Mini-ats102.ru

ООО “Мультилайн”
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи

Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи

Как уже отмечалось, электрические линии связи (витые пары, коаксиальные кабели) требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и вообще любое функционирование сети. Оптоволоконные кабели решают все подобные проблемы автоматически.

Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, так как скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень велики.

Принцип согласования кабеля прост: на его концах необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля.

Как уже упоминалось, волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50—100 Ом для коаксиального кабеля, до 100—150 Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля. Точное значение волнового сопротивления легко можно измерить с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа как раз по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Обычно требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не превышало 10% в ту или другую сторону.

Если согласующее, нагрузочное сопротивление Rн меньше волнового сопротивления кабеля Rв, то фронт передаваемого прямоугольного импульса на приемном конце будет затянут, если же Rн больше Rв, то на фронте будет колебательный процесс (рис.3.1).

Рис. 3.1. Передача сигналов по электрическому кабелю

Сетевые адаптеры, их приемники и передатчики специально рассчитываются на работу с данным типом кабеля с известным волновым сопротивлением. Поэтому даже при идеально согласованном на концах кабеле, волновое сопротивление которого существенно отличается от стандартного, сеть, скорее всего, работать не будет или будет работать со сбоями.

Здесь же стоит упомянуть о том, что сигналы с пологими фронтами передаются по длинному электрическому кабелю лучше, чем сигналы с крутыми фронтами. Их форма значительно меньше искажается (рис. 3.2). Это связано с разницей величин затухания для разных частот (высокие частоты затухают сильнее). Меньше всего искажается форма синусоидального сигнала, он просто уменьшается по амплитуде. Для улучшения качества передачи нередко используются трапециевидные или колоколообразные импульсы (рис. 3.3), близкие по форме к полуволне синуса, для чего искусственно затягиваются или сглаживаются фронты изначально прямоугольных сигналов.

Рис. 3.2. Затухание сигналов в электрическом кабеле

Рис. 3.3. Трапециевидный и колоколообразный импульсы

Экранирование электрических линий связи применяется для снижения влияния на кабель внешних электромагнитных полей. Экран представляет собой медную или алюминиевую оболочку (плетеную или из фольги), в которую заключаются провода кабеля. Экранирование будет работать, если экран заземлен, поскольку необходимо, чтобы наведенные на него токи стекали на землю. Кроме того, экранирование заметно уменьшает и внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности передаваемой информации. Побочными полезными эффектами экранирования являются увеличение прочности кабеля и трудности с механическим подключением к кабелю для подслушивания. Экран заметно повышает не только стоимость кабеля, но также и его механическую прочность.

Снизить влияние наведенных помех можно и без экрана, если использовать дифференциальную передачу сигнала (рис. 3.4). В этом случае передача идет по двум проводам, причем оба провода являются сигнальными. Передатчик формирует противофазные сигналы, а приемник реагирует на разность сигналов в обоих проводах. Условием согласования является равенство сопротивлений согласующих резисторов R половине волнового сопротивления кабеля Rв. Если оба провода имеют одинаковую длину и проложены рядом (в одном кабеле), то помехи действуют на оба провода примерно одинаково, и в результате разностный сигнал между проводами практически не искажается. Именно такая дифференциальная передача применяется обычно в кабелях из витых пар. Но экранирование и в этом случае существенно улучшает помехоустойчивость.

Рис. 3.4. Дифференциальная передача сигналов по витой паре

Гальваническая развязка компьютеров от сети при использовании электрического кабеля совершенно необходима. Дело в том, что по электрическим кабелям (как по сигнальным проводам, так и по экрану) могут идти не только информационные сигналы, но и так называемый выравнивающий ток, возникающий вследствие неидеальности заземления компьютеров.

Когда компьютер не заземлен, на его корпусе образуется наведенный потенциал около 110 вольт переменного тока (половина питающего напряжения). Его можно ощутить на себе, если одной рукой взяться за корпус компьютера, а другой за батарею центрального отопления или за какой-нибудь заземленный прибор.

При автономной работе компьютера отсутствие заземления, как правило, не оказывает серьезного влияния на его работу. Правда, иногда увеличивается количество сбоев в работе машины. Но при соединении нескольких территориально разнесенных компьютеров электрическим кабелем заземление становится серьезной проблемой. Если один из соединяемых компьютеров заземлен, а другой нет, то возможен выход из строя одного из них или обоих. Поэтому компьютеры крайне желательно заземлять.

В случае использования трехконтактной вилки и розетки, в которых есть нулевой провод, это получается автоматически. При двухконтактной вилке и розетке необходимо принимать специальные меры, организовывать заземление отдельным проводом большого сечения. Стоит также отметить, что в случае трехфазной сети желательно обеспечить питание всех компьютеров от одной фазы.

