Диодная развязка питания: Диодная развязка по питанию

Прекращаем ставить диод / Хабр

После прочтения статьи о защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.

Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.

Зачем все это?

История вопроса

Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:

Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.

Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.

Простейший путь (диод)

Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).

Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:

1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.

Наивное решение (реле постоянного тока)

В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.

Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.

Окольный путь (реле переменного тока)

Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой беcтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).

Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?

Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)

Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.

Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:

В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.

Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.

Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.

В результате практического испытания были получены такие результаты. Сопротивление в открытом состоянии соответствует проходному сопротивлению из даташита на транзистор. В закрытом состоянии паразитный ток во вторичной цепи БП измерить не удалось ввиду его незначительности. Потребляемый ток в режиме работы от аккумулятора составил 1.1 мА, причем он практически на 100% состоит из тока, потребляемого микросхемой. После калибровки под максимальную нагрузку, время срабатывания без нагрузки вышло почти 15 минут. Столько времени понадобилось моему аккумулятору, чтобы разрядиться до того напряжения, которое поступает от БП на устройство под полной нагрузкой. Правда, отключение при полной нагрузке происходит почти сразу (менее 10 секунд), но это время зависит от емкости, заряда, и общего «здоровья» аккумулятора.

Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.

Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.

Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)

По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.

Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:

Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.

На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.

Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:

Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.

Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.

Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:

В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.

Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:

Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.

Вот окончательная схема нашего коммутатора:

Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).

Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.

Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.

Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:

Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.

Архив с файлами схемы и разводки для EAGLE.

Спасибо за внимание.

Как не стоит делать (распространенные ошибки)

Как не стоит делать (распространенные ошибки).

Часто, для экономии времени и средств автолюбители пытаются сделать коммутаторы попроще. Посмотрим, к чему это может привести.

Наиболее распространенная схема с диодной развязкой:

Диоды D1 и D2 пропускают ток только в одном направлении: от генератора к аккумуляторам. Таким образом, при потреблении тока от одного аккумулятора не будет разряжаться другой. Существенным недостатком схемы является большое падение напряжения на мощных диодах 0,7-1,1В. Аккумуляторы будут заряжаться не полностью. Для компенсации этого недостатка фирмы-производители подобных устройств рекомендуют увеличить напряжение генератора путем замены реле-регулятора на нестандартный (с повышенным или регулируемым напряжением). Но, представьте себе, насколько это трудоемкая процедура: снять генератор, разобрать (демонтировать) щеточный узел, заменить его новым узлом с регулятором, собрать, установить на автомобиль. Вероятно, далеко не каждый автолюбитель способен проделать эту работу во дворе. Придется тратить время и деньги в автосервисе с непрогнозируемым конечным результатом. В большинстве автосервисов очень не любят возиться с нестандартным оборудованием. Помимо перечисленных проблем диодная развязка не отслеживает режимы зарядки аккумуляторов, перегружается генератор.

Вероятно, единственный удачный вариант применения схем с изолирующими диодами для зарядки маломощных гелевых аккумуляторов при добавлении помехозащитного фильтра и схемы ограничении зарядного тока.

Многочисленные схемы с реле, срабатывающие при включении зажигания:

Действительно, при выключении зажигания контакты реле размыкаются, аккумуляторы изолированы один от другого. Но проблема перегрузки генератора и возможная недозарядка основного аккумулятора остаются.

Для устранения этой беды (перегрузка генератора) иногда подключают силовое реле через реле времени. Надеясь, что за первые 2-10 минут (выдержка времени) основной аккумулятор успеет подзарядиться и будет можно безопасно подключить доп.аккумулятор.

Однако в таких схемах не учитываются особенности работы реальных генераторов. Указанный в паспорте ток генератора соответствует его работе на предельных оборотах. С понижением оборотов ток генератора соответственно падает. Например: на генераторе читаем надпись 70А. Эти 70А генератор отдает при частоте вращения 6000 об/мин. Скажите, Вы постоянно ездите с такими оборотами двигателя? Нет? При движении с оборотами двигателя 2-3 тыс.об/мин ток генератора снизится примерно в 2-2,5 раза. На холостых оборотах ток генератора едва достаточен для питания системы зажигания и габаритных фонарей. Даже включение фар ближнего света может привести к разряду аккумулятора, не говоря уже о других дополнительных нагрузках. При холостых оборотах и соответствующем падении напряжения в бортовой сети необходимо отключать доп.аккумулятор (что бы не разряжать его), но простейшие релейные схемы этого делать не умеют. Выходом из этого положения может быть использование «писклявого вольтметра», подключенного к основному аккумулятору. Но у многих ли стоит подобная штучка? А в пробке, на светофоре (холостые обороты двигателя) Вы будете поддавать газу до прекращения писка вольтметра?

Экзотические схемы с использованием токовых реле, ручных (не автоматических) переключателей и т.п. рассматривать здесь не будем, т.к. учетом характеристик реальных генераторов, подобные схемы работают еще хуже, чем рассмотренные выше примитивные схемы.

Хочу обратить внимание на толщину проводов до доп.аккумулятора. Многие считают, что необходимо использовать провода с возможно большим сечением для уменьшения потерь. Да, потери мощности на проводах «от сварки» действительно будут меньше. Но давайте реально оценим момент включения доп.аккумулятора на зарядку, если основной аккумулятор уже подзарядился. Учитывая малое внутреннее сопротивление аккумуляторов, получаем громадный бросок тока. Ток в импульсе может достигать 200-500А. Какие контакты реле это выдержат, кроме пускового реле стартера? Хотите использовать его для подключения доп.аккумулятора?

Выход очень простой: выбираем сечение и длину проводов так, что бы ток в импульсе (момент включения) не превышал 50-60А. при этом существенно снижаются помехи в бортовой сети, появляется возможность использовать относительно небольшое автомобильное реле. Потери в таких проводах? Не превышают 1-2% от коммутируемой мощности. Согласитесь, это совсем немного.

Несколько раз сталкивался с желанием автолюбителей использовать доп.аккумулятор только для пуска стартера. Давайте заглянем под капот и посмотрим на толщину и длину проводов от основного аккумулятора до стартера. Впечатляет? Теперь представьте себе, что с увеличением длины провода к доп.аккумулятору, например, в 5 раз, необходимо в те же 5 раз увеличить сечение (толщину) этого провода. Будете прокладывать подобный кабель в багажник к доп.аккумулятору? Справедливости ради надо отметить, что в последних моделях БМВ основной аккумулятор располагается в багажнике, толщина проводов соответствующая. В таком расположении есть смысл, т.к. температура багажника намного меньше температуры под капотом. Аккумулятор при этом будет служить дольше. Но толщина проводов и их стоимость весьма впечатляют. Думаю, Вы согласитесь со мной: это не наш метод. Тем более, что стоимость аккумуляторов в настоящее время невысока и продолжает снижаться.

Таким образом, приходим к выводу: от доп.аккумулятора разумнее всего питать доп.оборудование на стоянке, а не пытаться заводить от него двигатель. В крайнем случае всегда можно снять доп.аккумулятор, поставить его под капот вместо неожиданно разрядившегося основного аккумулятора или подключить параллельно штатному с помощью толстых проводов «прикуривателя».

Если, прочитав все вышеизложенное, Вы собрались проектировать коммутатор, подобный моим коммутаторам, обратите внимание на величину гистерезиса. Эти цифры взяты не с потолка, действительно являются оптимальными. Почему это так подробно расписывать не буду. Если Вы способны спроектировать и рассчитать схемы коммутаторов, то на этот вопрос сможете ответить сами.

ИПС-500-220/220В-2А-D (AC(DC)/DC)

Конвертор-выпрямитель Uвх=220В; Uвых=220В; Iвых=2А, на DIN, универсальный вход

ФОРПОСТ ИПС-500-220/220В-2А-DAC(DC)/DC  – универсальный конвертирующий преобразователь (производство – Россия, Новосибирск). Разработан по ТЗ для обеспечения питания DC током с номиналом 220 Вольт оборудования в электроэнергетике. У конвертора двойной DC/AC вход (140-264 Вольт переменного тока 50Гц и 187-370 Вольт постоянного тока), таким образом, возможно использование в качестве выпрямителя DC тока.

Форпост конвертор ИПС-500-220/220В-2А-DAC(DC)/DC  ,  узнать проектные цены и купить который можно обратившись к менеджерам компании, используется как типовое решение в электроэнергетике для производства Шкафов Оперативной Блокировки Разъединителей (ШПОБР) согласно требованиям ФСК (РАСПОРЯЖЕНИЕ 05.05.2010 № 236р)  по обеспечению гальванической развязки вход-выход.

