гальваническая изоляция что это

Термин: Развязка гальваническая

Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Гальваническая изоляция, как правило, применяется для решения одной из двух (или обеих) задач:

1. Обеспечение независимости сигнальной цепи (при подключении приборов и устройств) за счёт того, что гальваническая изоляция обеспечивает независимый контур тока сигнальной цепи относительно других контуров тока, возникающих при соединении приборов и устройств. Например, это может быть независимость цепи измерения от силовой исполнительной цепи. Независимость сигнальной цепи решает целый ряд проблем электромагнитной совместимости (ЭМС): улучшает помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует лучшей его совместимости с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка бывает как групповая (одна на несколько каналов измерения), так и поканальная (индивидуальная для каждого канала измерения).

2. Обеспечение электробезопасности при работе с оборудованием согласно ГОСТам на электробезопасность. Для электрического оборудования для измерения, управления и лабораторного применения применяют ГОСТ 12.2.091-2012, согласно которому определяют требования к стойкости изоляции (испытательному напряжению). Важно отметить, что гальваническая изоляция – это одна из технических мер обеспечения электробезопасности, поэтому требования к изоляции конкретной цепи всегда следует рассматривать в совокупности с другими мерами электобезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д.), принятыми в данном конкретном случае. В любом случае, испытательное напряжение изоляции, указанное в документации на оборудование, должно многократно превышать номинальные напряжения изолируемых цепей.

Следует отметить, что гальваническая развязка цепей может обеспечиваться разными техническими способами: трансформаторная (индуктивная) гальваноразвязка (трансформаторы, цифровые изоляторы на высокочастотном трансформаторном принципе), оптическая гальваноразвязка (оптроны, оптореле), ёмкостная гальваноразвязка (цифровые изоляторы на ёмкостном принципе), электромеханическая развязка (электромеханические реле). Эти способы отличаются не только очевидными эксплуатационными параметрами «по назначению», но и, например, менее очевидными параметрами обеспечения «степени независимости» изолируемых цепей. Например, обычный сетевой трансформатор питания может иметь межобмоточную ёмкость – тысячи пФ, в то время как оптрон – десятые доли пФ. Эта ёмкость гальваноразвязки существенно влияет на сквозные токи высокой частоты через гальваноразвязку и фактически определяет независимость изолируемых цепей для синфазного напряжения с высокой скоростью нарастания.

Примеры использования термина

Термин используется при описании электрических свойств входов и выходов измерительных приборов, исполнительных и интерфейсных устройств. Ниже приводим примеры измерительных приборов с гальванической изоляцией измерительных цепей.

Источник

Гальваническая изоляция что это

Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Это передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними. Гальванические развязки используются для передачи сигналов, для бесконтактного управления и для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.

В качестве примера гальванической развязки может выступать трансформатор. Первичная обмотка трансформатора полностью изолирована от вторичной, поэтому между ними никаких токов возникнуть не может в принципе (кроме случаев пробоя), хотя разность потенциалов в обмотках может быть очень большой. Таким образом, даже если вторичная обмотка гальванически связана с корпусом и, соответственно, с землей, никаких паразитных токов, опасных для оборудования и персонала, на корпусе не возникнет.

Гальваническая изоляция применяется для решения двух задач:

1. Обеспечение независимости сигнальной цепи (при подключении приборов и устройств) за счёт того, что гальваническая изоляция обеспечивает независимый контур тока сигнальной цепи относительно других контуров токов, возникающих при соединении приборов и устройств. Например, это может быть независимость цепи измерения от силовой исполнительной цепи. Независимость сигнальной цепи решает целый ряд проблем электромагнитной совместимости (ЭМС): улучшает помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует лучшей его совместимости с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка бывает как групповая (одна на несколько каналов измерения), так и поканальная (индивидуальная для каждого канала измерения).

2. Обеспечение электробезопасности при работе с оборудованием согласно ГОСТам на электробезопасность. Для электрического оборудования для измерения, управления и лабораторного применения применяют ГОСТ52319-2005, согласно которому определяют требования к стойкости изоляции (испытательному напряжению). Важно отметить, что гальваническая изоляция – это одна из технических мер обеспечения электробезопасности, поэтому требования к изоляции конкретной цепи всегда следует рассматривать в совокупности с другими мерами электобезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д. по ГОСТ52319-2005), принятыми в данном конкретном случае.