Но проблема осложняется еще и тем, что земля, к которой присоединяются компьютеры, обычно далека от идеала. Теоретически заземляющие провода компьютеров должны сходиться в одной точке, соединенной короткой массивной шиной с зарытым в землю массивным проводником. Такая ситуация возможна только если компьютеры не слишком разнесены, и заземление действительно сделано грамотно. Обычно же заземляющая шина имеет значительную длину, в результате чего стекающие по ней токи создают довольно большую разность потенциалов между ее отдельными точками. Особенно велика эта разность потенциалов в случае подключения к шине мощных и высокочастотных потребителей энергии.

Читайте так же:
Заправка лазерного картриджа своими руками видео

Присоединенные к одной и той же шине, но в разных точках, компьютеры имеют на своих корпусах разные потенциалы (рис. 3.5). В результате по электрическому кабелю, соединяющему компьютеры, потечет выравнивающий ток (переменный с высокочастотными составляющими).

Рис. 3.5. Выравнивающий ток при отсутствии гальванической развязки

Хуже, когда компьютеры подключаются к разным шинам заземления. Выравнивающий ток может достигать в этом случае величины в несколько ампер. Подобные токи смертельно опасны для малосигнальных узлов компьютера. Кроме того выравнивающий ток существенно влияет на передаваемый сигнал, порой полностью забивая его. Даже тогда, когда сигналы передаются без участия экрана (например, по двум проводам, заключенным в экран) вследствие индуктивного действия выравнивающий ток мешает передаче информации. Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в одной точке.

Однако если каждый из компьютеров самостоятельно заземлен, то заземление экрана в одной точке становится невозможным без гальванической развязки компьютеров от сети. Таким образом не должно быть связи по постоянному току между корпусом (землей) компьютера и экраном (землей) сетевого кабеля. В то же время, информационный сигнал должен передаваться из компьютера в сеть и из сети в компьютер. Для гальванической развязки обычно применяют импульсные трансформаторы, которые входят в состав сетевого оборудования (например, сетевых адаптеров). Трансформатор пропускает высокочастотные информационные сигналы, но обеспечивает полную изоляцию по постоянному току.

Рис. 3.6. Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника)

Грамотное соединение компьютеров локальной сети электрическим кабелем обязательно должно включать в себя следующее (рис. 3.6):

  • оконечное согласованиекабеля с помощью терминаторов;
  • гальваническую развязку компьютеров от сети;
  • заземление каждого компьютера;
  • заземление экрана (если, конечно, он есть) водной точке.

Не стоит пренебрегать каким-либо из этих требований. Например, гальваническая развязка сетевых адаптеров часто рассчитывается на допустимое напряжение изоляции всего лишь 100 В, что при отсутствии заземления одного из компьютеров может легко привести к выходу из строя его адаптера.

Следует отметить, что для присоединения коаксиального кабеля обычно применяются разъемы в металлическом корпусе. Этот корпус не должен соединяться ни с корпусом компьютера, ни с землей (на плате адаптера он установлен с пластиковой изоляцией от крепежной планки). Заземление экрана кабеля сети лучше производить не через корпус компьютера, а отдельным специальным проводом, что обеспечивает лучшую надежность. Пластмассовые корпуса разъемов RJ-45 для кабелей с неэкранированными витыми парами снимают эту проблему.

Важно также учитывать, что экран кабеля, заземленный в одной точке, является радиоантенной с заземленным основанием. Он может улавливать и усиливать высокочастотные помехи с длиной волны, кратной его длине. Для снижения этого антенного эффекта применяется многоточечное заземление экрана по высокой частоте. В каждом сетевом адаптере земля сетевого кабеля соединяется с землей компьютера через высоковольтные керамические конденсаторы. Для примера на рис. 3.7 показана упрощенная схема гальванической развязки, применяемая в сетевых адаптерах Ethernet.

Рис. 3.7. Схема гальванической развязки в сети Ethernet

Приемопередатчик напрямую связан с кабелем сети, но гальванически развязан с помощью трансформаторов от компьютера и остальной части сетевого адаптера. Это продиктовано особенностями протокола CSMA/CD и манчестерского кода, применяемых в Ethernet. Для обеспечения полной развязки питание приемопередатчика осуществляется посредством преобразователя питающего напряжения, имеющего внутри также трансформаторную гальваническую развязку. Оплетка коаксиального кабеля соединена с общим проводом компьютера через высоковольтный конденсатор. Параллельно конденсатору включен резистор с большим сопротивлением (1 МОм), который предотвращает электрический удар пользователя при одновременном касании им оплетки кабеля (корпуса разъема) и корпуса компьютера.

