Separacja galwaniczna układów elektronicznych – na czym polega i kiedy warto ją stosować?
W poprzednim materiale znajdziecie informacje o doborze zasilacza aby zapewnić właściwe doprowadzenie mocy do obwodów, jednak czasami chcemy odseparować się galwanicznie od określonych obwodów.
Połączenie galwaniczne to takie, którym może przepływać prąd elektryczny. Jest nim zarówno przewód, jak i złącze, metalowa obudowa, lut, styk, zacisk miedziana ścieżka itd. Innymi słowy, po między obwodami połączonymi galwanicznie może przepływać prąd.
Separacja galwaniczna to coś przeciwnego – przerwanie drogi dla prądu. Możemy powiedzieć o latarce (zwykłej, ręcznej, na baterie), że jest odseparowana galwanicznie od sieci 230V, ponieważ między tymi dwoma obiektami nie ma drogi, którą mógłby płynąć prąd. Nie są elektrycznie połączone, między nimi jest izolator (w tym wypadku niejeden: plastikowa obudowa, powietrze).
Możemy też wskazać bardziej subtelną formę separacji galwanicznej. Zasilacz transformatorowy lampki halogenowej. Zasilacz pobiera prąd z gniazdka, więc jest połączony galwanicznie z siecią. Żarówka pobiera prąd z zasilacza, więc również jest z nim połączona galwanicznie. Ale obwód zasilający włókno żarówki jest odizolowany galwanicznie od napięcia sieciowego. Służy do tego transformator, jaki znajduje się w zasilaczu.
Transformator to element, w którym zachodzi przepływ energii z jednego uzwojenia do drugiego za pośrednictwem zmiennego pola magnetycznego. Same uzwojenia są od siebie odizolowane, np. odpowiednim tworzywem sztucznym. Nie ma możliwości przepływu prądu między nimi. Czy to będzie transformator tzw. sieciowy, złożony z blach, czy też tzw. impulsowy, który ma rdzeń wykonany z ferrytu, idea jest identyczna: elektryczne oddzielenie jednego obwodu od drugiego i przekazywanie energii wyłącznie przez pole magnetyczne.
Możemy znaleźć transformatory również w gniazdach Ethernet. Ten standard jest tak skonstruowany, że domyślnie wprowadza izolację galwaniczną między urządzeniami przy użyciu ferrytowych transformatorków o niewielkich rozmiarach.
Innym rodzajem urządzenia, które zapewnia izolację galwaniczną, jest transoptor. Z jednej strony ma diodę LED, a z drugiej element światłoczuły (fototranzystor lub fotodiodę). Załączając diodę po jednej stronie, światło z niej przenika przez przezroczystą i nieprzewodzącą barierę pomiędzy nimi, zmieniając przewodność elementu odbiorczego. To tani sposób za zapewnienie izolacji galwanicznej, ale ma dużą wadę: nie można nim przesłać na tyle dużo energii, aby zasilić obwód odbiorczy. Można w ten sposób jedynie przekazywać informacje. Istnieją transoptory o dobrej liniowości, które mogą "analogowo" przenosić sygnały z wejścia na odizolowane galwanicznie wyjście. Na niektórych elektronicznych licznikach energii elektrycznej znajdziecie sprzęg optyczny. To dwukierunkowe łącze pozwalające na komunikację z urządzeniem z wykorzystaniem LED IR i fotodiody. Na podobnej zasadzie możemy wykorzystać łącze światłowodowe.
Możecie natrafić także na sprzęgi pojemnościowe, a nawet akustyczne (jako muzealny przykład można podać modemy do których wkładało się słuchawkę telefoniczną).
Innym sposobem zapewnienia izolacji galwanicznej jest łącze radiowe, np. Bluetooth, WiFi, NFC. Pozwala odsunąć od siebie urządzenia na pewną odległość i zapewnia komunikację między nimi.
W układach audio i telekomunikacyjnych można spotkać transformatory sygnałowe, które ułatwiają eliminowanie zakłóceń wynikających np. z połączenia mas urządzeń.