Ключевыми достоинствами преобразователя ИПС-500-220/220В-2А-DAC(DC)/DC  ФОРПОСТ являются:

• Гальваническая изоляция DC/DC
• Естественное охлаждение
• Селективность отключения автоматов при КЗ в нагрузке
• Проверенная элементная база
• Диодная развязка по выходу –  параллельная работа;
• Бюджетная цена на отечественном рынке
• Гарантия – 36 месяцев!

Характеристики

Современные источники питания Phoenix Contact для применения в системах АСУ ТП на объектах энергетики – Энергетика и промышленность России – № 22 (186) ноябрь 2011 года – WWW.EPRUSSIA.RU

Газета “Энергетика и промышленность России” | № 22 (186) ноябрь 2011 года

Расширенный диапазон входных напряжений

Источники питания серии QUINT компании Phoenix Contact отличаются широкодиапазонным входом, причем входное напряжение не нужно выставлять. Диапазон напряжений однофазных источников питания составляет 84‑264 VAC, а трехфазные блоки могут работать с напряжением от 3х320 до 3х575 В. Конечно, нормативными требованиями ограничиваются максимальные значения колебаний сети, но в реальности случается всякое, и эти источники питания продолжают функционировать даже при наличии экстремальных колебаний напряжения в сети питания.

В источниках питания с фиксированным входным диапазоном перед включением необходимо выставить переключатель в положение «115 В» или «230 В». Рассмотрим пример: входное напряжение пропускается через интегральную схему, которая определяет, какое напряжение на входе – 115 В или 230 В;
и если в питающей сети возникнут колебания напряжения, то возвратное напряжение часто считывается неправильно, и это может привести к повреждению источника питания, а возможно, и к остановке системы. В источниках питания с автоматическим выбором диапазона напряжение питания определяется автоматически, и подобные проблемы возникнуть не могут.

Еще одна особенность входных цепей источников QUINT – это возможность подключения к сети как переменного, так и постоянного тока. Например, в электроэнергетике очень часто используется схема резервирования, когда основное питание осуществляется от сети переменного тока, а резервное питание обеспечивают аккумуляторные батареи.

Компенсация кратковременных провалов напряжения

Кроме колебаний питающей сети, часто возникают ситуации, когда появляются кратковременные провалы напряжения. Импульсные источники питания компенсируют такие типы отказов за счет использования буферных конденсаторов. Конденсаторы, используемые в источниках питания QUINT Power, обеспечивают время компенсации кратковременного отказа по питанию, по меньшей мере, 20 мс, а в некоторых моделях – до 120 мс.

На ответственных производствах, где используется достаточно чувствительное к качеству питания оборудование, использовать нерегулируемые источники питания нельзя, поскольку колебания входного напряжения непосредственно сказываются на выходном напряжении.

Статический запас мощности для повышения эксплуатационной надежности систем
Еще одной особенностью источников питания QUINT является наличие функции статического резерва мощности (Power Boost). Ошибки при выборе компонентов системы или неисправность отдельных компонентов перегружают электрическую систему, что со временем может привести к системным отказам и остановке оборудования. Источники питания QUINT имеют запас мощности до 50 процентов от номинального значения. Большинство аналогичных источников либо имеют запас существенно меньший, либо он доступен только в течение очень короткого промежутка времени.

Power Boost позволит длительно работать в режиме перегрузки, при этом сигнал об этом режиме работы будет передан в систему управления, и у обслуживающего персонала будет время устранить причину. Можно привести простой пример: это постепенное увеличение потребляемого тока, которое происходит вследствие накопления грязи на регулирующих клапанах, что приводит к увеличению потребляемой ими мощности. С источником питания QUINT такая ситуация не приведет к немедленному аварийному останову оборудования, а позволит устранить проблему с минимальными потерями.

Превентивная функция мониторинга

В больших системах управления все ключевые элементы имеют сигнализацию состояния, и по мере роста и увеличения сложности системы наличие такой сигнализации становится все более важным. Превентивная функция мониторинга источников питания QUINT обеспечивает непрерывный контроль состояния выходного тока и напряжения и позволяет предупредить систему управления о возможности возникновения критической ситуации до того, как авария произошла.

Если блок питания обеспечивает ток выше номинального, значит он перешел в режим использования запаса мощности Power Boost. В этом случае блок питания, рассчитанный на 10 А, может выдавать выходной ток до 15 А. ИП и нагрузка функционируют в нормальном режиме, но предупредительный сигнал о перегрузке или, точнее, о предаварийном режиме передается в систему управления.

При дальнейшем увеличении нагрузки происходит просадка выходного напряжения источника питания, и если оно оказывается ниже порога, то формируется сигнал аварии. Чаще всего минимальное напряжение для потребителей, таких, как контроллеры, находится в диапазоне от 18 до 20 В, так что даже после снижения напряжения ниже порога сигнала аварии, который составляет 0,9 от заданного выходного напряжения, потребитель будет продолжать получать достаточное для работы напряжение питания.

Динамический запас мощности для надежного отключения автоматических выключателей

Источники питания, изготавливаемые с применением низковольтных трансформаторов, могут в случае короткого замыкания выдать большой ток, который будет достаточен для отключения автоматических выключателей в течение нескольких миллисекунд. Пришедшие им на смену источники питания с импульсными трансформаторами имеют множество преимуществ, но до сих пор они не могли выдать ток, необходимый для отключения в случае короткого замыкания дешевых, не быстродействующих, автоматических выключателей.

В источниках питания QUINT удалось совместить преимущества импульсных ИП с возможностью использования стандартных автоматических выключателей для защиты от токов КЗ. С использованием технологии селективного отключения нагрузки SFB (Selective Fuse Breaking) автоматические выключатели отключаются всего за несколько миллисекунд. Для достижения этого эффекта источник питания обеспечивает 6‑кратный резерв выходной мощности в течение 12 миллисекунд.

Устойчивость к кратковременному увеличению напряжения

Источники питания QUINT Power обеспечивают повышенную эксплуатационную надежность еще и благодаря тому, что способны выдерживать напряжение вплоть до 300 В переменного тока. Такие всплески напряжения являются типичными для асимметричных «мягких» энергосистем, где неправильно распределенная нагрузка приводит к перекосу фаз и возможному увеличению напряжения в одной из фаз. У большинства источников питания в таких случаях на входе устройства срабатывает варистор, и устройство оказывается дефектным. Что касается источника питания QUINT Power, то такие выбросы напряжения не могут его повредить.

Резервирование для обеспечения высокой отказоустойчивости системы

Высокая надежность ключевых компонентов системы для непрерывных технологических процессов является обязательным условием. Все большее распространение получает концепция избыточности основных компонентов системы, которые должны обеспечить безопасную, эффективную и, что очень важно, стабильную работу. Концепция заключается в резервировании компонентов – например, для электроснабжения необходимо использовать, по крайней мере, один дополнительный источник питания. Таким образом, если один из источников питания отказывает, то резервный продолжает подавать напряжение – единичный отказ не приводит к изменению технологического процесса.

В целях достижения более высокой степени надежности для развязки источников питания используются диодные модули. В маловероятном случае (хотя это, конечно, может произойти в любой момент) в системе может возникнуть внутреннее короткое замыкание на выходе одного из источников питания. В этом случае диодная развязка позволяет резервному источнику питания работать, несмотря на КЗ в параллельной линии, так что действительно осуществляется 100‑процентное резервирование.

Одной из новейших разработок является модуль резервирования QUINT Oring. Интеллектуальный диодный модуль позволяет выровнять небольшие отклонения напряжений (на каждый из источников распределяется ровно по 50 процентов нагрузки) и сигнализировать о возникших критических отклонениях. Одним из примеров работы такой системы может стать система резервирования питания в шкафах управления на АЭС, где особенно важны такие параметры, как заблаговременная сигнализация о неисправностях и надежное резервирование системы.

Заключение

Мы надеемся, что в данной статье удалось осветить ту часть особенностей источников питания QUINT Power, которые позволяют применять их в самых ответственных системах и производствах. Многие характеристики не имеют аналогов, поэтому компания Phoenix Contact может утверждать, что предлагает своим партнерам самые современные и инновационные решения в области электропитания оборудования.