В случае применения витых пар все гораздо проще. Каждая витая пара имеет развязывающие импульсные трансформаторы на обоих своих концах. Ни один из проводов витой пары не заземляется (они оба сигнальные). К тому же разъемы для витых пар имеют пластмассовый корпус.

Статьи к прочтению:

Процедура SPA-экранирования Q3 от ESTEL

Похожие статьи:

Основные понятия Компьютерная сеть – совокупность программных и аппаратных средств и среды передачи, служащая для обмена информацией между участниками….

Телекоммуникационная система. Телекоммуникационная система – это совокупность аппаратно и программно совместимого оборудования, соединенного в единую…

Принцип работы гальванической развязки

Гальванические развязки используются для защиты электропитания приборов и оборудования, улучшения качества электрического питания, передачи сигналов между электрическими сетями.

Народная энциклопедия «Википедия» определяет устройство гальванической развязки как «устройство для передачи сигналов между различными электрическими цепями, устройство для защиты работы оборудования, устройство защиты от поражения током».

При развязке электрических цепей используют следующее оборудование:

  • трансформаторные гальванические развязки с использованием индуктивных трансформаторов;
  • ёмкостные гальванические развязки с использованием конденсаторов малой ёмкости;
  • оптические развязки цепей с использованием пары оптического датчика и оптического приемника сигнала;
  • электромеханические развязки цепей с использованием электромеханических реле.

Ниже представлены изображения различных устройств гальванической развязки:

Изображения устройств гальванической трансформаторной развязки

Схемы решений гальванической развязки

Во время построения сложных систем для цифровой обработки поступаемых сигналов, связанных с функционированием в промышленных условиях, гальваническая развязка должна решать следующие задачи:

  1. Защищать компьютерные цепи от воздействия критических токов и напряжений. Это важно, если условия эксплуатации предполагают воздействие на них промышленных электромагнитных волн, существуют сложности с заземлением и т. д. Такие ситуации встречаются также на транспорте, имеющем большой фактор человеческого влияния. Ошибки могут становиться причиной полного выхода из строя дорогостоящего оборудования.
  2. Предохранять пользователей от поражения электрическим током. Наиболее часто проблема актуальна для приборов медицинского назначения.
  3. Минимизации вредного влияния различных помех. Важный фактор в лабораториях, выполняющих точные измерения, при построении прецизионных систем, на метрологических станциях.

В настоящее время широкое использование имеют трансформаторная и оптоэлектронная развязки.

Принцип работы оптрона

Светоизлучающий диод смещается в прямом направлении и принимает только излучение от фототранзистора. По такому методу осуществляется гальваническая связь цепей, имеющих связь с одной стороны со светодиодом и с другой стороны с фототранзистором. К преимуществам оптоэлектронных устройств относится способность передавать связи в широком диапазоне, возможность передачи чистых сигналов на больших частотах и небольшие линейные размеры.

Читайте так же:
Использование музыки в видео авторские права

Размножители электрических импульсов

Обеспечивают требуемый уровень электроизоляции, состоят из передатчиков-излучателей, линий связи и приемных устройств.

Линия связи должна обеспечивать требуемый уровень изоляции сигнала, в приемных устройствах происходит усиление импульсов до значений, необходимых для запуска в работу тиристоров.

Применение электрических трансформаторов для развязки повышает надежность установленных систем, построенных на основании последовательных мультикомплексных каналов в случае выхода из строя одного из них.

Параметры мультикомплексных каналов

Сообщения каналов состоят из информационных, командных или ответных сигналов, один из адресов свободен и используется для выполнения системных задач. Применение трансформаторов повышает надежность функционирования систем, собранных на основе последовательных мультикомплексных каналов и обеспечивает работу устройства при выходе из строя нескольких получателей. За счет применения многоступенчатого контроля передач на уровне сигналов обеспечиваются высокие показатели помехозащищенности. В общем режиме функционирования допускается отправка сообщений нескольким потребителям, что облегчает первичную инициализацию системы.

Простейшее электрическое устройство – электромагнитное реле. Но гальваническая развязка на основе этого прибора имеет высокую инертность, относительно большие размеры и может обеспечить только небольшое число потребителей при большом количестве потребляемой энергии. Такие недостатки препятствуют широкому применению реле.

Гальваническая развязка типа push-pull позволяет значительно уменьшить количество используемой электрической энергии в режиме полной нагрузки, за счет этого улучшаются экономические показатели использования устройств.

Развязка типа push-pull

За счет использования гальванических развязок удается создавать современные схемы автоматического управления, диагностики и контроля с высокой безопасностью, надежностью и устойчивостью функционирования.