Недостатки гальванической изоляции

Основным недостатком цепей с гальванической развязкой является повышенный уровень помех от DC/DC-преобразователя, который, однако, для низкочастотных схем можно сделать достаточно малым с помощью цифровой и аналоговой фильтрации. На высоких частотах ёмкость подсистемы на землю и ёмкость между обмотками трансформатора являются факторами, ограничивающими достоинства гальванически изолированных систем. Ёмкость на землю можно уменьшить, применяя оптический кабель и уменьшая геометрические размеры гальванически изолированной подсистемы.

Распространённой ошибкой при применении гальванически развязанных цепей является неверная трактовка понятия «напряжение изоляции». В частности, если напряжение изоляции модуля ввода составляет 3 кВ, это не означает, что его входы могут находиться под таким высоким напряжением в рабочих условиях.

В зарубежной литературе для этого используют три стандарта: UL 1577, VDE 0884 и IEC 61010-01, но в описаниях устройств гальванической развязки не всегда даются на них ссылки. Поэтому понятие «напряжение изоляции» трактуется в отечественных описаниях зарубежных приборов неоднозначно.

Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идёт о напряжении, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), а в других случаях речь идёт об испытательном напряжении (напряжение изоляции), которое прикладывается к образцу в течение времени от 1 минуты до нескольких микросекунд. Испытательное напряжение может в 10 раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку определяемое этим напряжением воздействие на изоляцию зависит также от длительности тестового импульса.

Связь между рабочим и испытательным (тестовым) напряжением изоляции по стандарту IEC 61010-01

Таблица показывает связь между рабочим и испытательным (тестовым) напряжением изоляции по стандарту IEC 61010-01. Как видно из таблицы, такие понятия, как рабочее напряжение, постоянное, среднеквадратическое или пиковое значение тестового напряжения могут отличаться очень сильно.

Электрическая прочность изоляции отечественных средств автоматизации испытывается по ГОСТ 51350 или ГОСТ Р МЭК 60950-2002, то есть синусоидальным напряжением с частотой 50 Гц в течение 1 минуты при напряжении, указываемом в руководстве по эксплуатации как напряжение изоляции. Например, при испытательном напряжении изоляции 2300 В рабочее напряжение изоляции составляет всего 300 В (табл. 1).

Источник

Гальваническая изоляция USB 2.0 High Speed

Рис.1 Краткое содержание статьи

Практическая часть

Мне повезло заполучить пару микросхем и протестировать их работоспособность. В схемотехнике я не выдумывал ничего за границами даташита и развёл небольшую платку с прицелом на имеющийся у меня на руках корпус. Я развёл собственный изолированный DC-DC преобразователь, но для того чтобы быстрее перейти к тестам я использовал старенький SBT01L-05

Рис. 2 Печатная плата после монтажа компонентов. Динозавры передают пакеты через гальванический барьер

В качестве первого теста я скопировал туда-обратно файлы на флешку, получив

23 МБайт/с (184 МБит/с) для чтения и

10 МБайт/с (80 МБит/с) для записи (см. Рис. 3)

Рис. 3а Скорость чтения и скорость записи (SanDisk Cruzer Blade USB Device) через изолятор Рис. 3б Скорость чтения и записи (SanDisk Cruzer Blade USB Device) без изолятора

Я результатом доволен скорость High Speed взята! Ура! Спасибо за внимание! Фото поделки в сборе на рисунке 4.

Рис. 4 Вид готового устройства

Факультативная теоретическая часть

Тэкс, почему-то некоторые не расходятся. Дайте угадаю, у вас в голове сейчас что-то такое: «Так, @coolebyak, ты говорил про USB 2.0 High Speed, у которого 480 Мбит/с или 60 МБайт/c. А результаты-то у тебя на скриншотах меньше! Обман!»
Я рад, что вы остались, потому что это действительно может сбить с толку. Лаконичный ответ на этот вопрос лежит в сети уже с 2011-го. По сути, я сейчас повторю, что ответили вот в этом посте, но только переводя с английского.