Гальваническая развязка цепей питания – Вместе мастерим

Продвинутая гальваническая развязка

Автор: игорь_сумы
Опубликовано 07.02.2017
Создано при помощи КотоРед.

Всякий кот, если ему приходится брать в лапы импульсный блок питания с целью его отремонтировать, всегда рискует. То конденсатор возьмет да и испустит дух, то транзистору вздумается отлететь в мир иной ну и другие неприятности бывают. Давно известно, что включение импульсных блоков питания после ремонта через лампочку позволяет избежать брызг, искр, запахов и проч. Фр-ррр, как вспомню, — волосы дыбом на хвосте. А еще опытные коты настоятельно рекомендуют пользоваться при ремонте ИИП гальванической развязкой. Жуть эти импульсные блоки питания. Но мир таков, что их все больше и больше и часто приходится их ремонтировать. Вот как раз для таких котов и предназначено это устройство. Оно позволяет настраивать ИИП через гальваническую развязку, запускать ИИП через лампочку и без оной, кратковременно и на долго. Идею этого устройства я подсмотрел в Польше в сервисном центре маленького городка. Там подобное устройство (правда мощностью в 3 кВт) и без автоматики, точнее с автоматикой на реле, эксплуатируется уже много лет и мне довелось с ним работать. Понять насколько это замечательная идея. И я решил сделать нечто подобное. Я ограничился мощностью трансформатора в 100Вт ибо утюгов и фенов я не беру в лапы с целью ремонта, а для бытовых ИИП этого вполне хватит. Вот что у меня получилось:

Трансформатор гальванической развязки включен в сеть через автомат на 6А на тот случай если что-то пойдет совсем не так, его должно выбить. Пока подобное не случалось. В принципе автомат можно заменить обычным тумблером. В оригинальной конструкции была применена “пробка — автомат” от электросчетчика. Органы управления: слева на фото автомат включения, над ним зеленый светодиод “Готов”, под ним переключатель ламп-баеретеров, о нем я расскажу позже. Далее модернизированная выходная розетка, о ней тоже скажу позже, под ней переключатель на 3 положения без фиксации для кратковременной подачи напряжения на выход. Справа от розетки — окно, прикрытое красным светофильтром, через него можно видеть нити накала ламп. Под окном — красная кнопка без фиксации — кнопка включения прибора в долговременный режим.

Работать с этим прибором так:
1. Включаем прибор автоматом, при этом кратковременно вспыхнет светодиод “Готов”, что сигнализирует об исправности прибора. В принципе не мешало-бы дополнить прибор еще одним светодиодом, для индикации включенного состояния, но лень свойственная котам и сложность разборки конструкции пока не позволили это сделать. Я решил, что добавлю светодиод когда буду заменять перегоревшую лампу. Итак, светодиод моргнул, все хорошо.
2. Вывести переключатель под розеткой из среднего положения и подать питание на ИИП через лампочку (влево подаем 110В, вправо — 220В). Возможности подать напряжение исключаяя лампочку из цепи этим переключателем нет. Это сделано в целях безопасности. Подав напряжение наблюдаем через окно на то, как вспыхнула и почти погасла лампа-баретер. Если это так, то все в порядке. Можно переходить к “красной кнопке”, если же лампа постоянно горит ярко — что-то в схеме ИИП не так, не стоит подавать напряжение. Подробнее методика ремонта ИИП с помощью лампочки много раз описывалась на просторах Интернета
3. Переходим к “Красной кнопке” одно кратковременное нажатие на нее приведет к включению режима 1 . Сработает реле К1 и своими замыкающими контактами подаст напряжение на выход через лампу, а размыкающими разорвет цепь 110В. Это сделано опять таки для безопасности. Ибо никакие ошибочные манипуляции с прибором не выведут его из строя. Без этого контакта можно представить ситуацию, когда и реле К1 сработает и зацепив переключатель хвостом можно закоротить пол вторичной обмотки трансформатора. Не брезгуйте этим контактом если будете повторять это устройство и оставите в нем режим 110В. В этом режиме работы (т.е. 220В через лампочку) группа синих светодиодов в верхней части розетки,на схеме обозначенная VD7-VD8, начнет мигать с частотой около 1 Гц. Повторное кратковременное нажатие на “красную кнопку” отключит этот режим.
4. Длительное (более 1 сек) нажатие на “красную кнопку” включит реле К2 и напряжение 220В со вторичной обмотки трансформатора будет подано в нагрузку в обход ламп-баретеров. Это режим 2. При этом табло из синих светодиодов будет светиться постоянно. Отключить этот режим можно так же длительно удерживая “красную кнопку”. Или вытащив из розетки вилку ИИП, об этом расскажу позже.

Схема силовой части прибора

В приборе установлены две лампы-баретеры. На 15Вт и на 60Вт. Первая — для ремонта маломощных ИИП, которые применяются в зарядках телефонов и т.п. Вторая — на 60 Вт для ремонта ИИП телевизоров, усилителей и других относительно-мощных ИИП. Переключатель ламп находится под выключателем питания. К сожалению он позволяет только добавить лампу в 60Вт в параллель к 15-ваттной. Это не совсем логично, но мне очень хотелось применить именно такой, вытяжной выключатель от старой АТС. Он мне так напоминает выключатель питания моего первого осциллографа С1-83, который как раз включался вытяжным выключателем. Ностальгия случается и с котами. Вы можете применить другой выключатель, а лучше переключатель.

Схема блока автоматики.
Блок автоматики питается от дополнительной обмотки трансформатора. Величина переменного напряжения – 18В. За основу блока автоматики взято вот это устройство https://www.drive2.ru/c/292144/ изначально предназначенное для автомобиля. Уж очень мне понравилась идея управлять одной кнопкой. В польском прототипе использовались раздельные конопки и механический микровыключатель в розетке для автоматического сброса при отключении нагрузки. Я применил электронный, на фотореле (DD1/1, DD1/2 на принципиальной схеме). На элементах DD1/3 и DD1/4 собран генератор 1Гц для моргания светодиодной панелью в режиме 1.

Модернизированная розетка. В начале я хотел применить механический микропереключатель и купил для этой цели стенную розетку со шторкой и крышкой турецкой фирмы ViKo. Однако, эксперименты показали, что крышка совсем не нужна и только мешает работе, я ее аккуратно срезал дремелем и разместил на ее месте табло из семи ярких синих светодиодов. Диоды спаял последовательно на полосочке макетной платы и поместил в прозрачную термоусадку. Сверху прикрыл табло синим светофильтром из оргстекла. Шторка, прикрывающая контакты от детей, подпружинена достаточно мощной пружиной, преодолеть силу которой не просто. Я бы сдвигал прибор с места на столе, что не хорошо. Поэтому я решил сделать фотореле. На месте удаленной шторки в розетке я вклеил друг на против друга фотопару из инфракрасного светодиода АЛ107 и фотодиода ФД256. Если посмотреть в правую дырочку розетки через цифровой фотоаппарат телефона то свечение светодиода видно. Если фотодиод засвечен светом светодиода или естественным светом – транзистор VT1 открыт и микроконтроллер находится в состоянии Reset. Если в розетку вставить вилку, транзистор VT1 закроется, а VT2 откроется и загорится зеленый светодиод «Готов». При включении питания светодиод кратковременно вспыхивает из-за зарядки конденсатора С1. Работу микроконтроллера, программу для него, а так же детальнейшее описание его работы можно найти перейдя по ссылке, которую я указал выше. В качестве W1 использована «пищалка» от компьютера. Без генератора. Можно применить малогабаритную динамическоую головку. С пьезоизлучателем схема не работает. Звуковое сопровождение полезно и оживляет даже такое простое устройство.

Весь блок автоматики размещен на одной макетной плате. Печатная плата не разрабатывалась. Хотя по фотографии можно перенести проволочную «вязь» в рисунок для печатной платы. Это уже на Ваше усмотрение.

Примененные детали.
Трансформатор: готовый 220В на 36В. Был перемотан. Вторичная обмотка удалена, вместо нее намотал 944 витка проводом диаметром 0,55мм. Виток к витку, с межслойной изоляцией. Кроме этого намотана обмотка для питания блока автоматики. Она состоит из 75 витков такого-же провода. Трансформатор пропитан бакелитовым лаком горячей сушки.
Реле. Применены безродные реле от промышленных реле времени серии ВЛ-64. Реле на 24В постоянного тока. Хотя они нормально срабатывают и от 18В. Так же я остановился на этих реле потому что они имеют открытую электромагнитную систему, что позволяет оперативно проверять состояние контактов. Но реле крепились на плату. Поэтому я изготовил из стеклотекстолита две переходные платы для крепления реле. В принципе у Вас может быть другая конструкция как блока реле, так и прибора в целом.