Основные виды гальванической развязки

Мы с вами уже рассмотрели два вида гальванической развязки: трансформаторную и оптическую. Также существует акустическая развязка — в данном случае сигналы между отдельными электроцепями передаются посредством звуковых волн.

Гальваническую развязку можно организовать посредством радиосигнала и электромеханическим способом (примеры: реле или мотор-генератор).

Рассмотрим вкратце электромеханический способ гальванической развязки на примере мотор-генератора: одна электроцепь запускает электромотор, а вторая питается от генератора, который крутит приводной двигатель.

ice screenshot 20211127 194236

Это может быть полезно, когда нужно преобразовать постоянный ток в переменный. Или чтобы преобразовать однофазный ток в трёхфазный.

Практическое использование гальванического разделения цепей

Рассмотрим практический пример использования гальванического разделения цепей. Многие компании производят гальванические развязки сигнальных цепей, но далеко не всегда они содержат встроенные DC/DC-преобразователи для разделения цепей питания. Насколько известно автору, среди работающих на нашем рынке компаний гальванические развязки с разделением цепей питания производят Analog Devices, Texas Instruments, Mornsun. К ним можно причислить и компанию SiLabs, но следует учесть, что ее компоненты содержат ключи силового каскада, но не имеют встроенного трансформатора. Применение развязок с встроенными DC/DC-преобразователями позволяет сократить занимаемое на плате место, упрощает топологию и, как следствие, облегчает решение проблем электромагнитной совместимости.

В качестве примера рассмотрим гальваническую развязку ISOW784x компании Texas Instruments. Ее структурная схема показана на рис. 5.

Структурная схема ISOW784x

Рис. 5. Структурная схема ISOW784x

Приведем основные параметры ISOW784x:

  • напряжение питания: 3,3–5 В;
  • выходная мощность встроенного DC/DC-преобразователя: 0,65 Вт;
  • выходной ток встроенного DC/DC-преобразователя (max): 130 мА;
  • скорость передачи данных (max): 100 Мбит/с;
  • стойкость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс;
  • электрическая прочность изолирующего барьера: 5 кВ (СКЗ) и 7,071 кВ в пике;
  • диапазон рабочей температуры: –40…125 °C;
  • корпус: 16‑выводной SOIC размером 10,3×7,5 мм.

Максимального выходного тока 130 мА встроенного DC/DC-преобра­­зователя, как правило, вполне достаточно для того, чтобы организовать питание четырех трактов входных сигналов. В качестве диэлектрика в развязке используется диоксид кремния SiO2. Его диэлектрическая прочность достигает 500 В (СКЗ)/мкм, благодаря чему и достигается высокая электрическая прочность изоляции, позволяющая с запасом удовлетворить требования стандартов электробезопасности.

Заметим, что никакое гальваническое разделение цепей не означает полного разделения частей. Проходные емкости собственно развязки, особенно малогабаритного встроенного трансформатора DC/DC-преобразователя, и паразитные емкости платы создают токовый контур, который представляет собой антенну, излучающую помехи. Причем чем выше скорость передачи данных и больше площадь токовой петли из паразитных емкостей, тем больше величина излучаемых помех. На эти обстоятельства следует обратить внимание при разработке топологии платы и постараться уменьшить паразитные емкости между двумя частями системы.

Уменьшить величину токовой петли может Y2‑конденсатор СISO (рис. 2). Напомним, что по требованиям стандарта IEC60384-1 максимально допустимое напряжение Y2‑конденсатора должно находиться в диапазоне 150–300 В (АС). Этот конденсатор должен выдерживать пиковое напряжение 5 кВ. Но, к сожалению, такой конденсатор имеет и паразитную индуктивность выводов, которая снижает эффективность его использования в полосе частот выше 200–300 МГц.

Решением этой проблемы может стать емкость, образованная слоями печатной платы (stitching capacitance). На рис. 6 показан пример формирования такой емкости на четырехслойной печатной плате. Изолированные части системы размещаются на верхнем и нижнем слоях, емкость образуется с помощью слоев земли и питания. В данном случае величина емкости составила 30 пФ. Подробный расчет, создаваемой таким образом емкости, изложен в [4].

Конденсатор, образованный слоями печатной платы (stitching capacitance)

Рис. 6. Конденсатор, образованный слоями печатной платы (stitching capacitance)

Такой вид развязки электрических цепей является еще одной разновидностью развязки цепей. При этом между цепями нет связи по току, земле и другим элементам.

Galvanicheskaia razviazka emkostnaia

В развязке, выполненной емкостями, для передачи данных применяется переменное электрическое поле. Между пластинами конденсаторов находится диэлектрик, который является изолятором между цепями.

