6.3. Гальваническое разделение цепей

Гальваническое разделение цепей (гальваническая развязка) преследует цель защиты входных цепей УСО от помех. Под этим термином подразумевают семейство технических способов обеспечения изоляции между частями системы, которая обеспечивает непроводимость гальванического барьера для земельных и питающих сквозных токов и проводимость для информационного сигнала  фактически это устройство отделения информационного сигнала от среды, по которой он пришел.

В сложной системе управления с разветвленными каналами связи имеется опасность появления ложного заземления линии, причем земля может появиться на нескольких участках цепи одновременно. Для повышения живучести системы по отношению к подобным нарушениям предусматривается гальваническая изоляция входных и выходных цепей приборов относительно цепи питания, а во многих блоках – также между входными и выходными цепями.

Гальваническая изоляция цепей особенно необходима для обеспечения возможности последовательного соединения нескольких потребителей или источников сигнала, каждый из которых может иметь свою точку заземления.

Принято различать поперечные помехи, называемые также помехами нормального вида (Noise Normal-Mode), и продольные помехи, именуемые помехами общего вида (Noise Common-Mode). Поперечные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя наряду с входным сигналом. Продольные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя и землей и в общем случае являются следствием электрической связи источника сигнала и измерительного усилителя с землёй через комплексные сопротивления. Разность потенциалов «земель», обусловленная блуждающими токами, заземлением силовых установок и т.д., и определяет возникновение в измерительном контуре дополнительного источника напряжения продольной помехи, суммируемого с напряжением измеряемых сигналов датчика. Так как проводники, соединяющие датчик и измерительный усилитель, имеют конечное сопротивление, образуется на входе измерительного усилителя напряжение уже поперечной помехи, пропорциональное отношению сопротивления проводника к сумме комплексных сопротивлений электрических связей с землёй, внутреннего сопротивления источника продольной помехи и сопротивления проводника. Таков механизм преобразования продольной помехи в поперечную.

Гальваническое разделение цепей постоянного тока осуществляется обычно по структурной схеме, приведенной на рис. 6.2, а.

а

б

Рис. 6.2. Способы гальванического разделения цепей:

а – с помощью модуляции-демедуляции;

б – с применением оптоэлектронных преобразователей.

В модуляторе М сигнал постоянного тока превращается в последовательность импульсов с использованием амплитудно-импульсной или широтно-импульсной модуляции. Далее импульсный сигнал проходит через разделительный трансформатор Тр, обеспечивающий собственно гальваническое разделение входных и выходных цепей. В демодуляторе Дм производится фазочувствительное выпрямление сигнала, а с помощью сглаживающего фильтра Ф выделяется постоянная составляющая выпрямленного сигнала.

При передаче дискретных сигналов для осуществления гальванического разделения цепей применяются также оптоэлектронные преобразователи – оптроны (рис. 6.2, б), содержащие светодиод СД и фоторезистор ФР (резисторный оптрон) или фототиристор ФТ (тиристорный оптрон).

При появлении управляющего сигнала U_упр светодиод СД облучает светом фоторезистор ФР или фототиристор ФТ, которые переходят в проводящее состояние и замыкают собой цепь нагрузки z_в. После исчезновений сигнала управления излучение светодиода прекращается. Сопротивление фоторезистора в этот момент резко возрастает, что соответствует отключению цепи нагрузки. Отключение же фототиристора может произойти только тогда, когда не только сигнал управления, но и ток нагрузки снизится до нуля. Поэтому тиристорный оптрон используется обычно для коммутации цепей с пульсирующим до нуля током.

Для обеспечения помехустойчивой передачи как цифровых, так и аналоговых сигналов необходимо каждый сигнал передавать по отдельной перевитой паре проводов, а весь жгут заключать в металлический экран. Экран следует заземлять только с одной стороны – либо у источника, либо у приемника сигнала, там, где имеется общая заземленная точка. Например, прием сигнала на вход дифференциального усилителя или на обмотку реле, запитываемого от УСО, не имеет непосредственной связи с «землей», поэтому экран следует заземлять у источника сигнала (рис. 6.3, а). Если же и приемник сигнала, и источник сигнала имеют каждый свое заземление, то экранирование не защищает от проникновения помехи общего вида Е_п, вызванной разностью потенциалов общих точек питания источника и приемника. В этом случае надо вводить гальваническую развязку цепей источника и приемника с помощью оптронов (в данном случае транзисторным) (рис. 6.3, б). Обычно Z_з<<Z_cп=Z_oп<Z_н, т.е. помеха, проникающая в сигнальную цепь, в основном оказывается на Z_н. Экран защищает от внешних электростатических и электромагнитных наводок.

Рис. 6.3. Обеспечение помехоустойчивости канала:

Е_с, Е_п – ЭДС сигнала и помехи, Z_з – сопротивление цепи заземления между общей точкой ЭВМ и общей точкой объекта, Z_н – сопротивление нагрузки, Z_сп, Z_oп–сопротивления сигнального и обратного проводов, Э–экран, О – транзисторный оптрон

Часто нормализаторы и устройства гальванической развязки совмещают в одном модуле (рис. 6.4). Нормирующий преобразователь построен как развязывающий или изолированный усилитель с трехуровневой изоляцией (3-Way Isolation).

Рис. 6.4. Блок-схема нормализатора с трёхуровневой изоляцией

Блок-схему развязывающего усилителя можно представить как совокупность входного и выходного каскадов питания (рис. 6.4). Отличительной особенностью развязывающих усилителей с трёхуровневой изоляцией является обеспечение раздельного питания входного и выходного каскадов, осуществляемого через разделительный трансформатор. При этом сигнал от входного к выходному каскаду может передаваться тремя способами: через трансформаторную, оптическую или ёмкостную связь. Метод передачи сигнала – это, как правило, модуляция/демодуляция (амплитудная, широтно-импульсная или частотная) и линеаризующая обратная связь. При ёмкостной связи, например, модулированный сигнал передается через ёмкость небольшого номинала (порядка единиц пикофарад) для обеспечения ограничения переменного синфазного напряжения.

Каждый такой модуль поддерживает отдельный канал изолированного аналогового ввода или вывода. Входные модули обеспечивают интерфейс со всеми типами внешних датчиков. Модули фильтруют, изолируют, усиливают и преобразуют входной сигнал к выходному аналоговому сигналу тока/напряжения с диапазонами изменения, принятыми в измерительной технике. Внешнее оформление такого модуля с возможностью монтажа на DIN – направляющих (рельсах) представлено на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Модули входных преобразователей

Для динамично перестраиваемых производств, а также тестового и измерительного оборудования, где требуется высокая гибкость, вызванная частым изменением поддиапазонов измеряемых параметров, заменой датчиков, изменениями измерительного диапазона либо даже типа входного сигнала, фирма Dataforth (США) выпускает нормирующие конфигурируемые преобразователи (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема коммутации оборудования для программирования модуля DSCP20