Переключатель без фиксации (на фото черно-коричневый с винтовыми клеммами): от какой-то авиационной техники рассчитан на 10А
Вытяжной переключатель – от старой АТС. Применять не рекомендую. Крепить сложно, да и изоляция не рассчитана на 220В.
Остальные компоненты не должны вызывать вопросов: патроны для ламп стандартные, автомат на 6А тоже. Монтаж силовой части выполнен гибким проводом сечением 1,5мм2.

Устройство смонтировано в подходящем корпусе. Снизу прикрутил резиновые ножки, что бы прибор не скользил по столу. Сверху не мешало – бы предусмотреть ручку. Прибор-то довольно тяжелый. Уже заказал ручку из Китая. Где то едет. Так, что прибор еще можно модернизировать. Работать с прибором просто и приятно. Больше никаих лампочек на столе, от которых прогорает сам стол или бумага на нем. Все аккуратно. Приборчик приятно «мурлыкает» при работе с «красной кнопкой». Кроме этого я нашел возможность оперативно проверять лампочки накаливания, не разбирая прибора. Для этого нужно «красной кнопкой» включить режим 2 и вывести переключатель кратковременного включения в положение 110В. При этом на лампочку (или группу ламп) будет подано 110В и в ее исправности легко убедиться посмотрев через окно (прикрытое красным светофильтром) на нить накала.

Все вопросы как обычно, в личку, или на форум, если моя конструкция нуждается в обсуждении.
ЗЫ. Я благодарен пользователю с ником «Самокат ветерана» из сайта www//http:drive2.ru за то, что он сконструировал устройство которое мне идеально подошло. Не пришлось придумывать свой вариант.

В электронике и электротехнике используется большое количество схем, в которых требуется изолировать или отделить высокое силовое напряжение от низкого напряжения управляющих цепей. За счет этого создается своеобразная защита низковольтных устройств от влияния высокого напряжения. То есть, в таких цепях уже нет течения обычного электрического тока. В таких случаях, при отсутствии тока, между устройствами возникает большое омическое сопротивление, вызывающее разрыв цепи. Данную проблему успешно решает гальваническая развязка, с помощью которой убирается гальваническая связь между устройствами.

Таким образом, энергия или сигналы будут передаваться от одной цепи к другой при отсутствии между ними какого-либо электрического контакта. Применение гальванических развязок дает возможность бесконтактного управления, обеспечивает надежную защиту людей и оборудования от поражения электротоком.

Принцип действия

Гальваническая развязка в соответствии со своей функцией известна также под понятием гальванической изоляции. Данные системы обеспечивают электрическую изоляцию конкретной цепи по отношению к другим видам цепей, находящихся рядом.

Благодаря своим особенностям, гальваническая развязка обеспечивает обмен сигналами или энергией между цепями, исключая при этом непосредственный электрический контакт. С ее помощью образуется независимая сигнальная цепь за счет формирования независимого контура тока сигнальной цепи по отношению к токовым контурам других цепей.

Гальваническая изоляция используется во время измерений в силовых цепях и в цепях обратной связи. Данное техническое решение обеспечивает также электромагнитную совместимость, усиливает защиту от помех, повышает точность измерений. Используемый блок гальванической развязки на входе и выходе каждого устройства способствует улучшению их совместимости с другими приборами в условиях сложной электромагнитной обстановки.

Для того чтобы лучше представить себе, что такое гальваническая развязка, можно рассмотреть ее действие на примере стандартного промышленного электродвигателя. На производстве в большинстве случаев используется значение питающего напряжения, значительно превышающее 220 вольт и представляющее серьезную опасность для обслуживающего персонала.

В связи с этим, подача тока на обмотки и включение двигателя осуществляется с применением специальных устройств, обеспечивающих коммутацию силовых цепей. В свою очередь, коммутаторы также управляются, чаще всего кнопками включение и выключения. Именно на этом участке и требуется развязка, защищающая оператора от воздействия опасного напряжения. Оно не попадает на пульт управления, благодаря механическому взаимодействию конструктивных элементов пускателя с магнитным полем.

В настоящее время данные системы используются в различных вариантах технических решений: индуктивные, оптические, емкостные и электромеханические.

Трансформаторная (индуктивная) развязка

Для того чтобы построить индуктивную развязку, следует использовать магнитоиндукционные устройства – трансформаторы. Его конструкция может быть с сердечником или без сердечника.

Оборудование цепей гальваноразвязкой индуктивного типа осуществляется с помощью трансформаторов, у которых коэффициент трансформации составляет единицу. К источнику сигнала подключается первичная катушка, а вторичная соединяется с приемником. На этом принципе гальванические развязки трансформаторного типа служат основой для создания магнитомодуляционных устройств.

Выходное напряжение, возникающее во вторичной обмотке, напрямую связано с напряжением на входе трансформаторного устройства. В связи с этим, индуктивная развязка имеет серьезные недостатки, почему и ограничивается ее применение:

• Невозможно изготовить компактное устройство из-за существенных габаритных размеров трансформатора.
• Частота пропускания ограничивается частотной модуляцией самой развязки.
• Помехи, возникающие во входном сигнале, снижают качество сигнала на выходе.
• Подобная трансформаторная гальваническая развязка может нормально работать только при наличии переменного напряжения.

Гальваническая развязка оптоэлектронного типа

С развитием высоких технологий, использующих полупроводниковые элементы, все более широкое распространение получают БГР – блоки гальванической изоляции на основе оптоэлектронных узлов. Их основой служат оптроны, известные среди электротехников в качестве оптопар, выполненных на основе диодов, транзисторов, тиристоров и других элементов, обладающих повышенной светочувствительностью.

Общая схема оптической части, связывающая источник данных с приемником, использует в качестве сигнала нейтральные фотоны. Благодаря этому свойству, выполняется развязка цепи на входе и выходе, а также ее согласование с входными и выходными сопротивлениями.

Когда используется оптоэлектронная схема, приемник совершенно не влияет на источник сигнала, поэтому сигналы могут модулироваться в широком частотном диапазоне. Данные устройства обладают компактными размерами, поэтому они часто используются в микроэлектронике.

В конструкцию оптической пары входит световой излучатель, проводящая среда для светового потока, а также приемник, преобразующий свет в электрические сигналы. Сопротивление на входе и выходе оптрона очень большое, прядка нескольких миллионов Ом.

Вначале входной сигнал попадает на светодиод, далее в виде света он по световоду попадает на фототранзистор. На выходе устройства данная схема создает перепад или импульс выходного электрического тока. В результате цепи, связанные с двух сторон со светодиодом и фототранзистором, оказываются изолированными между собой.

Принцип действия емкостной развязки

Нередко возникает вопрос, зачем нужны различные виды развязок, в том числе и емкостная развязка. Эта схема представляет собой систему, в которой между цепями отсутствуют связи через ток, землю и другие элементы.

В этом случае передача данных электрических цепей осуществляется с помощью переменного электрического поля. Изоляция цепей происходит за счет диэлектрика, расположенного между конденсаторными пластинами. Качество развязывающего конденсатора определяется свойствами диэлектрика, размером обкладок и расстоянием между ними. Данный вид изоляции обладает повышенной энергетической эффективностью, устройства на его основе отличаются незначительными размерами, способны передавать электроэнергию и не реагируют на внешние электромагнитные поля.

Нормальная работа устройств обеспечивается разделением частоты сигнала и помех. Таким образом, емкость оказывает рабочему сигналу совсем небольшое сопротивление, а для помех создает преграду.

Работа электромеханической развязки

Помимо уже перечисленных, существует электромеханический вариант развязки. Вопрос для чего он нужен, практически не возникает, поскольку устройства на этой основе широко применяются в электротехнике.

Основой таких приборов служит реле, соединяющее электрические цепи в результате каких-либо изменений входных данных. В итоге они оказываются развязанными, а сама система получила название релейной.

Наиболее ярким примером является схема электромагнитного реле. Эти приборы нужны для защиты электроустановок и в различных автоматических системах. Они разделяются на реле постоянного и переменного тока. Основным элементом считается якорь, которые под действием электромагнита и пружины осуществляет замыкание и размыкание контактов.