Электрические параметры такой развязки определяют свойства диэлектрика, расстояние между обкладками и их размер. Достоинством емкостной гальванической изоляции является повышенная энергетическая эффективность, небольшие размеры устройства, способность передачи электроэнергии и невосприимчивость к внешним электромагнитным полям.

Это дает возможность создать экономичные и дешевые интегральные изоляторы, которые обладают устойчивостью к внешним факторам. Одним из недостатков развязки на основе конденсаторов является отсутствие дифференциального сигнала, в отличие от гальванической развязки индуктивного вида. В результате помехи и шум будут проходить вместе с рабочим сигналом.

Читайте так же:
Восстановление win 10 с помощью флешки

Поэтому для нормальной работы помехи и частоту сигнала разделяют таким образом, чтобы емкость оказывала незначительное сопротивление рабочему сигналу, а для помех была бы хорошей преградой. Так же как и в трансформаторной развязке, здесь применяется кодирование сигнала с дальнейшим его детектированием.

Недостатком конденсаторной развязки можно назвать невозможность передачи данных с постоянной составляющей. Емкостная гальваноразвязка – это наиболее дешевый вариант развязки электрических цепей. Однако из-за своей малой эффективности и отсутствия защиты от помех он не нашел широкого применения.

Электромеханическая развязка

Принцип работы электромеханического варианта развязки заключается в использовании реле, которое служит для соединения электрических цепей при определенных изменениях входящих данных. Такую развязку называют релейной.

Galvanicheskaia razviazka elektromekhanicheskaia

Электромагнитное реле из-за своего простого принципа работы и повышенной надежности получило широкую популярность автоматических системах и защитных схемах электроустановок. Такие реле разделяют по виду рабочего тока на реле переменного и постоянного тока.

Реле, функционирующие на постоянном токе в свою очередь разделяют на поляризованные и нейтральные. Поляризованные реле работают в зависимости от полярности сигнала управления, реагируя соответствующим образом. Работа нейтрального реле не зависит от направления тока (полярности), который протекает по обмотке.

Действие электромагнитных реле заключается в применении электромагнитных сил, образующихся в металлическом сердечнике во время протекания тока по обмотке. Элементы реле закрепляются на основании, а сверху закрываются крышкой. Над сердечником смонтирован подвижный якорь, выполненный в виде пластины, с несколькими контактами, напротив которых расположены парные стационарные контакты.

В первоначальном положении якорь притянут пружиной. При включении питания электромагнит преодолевает усилие пружины и притягивает якорь, тем самым размыкает или замыкает пары контактов, в зависимости от устройства реле.

После отключения питания пружина притягивает якорь в первоначальное положение. Некоторые исполнения реле содержат в схеме электронные компоненты в виде конденсатора, подключенного параллельно контактам для снижения помех и уменьшения искрения, а также резистора, подключенного к катушке для четкости работы реле.

Задачи гальванической изоляции

Гальваническая развязка призвана решать две основные задачи, которые в свою очередь разделяются на несколько определенных задач.

Независимость сигнальных цепей

Обеспечение независимости цепей сигналов при подключении устройств и приборов осуществляется за счет создания гальванической изоляции независимого контура сигналов относительно других цепей, которые имеются в этих устройствах и приборах.

Такая независимость способна решить множество проблем электромагнитной совместимости:
  • Улучшение защиты от помех.
  • Снижение шума в цепи сигналов.
  • Возрастание точности измерения.

Изолированный выход или вход с помощью гальванической развязки часто способствует качественной совместимости с различными устройствами.

В измерительных системах с несколькими каналами для сбора информации гальваническая изоляция бывает:
  • Групповая. Такая развязка выполняется одна одновременно на несколько каналов.
  • Индивидуальная. Ее называют поканальной, так как она выполняется отдельно для каждого канала.
Создание электробезопасности

С помощью гальванической развязки можно сделать безопасной работу с электрооборудованием. Такая электробезопасность будет полностью удовлетворять требованиям соответствующих действующих стандартов. Для электрооборудования при работах по управлению, измерению, а также при лабораторных работах используется ГОСТ52319 – 2005. В нем определены требования к устойчивости изоляции при испытаниях.

Следует отметить, что гальваническая изоляция является технической мерой создания электробезопасности, поэтому ее рассматривают совместно с различными защитами и блокировками.

Недостатки

Главным недостатком гальванической развязки цепи является высокий уровень помех. Однако в схемах с низкой частотой эта задача решается подключением аналоговых и цифровых фильтров.