Wielką gałęzią elektroniki, w której stosuje się liczne sposoby na zapewnienie izolacji galwanicznej, jest medycyna. Rozmaita aparatura podłączona do powierzchni ciała człowieka (a niekiedy wprost do narządów, jak serce) musi być dobrze odizolowana od sieci, aby mieć 10000% pewności, że nie dojdzie do porażenia badanego pacjenta. Separacja galwaniczna zapewnia tu bezpieczeństwo.
W mniej profesjonalnych urządzeniach również może istnieć taka potrzeba. Przykład: dokładny pomiar prądu płynącego przez przewody zasilające w instalacji trójfazowej. Każdy z nich jest na innym potencjale, więc jedyną drogą jest wpięcie układów amperomierzy osobno w każdy przewód i przesyłanie informacji o wynikach pomiarów do układu nadrzędnego przez izolator, np. transoptor. Należy wówczas dokonać odpowiedniego zakodowania przesyłanej informacji (chociażby skonwertować ją na postać cyfrową), by nie została zniekształcona przez niedoskonałe medium. Oczywiście możecie zastosować przekładniki prądowe, jednak zapewne łatwo przywołacie przykład gdy potencjał na układzie mierzonym względem układów pomiarowych będzie utrudniał zrealizowanie zadania.
Niektórzy elektronicy stosują separację galwaniczną również w sytuacjach, kiedy pozornie nie jest ona potrzebna. Przykład: Arduino steruje dużym silnikiem prądu stałego, a obie te rzeczy są zasilane ze wspólnego akumulatora. Nie ma tutaj konfliktów jeżeli chodzi o potencjały mas, nie ma też zagrożenia porażeniem. Jednak niektórzy są zdania, że całkowita separacja delikatnego obwodu sterującego (jakim jest Arduino) od dużego urządzenia wykonawczego, które generuje wiele zakłóceń (jakim jest silnik szczotkowy) pozwoli ograniczyć przenikanie zakłóceń do części sterującej. W istocie, może tak być – ale w tej sprawie sporo może zdziałać mądre poprowadzenie masy, o czym w następnym materiale: pętla masy.
"Autor: Michał Kurzela / Futrzaczek"
"Korekta: stabilizator"
W poprzednim materiale znajdziecie informacje o doborze zasilacza aby zapewnić właściwe doprowadzenie mocy do obwodów, jednak czasami chcemy odseparować się galwanicznie od określonych obwodów.
Połączenie galwaniczne to takie, którym może przepływać prąd elektryczny. Jest nim zarówno przewód, jak i złącze, metalowa obudowa, lut, styk, zacisk miedziana ścieżka itd. Innymi słowy, po między obwodami połączonymi galwanicznie może przepływać prąd.
Separacja galwaniczna to coś przeciwnego – przerwanie drogi dla prądu. Możemy powiedzieć o latarce (zwykłej, ręcznej, na baterie), że jest odseparowana galwanicznie od sieci 230V, ponieważ między tymi dwoma obiektami nie ma drogi, którą mógłby płynąć prąd. Nie są elektrycznie połączone, między nimi jest izolator (w tym wypadku niejeden: plastikowa obudowa, powietrze).
Możemy też wskazać bardziej subtelną formę separacji galwanicznej. Zasilacz transformatorowy lampki halogenowej. Zasilacz pobiera prąd z gniazdka, więc jest połączony galwanicznie z siecią. Żarówka pobiera prąd z zasilacza, więc również jest z nim połączona galwanicznie. Ale obwód zasilający włókno żarówki jest odizolowany galwanicznie od napięcia sieciowego. Służy do tego transformator, jaki znajduje się w zasilaczu.
Transformator to element, w którym zachodzi przepływ energii z jednego uzwojenia do drugiego za pośrednictwem zmiennego pola magnetycznego. Same uzwojenia są od siebie odizolowane, np. odpowiednim tworzywem sztucznym. Nie ma możliwości przepływu prądu między nimi. Czy to będzie transformator tzw. sieciowy, złożony z blach, czy też tzw. impulsowy, który ma rdzeń wykonany z ferrytu, idea jest identyczna: elektryczne oddzielenie jednego obwodu od drugiego i przekazywanie energii wyłącznie przez pole magnetyczne.