Принцип изоляции электрической цепи от других цепей в одном устройстве называется гальваническая развязка или изоляция. С помощью такой изоляции осуществляется передача сигнала или энергии от одной электрической цепи к другой, без прямого контакта между цепями.

Гальваническая развязка дает возможность обеспечения независимости цепи сигналов, так как образуется независимый токовый контур сигнальной цепи от других контуров, в цепях обратной связи и при измерениях. Для электромагнитной совместимости гальваническая развязка является оптимальным решением, так как увеличивается точность измерений, повышается защита от помех.

Чтобы понять принцип работы гальванической развязки, рассмотрим, как это реализуется в конструкции трансформатора.

Первичная обмотка электрически изолирована от вторичной обмотки. Между ними нет контакта, и не возникает никакого тока, если, конечно, не считать аварийный режим с пробоем изоляции или виткового замыкания. Однако разность потенциалов в катушках может быть значительной.

В результате, если даже вторичная обмотка будет связана электрически с корпусом устройства, а значит и с землей, то все равно на корпусе не возникнет паразитных токов, которые были бы опасны для работников и оборудования.

Такая изоляция электрических цепей обеспечивается различными методами с применением всевозможных электронных элементов и деталей. Например, трансформаторы, конденсаторы и оптроны способны осуществлять передачу электрических сигналов без непосредственного контакта. Участки цепи взаимодействуют через световой поток, магнитное или электростатическое поле. Рассмотрим основные виды гальванической изоляции.

Для построения трансформаторной (индуктивной) развязки необходимо применить магнитоиндукционный элемент, который называется трансформатором. Он может быть как с сердечником, так и без него.

При развязке трансформаторного вида применяют трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице. Первичная катушка трансформатора соединяется с источником сигнала, вторичная – с приемником. Для развязки цепей по такой схеме можно применять магнитомодуляционные устройства на основе трансформаторов.

При этом напряжение на выходе, которое имеется на вторичной обмотке трансформатора, будет напрямую зависеть от напряжения на входе устройства. При таком методе индуктивной развязки существует ряд серьезных недостатков:

• Значительные габаритные размеры, не позволяющие изготовить компактное устройство.
• Частотная модуляция гальванической развязки ограничивает частоту пропускания.
• На качество выходного сигнала влияют помехи несущего входного сигнала.
• Действие трансформаторной развязки возможно только при переменном напряжении.

Развитие электронных и информационных технологий полупроводниковых элементов в настоящее время повышает возможности проектирования развязки с помощью оптоэлектронных узлов. Основу таких узлов развязки составляют оптроны (оптопары), которые выполнены на основе тиристоров, диодов, транзисторов и других компонентов, чувствительных к свету.

В оптической части схемы, которая связывает приемник и источник данных, носителем сигнала выступают фотоны. Нейтральность фотонов дает возможность выполнить электрическую развязку выходной и входной цепи, а также согласовать цепи с различными сопротивлениями на выходе и входе.

В оптоэлектронной развязке приемник не оказывает влияние на источник сигнала, поэтому есть возможность модулирования сигналов широкого диапазона частот. Важным преимуществом оптических пар является их компактность, которая позволяет их применение в микроэлектронике.

Оптическая пара состоит из излучателя света, среды, проводящей световой поток, и приемника света, который преобразует его в сигнал электрического тока. Сопротивление выхода и входа в оптроне очень велико, и может достигать нескольких миллионов Ом.

Принцип действия оптрона довольно простой. От светодиода выходит световой поток и направляется на фототранзистор, который воспринимает его и осуществляет дальнейшую работу в соответствии с этим световым сигналом.

Более подробно работа оптопары выглядит следующим образом. Входной сигнал поступает на светодиод, который излучает свет по световоду. Далее световой поток воспринимается фототранзистором, на выходе которого создается перепад или импульс электрического тока выхода. В результате выполняется гальваническая развязка цепей, которые связаны с одной стороны со светодиодом, а с другой – с фототранзистором.

В этой паре источником светового потока является светодиод. Такая пара может применяться вместо ключа и работать с сигналами частотой в несколько десятков МГц.

При необходимости передачи сигнала источник подает на светодиод питание, в результате чего излучается свет, попадающий на фотодиод. Под действием света фотодиод открывается и пропускает через себя ток.

Приемник воспринимает появление тока как рабочий сигнал. Недостатком диодных оптопар является невозможность управления повышенными токами без вспомогательных элементов. Также к недостаткам можно отнести их малый КПД.

Такие оптические пары имеют повышенную чувствительность, в отличие от диодных, а значит, являются более экономичными. Но их скорость реакции и наибольшая частота соединения оказывается меньше. Транзисторные оптические пары обладают незначительным сопротивлением в открытом виде, и большим в закрытом состоянии.

Управляющие токи для транзисторной пары выше выходного тока диодной пары. Транзисторные оптроны можно применять разными способами:

• Без вывода базы.
• С выводом базы.

Без вывода базы коллекторный ток будет напрямую зависеть от тока светодиода, но транзистор будет иметь длительное время отклика, так как цепь базы всегда открыта.

В случае с выводом базы есть возможность увеличить скорость реакции подключением вспомогательного сопротивления между эмиттером и базой транзистора. Тогда возникает эффект, при котором транзистор не переходит в состояние проводимости до тех пор, пока диодный ток не достигнет значения, необходимого для падения напряжения на резисторе.

Такая гальваническая развязка обладает некоторыми преимуществами:

• Широкий интервал напряжений развязки (до 0,5 кВ). Это играет большую роль в проектировании систем ввода информации.
• Гальваническая развязка может функционировать с высокой частотой, достигающей нескольких десятков МГц.
• Компоненты схемы такой развязки имеют незначительные габаритные размеры.

При отсутствии гальванической изоляции наибольший ток, который проходит между цепями, может ограничиться только малыми электрическими сопротивлениями. В результате это приводит к возникновению выравнивающих токов, которые причиняют вред элементам электрической цепи и работника, которые случайно прикасаются к незащищенному электрооборудованию.

Считыватель дальнего действия KeyTex-Gate – рекомендации техподдержки

Считыватель пассивных RFID меток дальнего действия KeyTex-Gate стал пользоваться большой популярностью. Это связано не только с более низкой, по сравнению а налогами, стоимостью, но и техническими характеристиками,  удобной стыковкой с контроллерами любых СКУД по интерфейсу Wiegand. В результате, инсталляторы других брендов СКУД, также стали  подключать считыватель KeyTex-Gate к контроллерам других брендов. В техподдержке Gate накопился значительный опыт и сформировался перечень рекомендаций инсталляторам:

1. При подключении считывателей KeyTex-Gate к контроллерам СКУД рекомендуется использовать единый источник питания для контроллера и считывателя и единую точку  заземления. При этом необходимо выбирать мощность источника питания с учетом  потребления обоих устройств, особенно считывателя, который в некоторых режимах может потреблять до 1А.

2. При невозможности использования единого блока питания, рекомендуется питать оба БП от одной фазы одной сети, а также обеспечить общее заземление.

3. Контроллеры большинства СКУД (включая Gate) выдают опорное напряжение на шину Wiegand. Считыватель KeyTex-Gate также выдает такое напряжение. При этом в случае единого блока питания  – рекомендуется, а в случае разных блоков питания — требуется, диодная развязка между считывателем и контроллером на шинах Data1, Data0 обоих каналов. Диоды подключаются катодом к считывателю KeyTex.

4. При реализации проектов с использованием считывателей  KeyTex-Gate настоятельно рекомендуется использовать сигнализацию самого считывателя о факте обнаружения валидной метки в зоне считывания. Это существенно облегчает не только настройку системы, но и ее эксплуатацию. Индикация, подключенная к данным сигнальным выходам, позволяет пользователям убедиться в благополучном считывании системой их метки при въезде в зону.
5. Подключение индикации на считыватель  KeyTex-Gate производится на указанные в описании контакты разъема POWER (см. схему).

При этом важно понимать, что эти контакты не являются сухими контактами реле. В случае считывания валидной карты по данному каналу считыватель выдает на данные контакты напряжение + 12В, транслируя его со своего источника питания. Поэтому использование в качестве индикации ламп накаливания с большим током потребления (более 100mA) допустимо только через промежуточное реле.