USB 2.0 использует фреймы в 1 мс, а в режиме High Speed (480 Мбит/с) они делятся на 8 микрофреймов. Максимальный размер пакетов, используемых запоминающими устройствами USB, составляет 512 Байт. Согласно этому очень информативному документу теоретический максимум составляет 13 пакетов на микрофрейм. Итак, теоретическая максимальная скорость USB-накопителя 2 составляет:

1000 * 8 * 512 * 13 = 53248000

Рис. 5 Таблица теоретических пределов скорости передачи Рис. 6 USB-фрейм для массовой передачи данных

На практике слабым местом, как правило, является сама флешка. В качестве примера приводят временную диаграмму записи в NAND Flash (Рис. 7). Время для каждого передаваемого пакета можно разбить на три участка: 1) время для выполнения USB-передачи, 2) первичные временные затраты операционной системы (или встроенного ПО) и 3) время программирования NAND Flash.

Рис. 7 Пример узкого места для скорости передачи данных по USB

Получается, для моей видавшей виды флешки результаты вполне достойные. Главное, что они выше 1.5 МБайт/с.

Результаты и выводы

Испытание высоким напряжением еще предстоит, пока что могу сказать лишь, что электрический разряд от шерстяного свитера микросхема выдерживает. Прототип изолятора получен и успешно испытан на флешках, камерах, внешних аудиокартах. Что очень меня радует, чем делюсь и хвастаюсь здесь. Надеюсь, Texas Instruments наладят производство и в скором времени эти микросхемы снова появятся в продаже и будут дешевле

13$. Надеюсь, было полезно. Теперь точно Спасибо за внимание!

Прикладываю схему. На ней отсутствует разработанный мною изолированный DC-DC, т.к. я его ещё не тестировал.

Схема принципиальная

Источник

SamsPcbGuide, часть 9: Гальваническая изоляция, безопасность и печатные платы

Данная статья продолжает рассмотрение темы, поднятой @olartamonov, а именно, обеспечение безопасности в высоковольтных приложениях. В статье будут рассмотрены физические основы пробоя диэлектриков, а также новый стандарт безопасности.

Требования безопасности касаются любой электронной аппаратуры, несмотря на то, что они являются накладными с точки зрения функционирования изделия. Они требуют применения дополнительных схемотехнических решений и электронных компонентов, усложняют топологию печатных плат, увеличивая масса-габаритные параметры изделия, объём испытаний и, тем самым, его стоимость и сроки выхода на рынок. Только функционалом можно ограничиваться лишь при разработке макетных образцов или прототипов устройства. К сожалению, в настоящее время в условиях простоты выхода на покупателя (мимо центров сертификации), снижения стоимости и экономии на испытаниях электронные изделия теряют не только надёжность, но и безопасность.

Основы теории электрического пробоя в газах и твёрдых телах

где p – давление, a и b – экспериментальные константы, зависящие от газа. На рис. 1 приводится кривая Пашена для сухого воздуха с относительной влажностью 60% при температуре 20 о С. Заметим, что кривая Пашена имеет минимальное значение. Повышение давления приводит к росту плотности и увеличению вероятности столкновений, но снижает длину свободного пробега и, следовательно, энергию частиц. Это приводит к росту напряжения пробоя в области высоких давлений, в правой части графика. В области низких значений механизм пробоя зависит от соотношения длины свободного пробега и расстояния между электродами. Электрическая прочность воздуха при нормальном атмосферном давлении составляет 3,1 кВ/мм и она снижается с ростом температуры и падением давления. В качестве консервативной оценки при проектировании электрической изоляции обычно принимается значение 1-1,5 кВ/мм.

