с помощью низкого напряжения.
В основном оптроны применяются в цепях управления для передачи информационных сигналов, а также устанавливаются в блоках питания между высоковольтной и низковольтной частью. Примерами оборудования, в котором присутствует такой элемент, может быть телекоммуникационная аппаратура, техника с импульсными блоками питания, автоматика электромоторов, электросчетчики, системы освещения и др.
Основное предназначение – бесконтактное управление и защита от высоких напряжений.
Пример использования – гальваническая развязка между контроллером с постоянным напряжением и силовым транзистором. Первый элемент подает управляющие сигналы второму через гальваноразвязку. В свою очередь, она защищает от проникновения высокого напряжения. Если между ними не будет такой изоляции, то микроконтроллер выгорит. Также гальваноразвязка применяется для согласования и защиты контроллеров при работе различных датчиков, которые могут подвергнуться воздействую сетевых аварий – коротким замыканиям, перенапряжениям и др.
Пример использования гальванической развязки в бытовой электросети
В бытовых условиях в основном применяются развязывающие трансформаторы. Они решают проблему заземления отопительного оборудования (например, энергозависимого газового котла), которому обязательно требуется стабильный заземляющий проводник (PE), но в месте эксплуатации он либо отсутствует, либо находится в аварийном состоянии.
Устройства подключаются в розетку перед отопительным оборудованием для устранения прямой гальванической связи сети и нагрузки, создавая искусственное зануление (соединение на выходе нейтрального провода с защитным заземлением). Это создает возможность для корректной работы электронного блока котла, который отвечает за розжиг его горелки.
Схема гальванической развязки
Разделительный трансформатор также служит для:
- устранения помех и наводок, которые в любой момент могут возникнуть в электросети;
- обеспечения безопасной работы газового котла при аварийных ситуациях, в том числе изменении фазировки на внешней линии;
- снижения вероятности поражения электрическим током пользователей.
Разделительный трансформатор не выполняет коррекцию напряжения и не обеспечивает резервное питание электрооборудования во время обрывов сети, поэтому его часто используют в паре со стабилизатором напряжения или ИБП.