В высокочастотных цепях емкость системы по отношению к земле и емкость между катушками трансформатора является ограничивающим фактором по отношению к преимуществам систем с гальванической развязкой. Емкость с землей можно снизить с помощью оптического кабеля и уменьшения геометрических размеров изолированной системы.

Популярной ошибкой при использовании цепей с гальванической изоляцией является неправильное понимание такого термина, как «напряжение изоляции». Если эта величина в модуле ввода равна 3000 В, это отнюдь не говорит о том, что на входы модуля можно подавать такую величину напряжения при эксплуатации.

В описаниях импортных устройств гальванической изоляции не всегда имеется толковое объяснение этому понятию. В отечественной литературе по импортным приборам и устройствам неоднозначно описывается параметр напряжения изоляции. Одни описывают напряжение, допустимое при работе изоляции длительное время (рабочее напряжение).

Другие этот параметр объясняют напряжением при испытании изоляции. При этом напряжение прикладывают к изоляции в течение определенного времени. Напряжение при испытании может в несколько раз быть выше рабочего напряжения, и служит для ускоренных методов испытаний в процессе эксплуатации. Воздействие на изоляцию, определяемое таким высоким напряжением, зависит от продолжительности тестового импульса.

  • Страница 1 из 8
  • Перейти на страницу:

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение #1 T-Duke » 06 апр 2017, 00:27

У меня эта тема возникала уже несколько раз. Проблема в том, что для питания цифровых осциллографов используют импульсные БП, со стандартными входными цепями. А заземление там подключено таким образом, что в некоторых случаях могут возникать проблемы. До сих пор решал я проблему развязки осцилла по старинке — с помощью развязывающего трансформатора 220/220. Однако у этого решения есть один серьезный недостаток — а именно необходимость в довольно габаритном развязывающем трансформаторе. Порой транс 220/220 проблематично найти и тогда используют два одинаковые транса включенные вторичными обмотками вместе.

Но мне такое решение перестало нравиться. По той причине, что импульсный БП осциллографа, уже предоставляет гальваническую развязку осциллографа от сети. Но вследствие особенностей подключения контура заземления к плате осциллографа, родной гальванической развязкой воспользоваться не удается.

Для того чтобы было понятнее о чем речь, приведу схему БП, довольно распространенного цифрового осциллографа:

Читайте так же:
Видеокамера с ручными настройками

Гальваническая развязка цифровых осциллографов. - pwr.png

Основная проблема, которая кроется в невозможности работы осциллографа без развязывающего трансформатора, сосредоточена в том, что провод заземления из разъема питания P1 (3 контакт) подключен к земле осциллографа. Это делает невозможным включение крокодила щупа в неземляные точки исследуемой схемы. То есть если попытаться использовать заземленный осциллограф для исследования работы тоже заземленного устройства, то крокодил осциллографа можно подключать только к земле и больше никуда, если в схеме внутри, нет гальванической развязки.

Во многих случаях, проблему можно решить просто используя для питания осциллографа розетку в которой нет заземления. Тогда земля осциллографа не будет связана со землей исследуемого устройства. Но даже если устройство и осциллограф, питается от розетки без заземления, но через общий удлиннитель, тогда земли осциллографа и устройства оказываются соединенными через контакт в удлинителе. Короче одни проблемы с этой землей.

Если запитать осциллограф от развязывающего трансформатора, тогда земля не подключается никуда и проблемы общих земель исчезают. Но тогда встает вопрос — зачем такая избыточность? Ведь ИБП осциллографа и так обеспечивает гальваническую развязку. Проблема ведь только в землях. Самое простое решение — это не использовать развязывающий трансформатор, потому что такой уже используется внутри БП осциллографа. Решение — просто отключить землю от корпуса осциллографа. Оно равноценно применению дополнительного развязывающего трансформатора. Отключили землю и все проблемы исчезли.

Но все ли проблемы исчезли?

Чтобы разобраться нужно понять зачем нужно заземление. Корпуса приборов заземляют по соображению электробезопасности. Это обычная мера для приборов внутри корпуса которых существует сетевое напряжение. Если корпус прибора заземлен, то при замыкании корпуса на сетевой фазный провод, произойдет короткое замыкание фазы на землю и сработает предохранитель или пакетник. Если же корпус не заземлен, то на нем может находиться сетевое напряжение и при касании человека ко корпусу, в неблагоприятных условиях (контакт человека тем, или иным образом со землей) может произойти поражение током.

Однако, здесь есть одно но. Заземлять по сути нужно горячую часть устройства, то есть высоковольтную часть, которая схемотехнически находится до разделяющего трансформатора. Ибо вторичная часть, после разделяющего трансформатора уже не имеет связи со сетью питания. Кроме того можно найти в продаже целый класс устройств, чаще всего это БП и зарядные устройства, у которых вовсе нет заземления. Шнур питания таких устройств имеет только два провода и земли нет вовсе. И ничего, все себе работает прекрасно, так как сеть и выход такого БП разделены гальванически.