Для твёрдых диэлектриков вводится понятие собственной электрической прочности – минимального значения напряжённости электрического поля в однородном материале, при котором свободные или валентные электроны приобретают достаточно энергии, чтобы при их столкновениях с атомами или связанными электронами образовывались новые электроны проводимости, что и приводит к пробою. Эта величина зависит от температуры, для некоторых материалов может достигать нескольких МВ/мм и является теоретическим пределом электрической прочности. На практике пробой возникает при гораздо меньших значениях напряжённости электрического поля. Основными причинами этого являются:

Наличие влаги или загрязнений на поверхности может приводить к образованию проводящих каналов, которые даже при слабой проводимости создают эквипотенциальные поверхности, снижая фактический зазор между электродами и тем самым приводя к пробою.

К электрическому пробою в диэлектрических материалах приводит целый комплекс сложных физических явлений, имеющих в том числе вероятностную составляющую и зависящих от большого числа внешних факторов. Поэтому аналитические и расчётные модели могут быть построены только для самых простых случаев. На практике при проектировании следует руководствоваться требованиям стандартов, проводить тестирование изоляции в условиях, приближённых к реальным условиям эксплуатации, и при возможности закладывать запас прочности изоляции. Понимание теоретических основ механизмов электрического пробоя позволяет принимать решения в условиях необходимости компромисса с рекомендациями стандартов.

Новый стандарт безопасности

Каждой группе электронных устройств соответствует свой стандарт электробезопасности. Актуальным стандартом безопасности является 62368-1, который пришёл на смену и объединил устаревающие стандарты 60950-1 и 60065. Стандарт, в отличие от своих предшественников, очень системный и структурированный и рекомендуется к изучению. Также рекомендации по гальванической изоляции указаны в стандартах IPC: в общем стандарте на проектирование печатных плат IPC2221 и в стандарте на преобразователи напряжения IPC9592.

Базовая модель защищённой системы в 62368-1 выглядит очень просто (рис. 3). В общем случае механизмы защиты от передачи энергии (электрической, химической, кинетической, тепловой и др.), способной вызвать боль или стать причиной травм, включают:

По опасности источники энергии делятся на три класса (раздел 4.2), каждому из которых соответствует свой минимальный уровень защиты, в зависимости от типа пользователя оборудования. Для обычного пользователя это:

Классификации источников посвящён раздел 5.2 стандарта. Источники постоянного тока с выходным напряжением более 60 В определяются как опасные и требуют обеспечения изоляции (рис. 4). Те же уровни напряжения считаются опасными для одиночных импульсов и для конденсаторов ёмкостью более 300 нФ, при снижении ёмкости требования снижаются (для 4 нФ это уже 1 кВ, см. таблицу 7 стандарта). Для источников переменного тока пороговым является 30 В среднеквадратичного значения напряжения.

Если в работе электронного устройства используются источники электрической энергии класса 2 и 3, то при проектировании печатных плат, входящих в его состав, должны соблюдаться требования к минимальным зазорам (англ. clearance) и путям утечки (англ. creepage), используемым материалам и компонентам. Печатным платам посвящён отдельный раздел G.18 приложения G «Компоненты», который содержит ссылки на общие разделы 5.4.2 «Зазоры» и 5.4.3 «Пути утечки».

При выборе минимальных зазоров и путей утечки следует исходить не только от значений напряжения, но и от условий эксплуатации и материала диэлектрика (рис. 5). На пробой воздушного зазора влияет давление, поэтому стандарт вводит повышающие коэффициенты для высот более 2000 м над уровнем моря (таблица 22 стандарта). Кроме того, определяются три степени загрязнения рабочей среды. Чем выше степень загрязнения, тем большее расстояние между проводникам должны быть обеспечено.

Ещё один параметр, который оказывает влияние на значение минимального пути утечки – это группа материла по стойкости к пробою по поверхности. Стандарт IEC 60112 разделяет диэлектрические материалы на 4 группы в зависимости от значения условного индекса CTI (англ. Comparative Tracking Index). Чем выше значение CTI, тем выше стойкость к пробою и тем меньше значения минимального пути утечки допустимы при прочих равных условиях. Стандартный стеклотекстолит FR4 c CTI

175…200 находится на границе значений группы IIIb, которую не рекомендуют использовать при степени загрязнения 3 и при среднеквадратичных значениях напряжения более 630 В.