6. Важно помнить, что валидной меткой для считывателя  KeyTex-Gate является не любая метка стандарта EPC Global Gen.2, а только прошедшая кодирование у производителя считывателей KeyTex и приобретенная у официальных дилеров Gate. Это обеспечивает защиту от дублирования данных идентификаторов.

Шунт-диодные барьеры искробезопасности и барьеры с гальванической развязкой. Сравнение и выбор – Элементы автоматики – Каталог статей

Основное назначение барьеров искобезопасности – устранить потребность специальной сертификации оборудования безопасной зоны. Оборудование безопасной зоны, как правило, сложное, многофунциональное и потому энергоемкое. В случае повреждения или выхода из строя оборудование безопасной зоны может стать источником энергии значительной величины, недопустимой для опасной зоны.

Идеальный барьер искробезопасности должен в нормальном режиме передавать сигналы с минимальными потерями мощности. В случае выхода из строя оборудования безопасной зоны барьер искробезопасности должен изменить свои характеристики и ограничить уровень энергии, передаваемой в опасную зону, до безопасного уровня. В зависимости от специфики конкретного приложения в применяются либо шунт-диодные барьеры, либо барьеры с гальванической развязкой.

Шунт-диодные барьеры имеют сравнительно небольшое количество элементов и потому имеют большое время наработки на отказ. Стабилитроны (диоды Зеннера) ограничивают напряжение и ток. Защитный резистор CLR ограничивает величину тока в цепях взрывоопасной зоны. Плавкий предохранитель предотвращает передачу энергии в опасную зону при повреждении оборудования безопасной зоны.

Блокирование чрезмерной энергии в барьере с гальванической развязкой обычно расценивают как эффективное и фундаментальное. Искробезопасный барьер с гальванической развязкой (изолятор) разрывает прямое соединение между электрическими цепями взрывобезопасной и взрывоопасной зон за счет использования слоя изоляционного материала между ними. Передача информации обычно осуществляется через трансформатор, оптрон или реле. Окончательная взрывобезопасность достигается за счет применения диодно-резистивной схемы , подобной той, что применяется в шунт-диодных барьерах.

Ниже приведено сравнение основных характеристик шунт-диодных барьеров и барьеров с гальванической развязкой, которое позволит сделать обоснованный выбор в пользу того или иного типа барьеров.

Независимо от выбранного типа барьеров (шунт-диодные или с гальванической развязкой) следует использовать только сертифицированные барьеры искробезопасности.

Дополнительная информация доступна по адресу “http://vk.com/gasdetection”.

Эффективное резервирование источников питания

Maximilian Hülsebusch от PULS здесь рассматривает достижения в обеспечении надежности энергосистемы в случае короткого замыкания. Подключение резервного модуля питания N + 1 гарантирует надежную доступность системы даже в случае отказа источника питания. Однако обычное использование развязывающих диодов в таких модулях вызывает большое падение напряжения, ведущее к большим потерям мощности с выделением тепла.

После полной проверки конструкции PULS теперь заменяет эти диоды на полевые МОП-транзисторы с высоким КПД.Эта переработка резервных модулей питания также добавляет множество других полезных функций для разработчиков системы.

В системе с резервированием два или более источника питания подключены параллельно и развязаны одним или несколькими модулями резервирования. Модуль предотвращает короткое замыкание напряжения на шине, если короткое замыкание происходит на выходной стороне источника питания.

Для этого используется диод или аналогичный компонент для развязки. Для каждого блока питания достаточно одного. Недостатком этого метода – диодной развязкой – являются значительные потери мощности в виде тепла или, например, ток нагрузки 40 А создает примерно 20 Вт потерь мощности (изображение 1).

Это создает сильную термическую нагрузку на силовую электронику, которую можно уменьшить только с помощью больших радиаторов. Инженеры PULS не захотели пойти на этот компромисс. Они провели исследование, чтобы выяснить, что конкретно требуется конечным пользователям в системе резервирования.

Десять критериев оптимального резервирования:

1. Высочайшая надежность и доступность
2. Минимальные потери мощности
3. Простота использования
4. Устойчивость к обратному напряжению на стороне нагрузки
5. Защита от короткого замыкания
6. Параллельная работа: распределение питания между источниками питания
7. Сигнал при отказе источника питания
8. Вход с защитой от обратной полярности
9. Сигнал в случае ошибки
10. Горячая замена: замена без прерывания напряжения

При анализе результатов команде разработчиков быстро стало ясно, что стандартные эпитаксиальные диоды или диоды Шоттки не могут удовлетворить потребность в минимальных потерях холостого хода.Поэтому вместо этого было разработано решение развязки с помощью полевых МОП-транзисторов.

Эта технология снижает потери мощности. Например, при использовании модуля MOSFET ток нагрузки 40 А приведет к потере мощности только до 3 Вт вместо 20 Вт. Однако пункты пять и восемь были серьезной проблемой для команды разработчиков при разработке нового решения MOSFET. Это связано с тем, что короткие замыкания или обратная полярность в источниках питания могут вывести из строя полевые МОП-транзисторы

Конструкция схемы приводит в действие полевой МОП-транзистор в случае короткого замыкания.
Если короткое замыкание происходит в нагрузке или кабелях, напряжение источника питания пропадает, и на входе модуля резервирования практически отсутствует полезное напряжение.Однако полевые МОП-транзисторы в модуле резервирования должны оставаться постоянно активированными, чтобы ток короткого замыкания протекал с низкими потерями мощности.

В противном случае этот ток поглощается внутренними диодами компонентов. Это увеличивает потери мощности в 15 раз и может в конечном итоге привести к выходу из строя полевых МОП-транзисторов. Это слабое место компонентов преодолевается новой схемой, которая даже в случае короткого замыкания использует преимущество минимального остаточного напряжения для правильного срабатывания полевых МОП-транзисторов (изображение 2).

Цепь может быть отключена даже в других критических ситуациях, например, когда источники питания подключены к существующему короткому замыканию или если входное напряжение имеет обратную полярность.

Падение напряжения всего 50 мВ
С помощью полевых МОП-транзисторов в качестве развязывающего элемента можно минимизировать даже падение напряжения. Диоды в стандартных модулях резервирования вызывают падение напряжения на входе и выходе на 500 мВ.

Благодаря модулям резервирования MOSFET, эта ситуация может быть значительно улучшена.Например, в типичном новом модуле резервирования PULS YR80.241 падение напряжения при выходном токе 40 А ниже 50 мВ между входом и выходом.

Равномерное распределение мощности за счет параллельной функции
После реализации конструкции MOSFET даже в режиме параллельного использования достигается лучший тепловой баланс, повышается надежность и увеличивается срок службы. В этом процессе ток нагрузки делится поровну между отдельными источниками питания.

Есть два способа интегрировать параллельную функцию в систему.Его можно интегрировать непосредственно в блоки питания или в автономный модуль резервирования. При интеграции в блок питания выходное напряжение регулируется таким образом, что оно примерно на четыре процента выше при отсутствии нагрузки, чем при номинальной нагрузке.

Это приводит к автоматическому распределению тока между устройствами, если их напряжение холостого хода одинаково. Если источник питания потребляет больше тока, его напряжение автоматически уменьшается и симметрия тока восстанавливается.Это свойство гарантирует отсутствие потерь мощности в токораспределении.

Когда параллельная функция интегрирована в модуль резервирования, полевые МОП-транзисторы используются в линейном режиме. Они создают хорошо дозированное падение напряжения в канале с более высоким напряжением, так что симметрия тока достигается между двумя каналами, то есть источниками питания. Этот метод также позволяет использовать источники питания без встроенного режима параллельного использования в параллельном режиме.

PULS интенсивно работали над оптимизацией обоих подходов.Для режима параллельного использования крайне важно всегда поддерживать безопасность, доступность и эффективность резервной системы – как для классических систем резервирования 1 + 1, так и для систем N + 1.

Горячая замена – замена без прерывания напряжения
Дополнительное техническое новшество реализовано в конструкции модуля резервирования PULS YR40.245. Горячая замена теперь доступна в этом модуле впервые. Функция «горячей замены» позволяет заменять блок питания или модуль резервирования во время работы системы.

Для этого на критических соединениях имеются штекерные разъемы с защитой от короткого замыкания, что гарантирует их замену без прерывания напряжения. Резервирование восстанавливается сразу после замены. Это необходимо для критически важных систем, когда даже временный сбой может означать значительные риски для безопасности или серьезные экономические потери.