Тогда возникает большой вопрос — за каким непонятным пнем, в осциллографах заземляют вторичную часть БП? То есть зачем заземлять уже гальванически развязанную часть схемы? Самый первый пришедший в голову ответ здесь — для того, чтобы при исследовании с помощью осциллографа высоковольтных схем иметь некоторую защиту. Только вот так ли это на самом деле? Корпуса цифровых осциллографов пластиковые. Кнопки, крутилки тоже пластиковые.

Возникает снова вопрос — ЗАЧЕМ заземлять вторичную сторону БП, которая уже гальванически отвязана от БП? Зачем? Что заземлять там? Пластиковый корпус? Как на нем окажется сетевое напряжение? Каким образом? Мало того, если мы заземлим вторичную часть осциллографа, то разъемы щупов осциллографа, оплетка щупов и сами крокодилы, окажутся заземленными. И тогда если человек коснется крокодила щупа, или разъема кабеля щупа одной рукой и коснется ВВ части схемы другой рукой, получи гарантированный удар током. Вот нахрена заземлять плату осциллографа?

Кто, что думает? Для тех, кто меня не знает, прошу сразу воздержаться от очевидных отсылов в госты и прочую бумажную ерунду. Потому что вопрос с подвохом. Я редко задаю вопросы и задавая, уже знаю большую часть ответа, просто на всякий сверяюсь, может пропустил чего.

Итак повторю вопрос — ЗАЧЕМ заземлять плату осциллографа, который питается уже от ИЗОЛИРОВАННОГО блока питания. Если заземлять корпус БП внутри осциллографа, я еще пойму. Но зачем заземлять общий осциллографа у которого весь корпус пластиковый, кнопки, крутилки тоже пластиковые и питается осциллограф от изолированного источника питания? Вопрос с подвохом, посему интересует ответ знатоков, уже разбиравшихся в нем.

О дифференциальных пробниках я знаю. Но это не решение. Об осциллографах с изолированными каналами тоже. И про то, что более правильно отвязывать от сети исследуемое устройство, а не осцилл, я тоже знаю. Главный вопрос здесь — ЗАЧЕМ земля пластиковому осциллографу? Зачем козе баян?

ЗЫ
Развивая тему об изоляции именно осциллографа, я хочу все подвести к ненужности заземления собственно платы осциллографа, а только горячей части БП. Хотя в случае подключения осциллографа через внешний развязывающий транс, заземления уже нет никакого вообще. Я считаю что заземление платы цифрового осцилла, питающегося от изолированного БП — ненужность при работе с напряжениями до 400В, при аккуратности до 600В. Кто думает иначе?

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение #2 AnSm » 06 апр 2017, 09:06

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение #3 sidor094 » 06 апр 2017, 11:58

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение #4 T-Duke » 06 апр 2017, 12:36

Мне причина их установки известна. Зачем они там и что делают. Чуть позже опишу все, вместе с решением проблемы. Подожду еще чуток. Пока по совету опытных людей изучаю дополнительную буржуйскую информацию о граундинге и шилдинге, хочу понять нет ли нюансов о которых я не знаю.

К этому я и подвожу. На самом деле я уже так делал полгода назад. Только вот помехозащищенность ухудшилась. Есть решение без выбрасывания этих конденсаторов. Просто сверяюсь с мануалами по EMI совместимости, вдруг что-то упускаю.

Практически невозможный. И в таком случае погорят компоненты на вторичной стороне и закоротят собой все, в результате выгорит предохранитель.

Читайте так же:
Восстановление данных на внешнем жестком диске

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение #5 sidor094 » 06 апр 2017, 12:43

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение #6 T-Duke » 06 апр 2017, 14:18

Ладно, пока переработаю буржуйские тексты по EMI опишу детальнее что делают те два конденсатора и почему на мой взгляд применено такое извращенное решение, производителями.

Входные цепи и фильтр образованный из L1,C1,C2,C3,C4 служит для двух целей — не пустить импульсные помехи из БП в сеть и не пустить помехи из сети в БП. Помехи бывают симметричные — противофазные, или дифференциальные — это когда помеха распространяется по двум проводам — фазе и нейтрали как дифференциальный сигнал и несимметричные, или синфазные, когда помеха распространяется по одному, или двум проводам относительно заземления — по фазе, или по нейтрали, или по обеим, относительно земляного провода. Самые легко подавляемые помехи — симметричные. Они вызывают наименьшую головную боль.