После того, как параметры, влияющие на выбор минимальных зазоров и путей утечки, определены, сами значения определяются с помощью таблиц 17-19, 23, G.12 стандарта. Данные минимальные расстояния должны выдерживаться для всех проводников при наличии между ними соответствующего напряжения: в первичной цепи, между первичной и вторичной цепью, а также во вторичных цепях. В таблице 1 приводятся значения минимальных зазоров и путей утечки для печатных плат, входящих в состав устройств с питанием от электросети 220 В категории перенапряжения II в условиях степени загрязнения 2.

Для внешних слоёв значения зависят от наличия покрытия, однако стоит учитывать, что стандартная маска не является специализированным изоляционным покрытием и не обеспечивает возможность применения пониженных требований к зазорам. Маска имеет неравномерную толщину и может содержать полости и трещины, снижающие надёжность такой изоляции.

Что касается внутренних слоёв, то для проводников на соседних слоях используется минимальный зазор для сплошной (англ. solid insulation) однослойной изоляции в 0,4 мм, а для проводников на одном слое изоляция рассматривается как скреплённый стык (англ. cemented joint). По стандарту для такой изоляции могут использоваться значения минимальных зазоров и путей утечки для степени загрязнения 2, для степени загрязнения 1 или зазор для сплошной изоляции в 0,4 мм. При этом в последних двух случаях стандарт требует проведения испытаний, включающих термоциклирование и испытание на электрическую прочность. Дело в том, что существует вероятность (и для надёжных приложений она должна быть учтена), что в результате тепловой, механической нагрузки или с течением времени вдоль раздела соседних слоёв печатной платы возникнет зазор. И тогда расстояние в 0,4 мм может оказаться недостаточным для обеспечения высоковольтной изоляции.

Стоит заметить, что в большинстве случаев требование к расстоянию через изоляцию между слоями является минимальным, поэтому одной из стратегий при проектировании печатных плат с ограничением по габаритам является разнесение изолируемых проводников и компонентов по разным слоям.

Соблюдение требуемых стандартом расстояний при проектировании топологии печатной платы может оказаться недостаточным, так как наличие компонентов и конструктивных элементов изделия делает задачу трёхмерной. Поэтому использование 3D-моделей компонентов и общей сборки изделия является необходимым условием при проектировании изделий с опасными уровнями напряжения.

Минимальные расстояния, требуемые стандартом, должны быть выдержаны во всех направлениях, с учётом наличия компонентов на печатной плате, а также конструктивных элементов изделия.

Помимо соблюдения требований к минимальным расстояниям, при разработке печатных плат для высоковольтных приложений рекомендуется избегать острых углов в геометрии проводящих слоёв (рис. 6), так как они являются концентраторами напряжённости электрического поля.

С точки зрения ЭМС изоляционный барьер является разрывом в пути возвратного тока, что без реализации специальных мер приводит к повышенному уровню излучения, особенно в случае изолированных источников питания. Как и в случае разрывов в опорном слое, для обеспечения пути протекания возвратных токов через изоляционный барьер применяются конденсаторы. Требования к дискретным конденсаторам и примеры их применения описаны в разделе G.15 приложения G «Компоненты» стандарта. В изоляции опасных уровней напряжения применяются только конденсаторы класса Y, выход из строя которых приводит к разрыву цепи: для сети переменного тока 220 В класса перенапряжения II это один конденсатор подкласса Y1 или два последовательно соединённых конденсатора подкласса Y2. Безопасность таких конденсаторов гарантируется производителем, однако паразитная индуктивность соединения и локализованное расположение ограничивают их эффективность на частотах выше 100 МГц. Этого недостатка лишена встроенная в печатную плату ёмкость, распределённая между двумя перекрывающимися полигонами на внутренних слоях (рис. 7).

При этом важно понимать, что даже полное следование рекомендациям стандарта в части минимальных расстояний между проводниками не гарантирует электробезопасности. Только результаты испытаний изоляции на электрическую прочность (раздел 5.4.11 стандарта) могут подтвердить соответствие топологии печатной платы, применяемых материалов и компонентов, конструкции изделия и технологии его изготовления требованиям безопасности для конкретных условий применения.

Источник