Почему мы используем модули диодной защиты?

Диодный модуль может использоваться для 100% -ной развязки двух источников питания одного типа, которые подключены параллельно на выходной стороне для увеличения мощности или обеспечения резервирования.

Диодная защита для источника постоянного тока является важной частью системы управления. Отказ источника питания может привести к остановке процесса, что приведет к значительной потере дохода.

Для предотвращения незапланированных отключений пользователи часто используют резервные источники питания, т. Е. Источники питания, выходы которых подключены параллельно, где в случае отказа одного источника остается достаточно источников питания для обеспечения необходимого тока нагрузки.

Резервные источники питания также могут использоваться для увеличения допустимой нагрузки по току – в этом случае беспокойство не столько о незапланированных отключениях, сколько о том, что один источник не может обеспечить требуемый ток нагрузки.

Для увеличения текущей мощности предпочтительны блоки питания с «активным распределением нагрузки». При этом блоки питания обмениваются данными друг с другом и регулируют свои выходные напряжения так, чтобы каждый источник подавал одинаковый ток.

Если используются два источника питания, каждый из них будет обеспечивать половину требуемого тока. Если используются три источника питания, каждый из них обеспечивает треть необходимого общего тока.

Без активного распределения нагрузки каждый источник питания должен быть отрегулирован таким образом, чтобы их выходные напряжения были одинаковыми, они должны поддерживаться при одинаковой температуре окружающей среды, а проводка между каждым источником питания и общей точкой должна быть одинаковой длины – все сложные условия для обслуживания .

Независимо от причины использования резервных источников питания, как правило, диодная защита устанавливается последовательно с выходом каждого источника питания, чтобы вышедший из строя источник питания не мог потреблять ток от любых действующих источников питания.

При коротком замыкании на выходе блока питания этот блок отключится, но он также может вызвать короткое замыкание любых блоков питания, подключенных параллельно, что приведет к их отключению.

Диод на выходе каждого источника питания предотвращает это.

Использование диодов для изоляции источников питания, часто называемых «диодами ИЛИ», имеет недостаток, заключающийся в увеличении рассеиваемой мощности внутри шкафа управления.

Типичный диод понижает напряжение на 0,7 В при прохождении тока. Это означает 0,7 Вт на ампер тока нагрузки. Если два резервных источника питания выдают в общей сложности 10 А, то диоды рассеивают в шкафу 7 Вт. Использование диодов Шоттки может снизить рассеиваемую мощность примерно до 4 Вт.

В любом случае это рассеивание мощности нежелательно и увеличивает температуру окружающей среды внутри шкафа. Иногда используются мостовые выпрямители, поскольку они относительно недороги, рассчитаны на большое рассеивание мощности и могут быть установлены непосредственно на стене шкафа, так что шкаф действует как теплоотвод.

Надежность – это проблема (или должна быть) при использовании диодов OR. Если диод выходит из строя из-за короткого замыкания, то защиты нет, и напряжение от этого источника питания увеличивается на 0.7В.

Если не используется активное распределение нагрузки, источник питания может попытаться передать полный ток нагрузки. Если источники питания подключены параллельно для увеличения допустимой нагрузки по току, источник питания может перейти в состояние перегрузки по току и отключиться.

Если один из диодов ИЛИ выходит из строя в состоянии разомкнутой цепи, то резервирования больше нет, и может произойти отключение оставшегося источника питания.

Как вариант, можно использовать активную диодную схему. Они основаны на использовании полевого МОП-транзистора с дополнительной схемой вместо диода.Преимущество полевых МОП-транзисторов заключается в очень низком сопротивлении в открытом состоянии, что значительно снижает рассеиваемую мощность.

Например, при 10 А диод рассеивает 7 Вт, в то время как схема активного диода на основе MOSFET может рассеивать всего 0,4 Вт. Очевидно, что это снижает температуру окружающей среды внутри шкафа, а также обеспечивает большую надежность.

Также читайте: Переключатель Pull Up и Pull Down

– learn.sparkfun.com

Примеры применения

Существует множество приложений для этого изящного маленького (на самом деле, обычно они довольно большие) пассивного компонента.Чтобы дать вам представление об их широком диапазоне использования, вот несколько примеров:

Конденсаторы развязки (байпаса)

Многие конденсаторы, которые вы видите в схемах, особенно те, которые имеют интегральную схему, развязывают. Задача развязывающего конденсатора – подавить высокочастотный шум в сигналах источника питания. Они снимают с источника напряжения крошечные колебания напряжения, которые в противном случае могли бы нанести вред чувствительным микросхемам.

В каком-то смысле развязывающие конденсаторы действуют как очень маленький локальный источник питания для ИС (почти как источник бесперебойного питания для компьютеров).Если в источнике питания очень быстро падает напряжение (что на самом деле довольно часто, особенно когда цепь, которую он питает, постоянно переключает требования к нагрузке), разделительный конденсатор может кратковременно подавать питание с правильным напряжением. Вот почему эти конденсаторы также называют байпасными конденсаторами ; они могут временно действовать как источник питания, минуя источник питания .

Разделительные конденсаторы подключаются между источником питания (5 В, 3,3 В и т. Д.) И землей.Нередко для обхода источника питания используют два или более конденсаторов с разным номиналом или даже разных типов, потому что некоторые номиналы конденсаторов будут лучше, чем другие, при фильтрации определенных частот шума.

Хотя кажется, что это может привести к короткому замыканию между питанием и землей, только высокочастотные сигналы могут проходить через конденсатор на землю.Сигнал постоянного тока поступит на микросхему, как и нужно. Другая причина, по которой они называются шунтирующими конденсаторами, заключается в том, что высокие частоты (в диапазоне кГц-МГц) обходят ИС, а не проходят через конденсатор, чтобы добраться до земли.

При физическом размещении развязывающих конденсаторов они всегда должны располагаться как можно ближе к ИС. Чем дальше они находятся, тем менее эффективны.

Вот схема физической схемы из схемы выше. Крошечная черная микросхема окружена двумя нулями.Конденсаторы 1 мкФ (коричневые крышки) и один электролитический танталовый конденсатор 10 мкФ (высокая прямоугольная крышка черного / серого цвета).

В соответствии с передовой инженерной практикой всегда добавляйте хотя бы один развязывающий конденсатор к каждой ИС. Обычно хорошим выбором является 0,1 мкФ или даже дополнительные конденсаторы на 1 мкФ или 10 мкФ. Это дешевое дополнение, и они помогают убедиться, что микросхема не подвергается сильным провалам или скачкам напряжения.

Фильтр источника питания

могут использоваться для преобразования переменного напряжения, выходящего из вашей стены, в постоянное напряжение, необходимое для большинства электронных устройств.Но сами по себе диоды не могут превратить сигнал переменного тока в чистый сигнал постоянного тока, им нужна помощь конденсаторов! При добавлении параллельного конденсатора к мостовому выпрямителю выпрямленный сигнал выглядит следующим образом:

Может быть преобразован в сигнал постоянного тока близкого к уровню, например:

Конденсаторы – упрямые компоненты, они всегда будут пытаться противостоять резким перепадам напряжения. Конденсатор фильтра будет заряжаться по мере увеличения выпрямленного напряжения. Когда выпрямленное напряжение, поступающее в конденсатор, начинает быстро снижаться, конденсатор получит доступ к своему банку накопленной энергии, и он будет очень медленно разряжаться, передавая энергию нагрузке.Конденсатор не должен полностью разрядиться, пока входной выпрямленный сигнал не начнет снова увеличиваться, заряжая конденсатор. Этот танец разыгрывается много раз в секунду, многократно, пока используется источник питания.

Цепь питания переменного тока в постоянный. Крышка фильтра (C1) имеет решающее значение для сглаживания сигнала постоянного тока, посылаемого в цепь нагрузки.

Если вы разорвите любой блок питания переменного тока в постоянный, вы обязательно найдете хотя бы один довольно большой конденсатор. Ниже показаны внутренности настенного адаптера постоянного тока на 9 В.Заметили там конденсаторы?

Конденсаторов может быть больше, чем вы думаете! Есть четыре электролитических крышки, похожие на жестяную банку, в диапазоне от 47 мкФ до 1000 мкФ. Большой желтый прямоугольник на переднем плане – это высоковольтный колпачок из полипропиленовой пленки 0,1 мкФ. И синяя дискообразная крышка, и маленькая зеленая посередине – керамические.