Możemy znaleźć transformatory również w gniazdach Ethernet. Ten standard jest tak skonstruowany, że domyślnie wprowadza izolację galwaniczną między urządzeniami przy użyciu ferrytowych transformatorków o niewielkich rozmiarach.
Innym rodzajem urządzenia, które zapewnia izolację galwaniczną, jest transoptor. Z jednej strony ma diodę LED, a z drugiej element światłoczuły (fototranzystor lub fotodiodę). Załączając diodę po jednej stronie, światło z niej przenika przez przezroczystą i nieprzewodzącą barierę pomiędzy nimi, zmieniając przewodność elementu odbiorczego. To tani sposób za zapewnienie izolacji galwanicznej, ale ma dużą wadę: nie można nim przesłać na tyle dużo energii, aby zasilić obwód odbiorczy. Można w ten sposób jedynie przekazywać informacje. Istnieją transoptory o dobrej liniowości, które mogą "analogowo" przenosić sygnały z wejścia na odizolowane galwanicznie wyjście. Na niektórych elektronicznych licznikach energii elektrycznej znajdziecie sprzęg optyczny. To dwukierunkowe łącze pozwalające na komunikację z urządzeniem z wykorzystaniem LED IR i fotodiody. Na podobnej zasadzie możemy wykorzystać łącze światłowodowe.
Możecie natrafić także na sprzęgi pojemnościowe, a nawet akustyczne (jako muzealny przykład można podać modemy do których wkładało się słuchawkę telefoniczną).
Innym sposobem zapewnienia izolacji galwanicznej jest łącze radiowe, np. Bluetooth, WiFi, NFC. Pozwala odsunąć od siebie urządzenia na pewną odległość i zapewnia komunikację między nimi.
W układach audio i telekomunikacyjnych można spotkać transformatory sygnałowe, które ułatwiają eliminowanie zakłóceń wynikających np. z połączenia mas urządzeń.
Wielką gałęzią elektroniki, w której stosuje się liczne sposoby na zapewnienie izolacji galwanicznej, jest medycyna. Rozmaita aparatura podłączona do powierzchni ciała człowieka (a niekiedy wprost do narządów, jak serce) musi być dobrze odizolowana od sieci, aby mieć 10000% pewności, że nie dojdzie do porażenia badanego pacjenta. Separacja galwaniczna zapewnia tu bezpieczeństwo.
W mniej profesjonalnych urządzeniach również może istnieć taka potrzeba. Przykład: dokładny pomiar prądu płynącego przez przewody zasilające w instalacji trójfazowej. Każdy z nich jest na innym potencjale, więc jedyną drogą jest wpięcie układów amperomierzy osobno w każdy przewód i przesyłanie informacji o wynikach pomiarów do układu nadrzędnego przez izolator, np. transoptor. Należy wówczas dokonać odpowiedniego zakodowania przesyłanej informacji (chociażby skonwertować ją na postać cyfrową), by nie została zniekształcona przez niedoskonałe medium. Oczywiście możecie zastosować przekładniki prądowe, jednak zapewne łatwo przywołacie przykład gdy potencjał na układzie mierzonym względem układów pomiarowych będzie utrudniał zrealizowanie zadania.
Niektórzy elektronicy stosują separację galwaniczną również w sytuacjach, kiedy pozornie nie jest ona potrzebna. Przykład: Arduino steruje dużym silnikiem prądu stałego, a obie te rzeczy są zasilane ze wspólnego akumulatora. Nie ma tutaj konfliktów jeżeli chodzi o potencjały mas, nie ma też zagrożenia porażeniem. Jednak niektórzy są zdania, że całkowita separacja delikatnego obwodu sterującego (jakim jest Arduino) od dużego urządzenia wykonawczego, które generuje wiele zakłóceń (jakim jest silnik szczotkowy) pozwoli ograniczyć przenikanie zakłóceń do części sterującej. W istocie, może tak być – ale w tej sprawie sporo może zdziałać mądre poprowadzenie masy, o czym w następnym materiale: pętla masy.
"Autor: Michał Kurzela / Futrzaczek"
"Korekta: stabilizator"
Cool? Ranking DIY
