Galvanické oddělení - přenos energie nebo informačního signálu mezi elektrickými obvody, které mezi sebou nemají přímý elektrický kontakt .
Galvanické oddělení se používá pro přenos signálu pro snížení rušení, pro bezdotykové ovládání a pro ochranu zařízení před poškozením a osob před úrazem elektrickým proudem.
S galvanickým oddělením se elektrické potenciály oddělených obvodů mohou velmi lišit, někdy se říká, že mají vůči sobě "plovoucí" potenciály.
Podle způsobu organizace galvanické izolace se dělí na
Historicky první typ přestupních uzlů. Stále se používá jak pro přenos energie, tak pro přenos informačního signálu. Přes výkonové transformátory je možné přenášet velmi vysoký výkon, až stovky MW. K přenosu informací se obvykle používají miniaturní pulzní a vysokofrekvenční transformátory.
Někdy se pro elektrickou bezpečnost používají speciální oddělovací výkonové transformátory. Výkonové transformátory jsou obvykle sestupné, to znamená, že napětí sekundárních vinutí je nižší než napětí primárního vinutí, izolační transformátory mají zpravidla transformační poměr 1: 1. Použití takových transformátorů pro účely elektrické bezpečnosti je dáno tím, že nízkonapěťové průmyslové a domácí sítě mají uzemnění připojené k "země" - se kterou je například elektricky spojeno i vodovodní potrubí. Při absenci oddělovacího transformátoru může porucha izolace ručního elektrického nářadí způsobit pracovníkovi úraz elektrickým proudem. Vzhledem k tomu, že sekundární vinutí oddělovacího transformátoru nemá elektrické spojení se „zemí“, je nouzové narušení izolace nástroje prakticky elektricky bezpečné.
U autotransformátorů jsou primární a sekundární vinutí kombinovány, a proto autotransformátory nejsou galvanická separační zařízení a nepoužívají se pro galvanické oddělení pro účely elektrické bezpečnosti.
Nevýhodou galvanického oddělení transformátoru pro přenos informačního signálu je zásadní nemožnost přímého přenosu stejnosměrných signálů a pomalu se měnících signálů přes transformátor. Proto se při takových výměnách uchýlí k nějakému druhu modulace , například k frekvenční modulaci, a přenos informace v tomto případě probíhá pomocí přenosu vysokofrekvenčního nosného signálu. Na přijímací straně je vysokofrekvenční signál demodulován s obnovením přenášené informace.
V zařízeních tohoto typu je signál přenášen pomocí optického záření a používá se výhradně pro přenos informačních signálů, protože je obtížné a technicky nepraktické přenášet vysoký výkon prostřednictvím takových výměn.
V současné době jsou optické výměny nejpoužívanějším a nejoblíbenějším typem informačních výměn.
Princip jejich činnosti je založen na vyzařování světla světelným zářičem řízeným elektrickým signálem, přenosu optického signálu na galvanicky oddělenou část a zpětné přeměně záření na elektrický signál.
LED diody se dnes běžně používají jako zářiče a fotodiody , fototranzistory nebo fototyristory jako přijímače světla . Kombinace LED a přijímače záření se obvykle nazývá optočlen nebo optočlen, pokud jsou emitor a přijímač záření konstrukčně uspořádány v jednom pouzdře. Přenos v optickém kanálu se obvykle používá v infračervené oblasti , protože energetické charakteristiky polovodičových přijímačů a emitorů v tomto rozsahu jsou lepší než ve viditelné oblasti.
Výhodou izolace optočlenu ve srovnání s izolací transformátoru je jeho menší velikost, nízká cena a schopnost přenášet pomalu se měnící signály, včetně stejnosměrných signálů.
Absence optické izolace pro přenos analogových nízkofrekvenčních signálů je výrazná nelinearita kanálu během přenosu, nerovnoměrnost koeficientu přenosu 10-30% v celém rozsahu signálu. Proto se pro přenos pomalu se měnících analogových signálů s dostatečnou přesností, jako v případě izolace transformátoru, používá modulace-demodulace.
Dalším způsobem, jak přesně přenášet pomalu se měnící signál přes optický kanál, je kompenzace. Při této metodě jeden světelný zářič (LED) osvětluje dva přijímače záření (fotodioda nebo fototranzistor), jeden z přijímačů je zařazen do zpětné vazby zdroje proudu LED, druhý, galvanicky oddělený, je zařazen do zpětné vazby zesilovače fotodiody. , jak je znázorněno na obrázku. Pokud je funkce nelineárního přenosu z LED do obou fotodetektorů stejná, pak se nelinearity vzájemně kompenzují a galvanické oddělení se stává lineárním s dostatečnou přesností pro mnoho aplikací. V praxi je v takové struktuře dosažitelné zlepšení linearity přenosu v kanálu až o 1 %.
Slouží výhradně k přenosu informačních signálů. Tuto izolaci lze nazvat galvanickou izolací pouze podmíněně, protože galvanicky izolované obvody jsou elektricky propojeny kapacitní vazbou, jejíž impedance je konečná a klesá s rostoucí frekvencí rozdílu v plovoucích potenciálech „zemí“ oddělené okruhy.
Pokud je kapacita kondenzátorů malá, pak jsou proudy výkonové frekvence protékající oddělovacími kondenzátory malé. Například typická kapacita oddělovacích kondenzátorů je asi 1 pF a impedance galvanického oddělení pro napájecí frekvenci je asi 3 GΩ. Elektrická síla (průrazné napětí) oddělovacích kondenzátorů může být několik kilovoltů, proto je tento typ oddělení povolen pro použití v elektrofyzikálních zařízeních pro lékařské vyšetření a léčbu pacientů, například v elektrokardiografech .
Protože taková izolace zásadně nepřenáší pomalu se měnící signály a stejnosměrné signály, je při přenosu informačního signálu nutně použit nějaký typ modulace.
Příklad obvodu galvanické izolace kondenzátoru je na obrázku. V tomto schématu je impulsní signál přenášen přes asymetrický kondenzátorový můstek s různými koeficienty přenosu kapacitních děličů napětí v ramenech můstku.
Další příklad galvanického oddělení je znázorněn na obrázku. V tomto obvodu je informační signál, modulovaný nějakou metodou, přenášen v diferenciální formě přes dva vazební kondenzátory s typickou kapacitou asi 1 pF.
Tento princip galvanického oddělení se používá v mnoha integrovaných obvodech "izolovaných zesilovačů" od mnoha výrobců polovodičů. Typicky takové mikroobvody používají modulaci sigma-delta .
Výhodou kondenzátorové metody galvanického oddělení je jednoduchost, nevýhodou však je, že vyžaduje použití modulátor-demodulátor.
Bez oddělení je maximální proud tekoucí mezi obvody omezen pouze elektrickými odpory, které jsou obvykle relativně malé. V důsledku toho mohou protékat vyrovnávací proudy a další proudy, které mohou poškodit součásti obvodu nebo zranit osoby, které se dotknou zařízení, které je v elektrickém kontaktu s obvodem. Izolační zařízení uměle omezuje přenos energie z jednoho okruhu do druhého. Jako takové zařízení lze použít oddělovací transformátor nebo optočlen . V obou případech jsou obvody elektricky odděleny, ale lze mezi nimi přenášet energii nebo signály.