Хранение и поставка энергии

Кажется очевидным, что если конденсатор накапливает энергию, одно из множества его применений – подача этой энергии в цепь, как аккумулятор.Проблема в том, что конденсаторы имеют гораздо более низкую плотность энергии , чем батареи; они просто не могут вместить столько же энергии, как химическая батарея того же размера (но этот разрыв сокращается!).

Положительным моментом конденсаторов является то, что они обычно служат дольше, чем батареи, что делает их лучшим выбором с экологической точки зрения. Они также способны выдавать энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их подходящими для приложений, которым требуется короткий, но большой всплеск мощности. Вспышка камеры может получать питание от конденсатора (который, в свою очередь, вероятно, заряжался от аккумулятора).

Фильтрация сигналов

обладают уникальной реакцией на сигналы различной частоты. Они могут блокировать низкочастотные компоненты или составляющие сигнала постоянного тока, позволяя при этом проходить более высоким частотам.Они как вышибалы в очень эксклюзивном клубе только для высоких частот.

Фильтрация сигналов может быть полезна во всех видах приложений обработки сигналов. Радиоприемники могут использовать конденсатор (среди других компонентов) для отключения нежелательных частот.

Другой пример фильтрации сигнала конденсатора – это пассивные схемы кроссовера внутри громкоговорителей, которые разделяют один аудиосигнал на несколько. Последовательный конденсатор блокирует низкие частоты, поэтому оставшиеся высокочастотные части сигнала могут поступать на твитер динамика.При прохождении низких частот в цепи сабвуфера высокие частоты в основном могут быть шунтированы на землю через параллельный конденсатор.

Очень простой пример схемы кроссовера аудио. Конденсатор блокирует низкие частоты, а катушка индуктивности блокирует высокие частоты. Каждый из них может использоваться для доставки нужного сигнала настроенным аудиодрайверам.

Снижение рейтинга

При работе с конденсаторами важно проектировать схемы с конденсаторами, которые имеют гораздо более высокий допуск, чем потенциально самый высокий скачок напряжения в вашей системе.

Вот отличное видео от инженера SparkFun Шона о том, что происходит с различными типами конденсаторов, когда вы не можете снизить номинальные параметры конденсаторов и превысить их максимальное напряжение. Вы можете узнать больше о его экспериментах здесь.

и конденсатор байпаса – Работа и применение

Конденсаторы – один из наиболее часто используемых пассивных компонентов.От простых схем усилителя до сложных схем фильтров, вы можете найти их использование во многих аналоговых и силовых электронных схемах. Хотя мы уже изучили основы конденсатора и то, как он работает, существует множество применений для конденсаторов. Байпасные конденсаторы и развязывающий конденсатор – это два таких прикладных термина, которые широко используются при обозначении конденсатора в цепи. В этой статье мы узнаем об этих двух типах конденсаторов, о том, как они работают в конструкции, и о , как выбрать конденсатор , который будет использоваться в качестве байпасного конденсатора или развязывающего конденсатора.

Термины «Байпасные конденсаторы» и «Разделительный конденсатор» взаимозаменяемы, но у них есть свои различия. При питании любого устройства основной целью будет обеспечение очень низкого импеданса (относительно земли) для входной мощности. Для достижения этого условия в схемы вводится шунтирование. Чтобы понять разницу между двумя типами конденсаторов, давайте углубимся в них.

Конденсаторы развязки используются для развязки или развязки двух разных цепей или локальной цепи от внешней цепи, другими словами, развязывающий конденсатор используется для развязки сигналов переменного тока от сигналов постоянного тока или наоборот.

Реальный факт заключается в том, что развязывающий конденсатор используется для обеих целей, и мы можем определить развязывающие конденсаторы как конденсатор, который используется для устранения искажений мощности и шума и защиты системы / ИС, обеспечивая чистый источник постоянного тока.

Процесс развязки действительно важен, когда речь идет о логических схемах. Например, рассмотрим логический вентиль, который может работать при напряжении питания 5 В, если напряжение превышает 2,5 В, он будет считаться сигналом высокого уровня, а если напряжение упадет ниже 2.5 В будет читаться как низкий сигнал. Таким образом, если в питающем напряжении присутствует шум, он вызывает высокие и низкие уровни в логической схеме, поэтому конденсаторы связи постоянного тока широко используются в логических схемах

Разделительный конденсатор должен быть размещен между источником питания и нагрузкой / ИС параллельно друг другу. Когда источник питания постоянного тока подает мощность в схему, разделительный конденсатор будет иметь бесконечное реактивное сопротивление на сигналы постоянного тока , и они не будут иметь на них никакого влияния, но он имеет гораздо меньшее реактивное сопротивление для сигналов переменного тока, поэтому они могут проходить через развязку. конденсатор, и при необходимости они будут шунтированы на землю.Конденсатор создаст тракт с низким сопротивлением для высокочастотных сигналов , которые будут шунтированы, что приведет к чистому сигналу постоянного тока.

При размещении используются два разных конденсатора, рассмотрим конденсатор емкостью 10 мкФ, расположенный вдали от ИС, который используется для сглаживания низкочастотных изменений в источнике питания, и конденсатор 0,1 мкФ , расположенный ближе к ИС , который используется для сглаживания высокочастотные изменения в блоке питания.

Наиболее часто используемый тип конденсаторов для низкочастотного сглаживания – это электролитические конденсаторы, а конденсаторы, используемые для высокочастотного сглаживания, – это керамические конденсаторы для поверхностного монтажа.

Значение разделительного конденсатора

В отличие от байпасных конденсаторов здесь не так много проблем, чтобы выбрать номинал развязывающего конденсатора . Поскольку разделительные конденсаторы широко используются, существуют определенные стандарты для выбора номинала.

• Значение конденсатора развязки для низкочастотного шума обычно должно находиться в диапазоне от 1 мкФ до 100 мкФ
• Конденсатор развязки высокочастотного шума обычно должен иметь значение от 0,01 мкФ до 0,1 мкФ.

Точное значение используемых конденсаторов всегда указывается в паспорте ИС. Конденсаторы развязки всегда должны быть подключены непосредственно к заземляющей пластине с низким сопротивлением для его эффективной работы.

Конденсатор байпаса используется для предотвращения попадания шума в систему путем обхода его на землю.Конденсатор байпаса помещается между выводами напряжения питания (Vcc) и землей (GND), чтобы уменьшить как шум источника питания, так и результат скачков напряжения в линиях питания. Для разных устройств и разных компонентов конденсатор может подавлять как межсистемные, так и внутрисистемные шумы.

При работе конденсатор замыкает любой сигнал переменного тока на землю, так что шум переменного тока в сигнале постоянного тока удаляется , что приводит к более чистому и чистому сигналу постоянного тока.Например, давайте рассмотрим конденсаторы эмиттера и катода байпаса.

Рассмотрим усилитель с общим эмиттером (CE) с сопротивлением эмиттера, если байпасный конденсатор подключен параллельно с сопротивлением эмиттера, усиление напряжения CE-усилителя увеличивается, а если конденсатор удален, в цепи усилителя и напряжении возникает крайняя дегенерация. усиление будет уменьшено.

Когда конденсатор подключен к сопротивлению катода и если конденсатор достаточно большой, он действует как короткое замыкание для звуковой частоты, а устраняет отрицательную обратную связь .Он также действует как разомкнутая цепь для постоянного тока и поддерживает смещение сети постоянного тока.

Реактивное сопротивление конденсатора, добавленного в цепь, должно составлять 1/10 ^-го или меньше сопротивления, включенного параллельно. Все мы знаем, что ток всегда идет по пути с низким сопротивлением, если вы хотите шунтировать сигнал переменного тока на землю, конденсатор должен иметь более низкое сопротивление. Значение емкости используемого байпасного конденсатора можно рассчитать по формуле

С = 1 / 2πfXC 

Используя приведенную выше формулу байпасного конденсатора , давайте рассмотрим, что вам нужно найти емкость конденсатора, подключенного к резистору с сопротивлением 440 Ом, мы знаем, что реактивное сопротивление всегда составляет 1/10 ^-го сопротивления, следовательно, реактивное сопротивление будет 44 Ом, а стандартная частота в индийской электрической сети составляет 50 Гц, поэтому значение байпасного конденсатора можно рассчитать как

С = 1/2 (3.14) (50) (44)