Симметричные помехи, хорошо давит цепь L1,C1,C2 и ее бы хватало, если бы не присутствие несимметричных помех. Для их подавления ставят дополнительно C3,C4 и вместе с L1 они образуют два LC фильтра нижних частот, относительно земли. Один для фазного провода (левая по схеме катушка L1 и C4), другой для нейтрального (правая по схеме катушка L1 и C3). Как симметричные, так и несимметричные помехи возникают в ключевом каскаде импульсного БП. Именно коммутационные всплески на индуктивности рассеяния трансформатора и создают все проблемы. Ключевой каскад является сильным источником помех. Симметричные помехи хорошо давит дифференциальный фильтр второго порядка, на L1,C1,C2. А вот несимметричные помехи он не может сильно подавить. Поэтому требуется еще и несимметричный фильтр. Его получают добавляя емкости C3,C4 к индуктивности L1. В этом случае получаем два несимметричных фильтра, один для фазного провода (левая обмотка L1 и C4), второй для провода нейтрали (правая обмотка L1 и C3). Для того чтобы конденсаторы С3, С4 подавляли несимметричные помехи они дожны включаться на общий провод, который заземляется. По логике вещей следует подключить все к земле горячей части БП. Но стандартным является включение, когда конденсаторы включают на землю вторичной части БП, а не на землю горячей части. Почему это так, разберемся позже. А пока разберем более логичный вариант включения конденсаторов и провода заземления:

Гальваническая развязка цифровых осциллографов. - pwr2.png

Как видим провод заземления подключен к общему горячей части БП и все помехи которые могут выходить из БП, давятся фильтром L1,C3,C4. Так же и входящие помехи, аналогично давятся этим же фильтром. При таком включении конденсаторов фильтра, никаких проблем бы не возникало. Питание полностью изолировано и никакой связи между фазным и нейтральным проводом и землей вторичной части схемы бы не было. Подключение крокодила осциллографа к любой части схемы не создавало бы никаких проблем.

Однако есть один подводный камень. Если бы не он, все было бы превосходно и не приходилось бы использовать то извращенное решение когда конденсаторы включают на общий вторичной части БП. Может кто-то уже подозревает о каком подводном камне речь?

И да. Хочу заметить, что эти извращенные цепи с конденсаторами на землю вторичной части специально спроектированы для работы в трехпроводной сети, когда есть заземление в розетке. Когда заземления нет, тогда все превращается в пшик. На земле появляется переменка с частотой сети. К счастью емкость конденсаторов небольшая, что дает большое реактивное сопротивление и опасности нет, но если дотронуться до земли осцилла и до батареи, будет неприятное покалывание. Кстати это же самое и с компьютерами и прочими устройствами специально спроектированными для работы со заземлением. Если заземления нет, или оно пропадает, все превращается в медвежью услугу. Фильтр да — он-то работает пусть частично. Хоть и нет земли от сетевой розетки, но фильтр продолжает давить несимметричные помехи источником которых является силовой транзистор БП. Но на земле теперь есть потенциал сети, хоть и нет прямой гальванической связи, но переменный ток некоторой величины есть. И если ткнуться таким осциллом в схему, то минимум схема начнет работать нехорошо. Появляются помехи как минимум. А в максимуме, схема может начать сходить с ума или вообще ножки протянуть.

Короче я такое решение с фильтрами считаю извращенным. И да, тут еще один фактор есть. В качестве конденсаторов C3,C4 ОБЯЗАТЕЛЬНО должны использоваться кондеи категории Y1 или Y2. И как раз по причине того, что они включены на землю вторичной части БП. Потому что если произойдет пробой такого кондея, тогда на земле вторичной части может оказаться фаза. А это чревато. Поэтому в качестве кондеев С3,С4 используются спецконденсаторы с высоким пробивным напряжением до 8кВ, чтобы даже сильные всплески напряжения в сети не могли пробить конденсатор, чтобы не случилось непоправимое.

Короче столько извращений из-за одного подводного камня и стремления все удешевить. Я считаю именно это причиной извращенного включения С3,С4 на вторичную землю. Производителям не хотелось немного удорожать БП и они решили подключить сетевые провода ко вторичной земле, пусть даже ценой риска. Ввели обязательное использование кондеев типа Y1,Y2. Им то конечно дешевле, два высоковольтных спецкондея и все. Но меня такое решение в корне не устраивает. Лучше я чуть доработаю схему, чем буду использовать это извращение, которое к тому же нормально работает только со заземлением.

Лично я собираюсь перейти на измененный вариант БП и переключить конденсаторы С3,С4 со вторичной земли на горячую землю, как показано на рисунке. А с подводным камнем бороться по другому.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector