Galvanisk isolering - överföring av energi eller informationssignal mellan elektriska kretsar som inte har direkt elektrisk kontakt mellan dem .
Galvanisk isolering används för signalöverföring för att minska störningar, för beröringsfri kontroll och för att skydda utrustning från skador och människor från elektriska stötar.
Med galvanisk isolering kan de separerade kretsarnas elektriska potentialer variera mycket, ibland sägs de ha "flytande" potentialer i förhållande till varandra.
Enligt metoden för att organisera galvanisk isolering är de uppdelade i
Historiskt sett den första typen av byten. Den används fortfarande för både kraftöverföring och informationssignalöverföring. Genom krafttransformatorer är det möjligt att överföra mycket hög effekt, upp till hundratals MW. För att överföra information används vanligtvis miniatyrpuls- och högfrekventa transformatorer.
Ibland används speciella isolerande krafttransformatorer för elsäkerhet. Typiskt är krafttransformatorer nedtrappade, det vill säga spänningen på sekundärlindningarna är lägre än spänningen på primärlindningen, isoleringstransformatorer har som regel ett transformationsförhållande på 1: 1. Användningen av sådana transformatorer i elsäkerhetssyfte beror på att lågspänningsindustri- och hushållsnät har jordning ansluten till "jorden" - med vilken till exempel vattenledningar också är elektriskt anslutna. I avsaknad av en isoleringstransformator kan ett haveri i isoleringen av ett handhållet elverktyg orsaka en elektrisk skada på en arbetare. Eftersom den sekundära lindningen av isoleringstransformatorn inte har en elektrisk förbindelse med "jorden", är ett nödbrott av verktygets isolering praktiskt taget elektriskt säker.
För autotransformatorer är de primära och sekundära lindningarna kombinerade, och därför är autotransformatorer inte galvaniska separationsanordningar och används inte för galvanisk separation för elektriska säkerhetsändamål.
Nackdelen med galvanisk isolering av transformatorn för att överföra en informationssignal är den grundläggande omöjligheten av direkt överföring av DC-signaler och långsamt föränderliga signaler genom en transformator. Därför, i sådana växlingar, tillgrips någon form av modulering till , till exempel, frekvensmodulering, och överföringen av information sker i detta fall med överföring av en högfrekvent bärvågssignal. Vid den mottagande änden demoduleras högfrekvenssignalen med återställning av den överförda informationen.
I anordningar av denna typ sänds signalen med optisk strålning och används uteslutande för överföring av informationssignaler, eftersom det är svårt och tekniskt opraktiskt att överföra hög effekt genom sådana växlingar.
För närvarande är optiska utbyten den mest använda och populära typen av informationsutbyten.
Principen för deras funktion är baserad på emission av ljus från en ljussändare som styrs av en elektrisk signal, överföring av en optisk signal till en galvaniskt isolerad del och omvänd omvandling av strålningen till en elektrisk signal.
Lysdioder används nu ofta som sändare , och fotodioder , fototransistorer eller fototyristorer används som ljusmottagare . Kombinationen av en lysdiod och en strålningsmottagare kallas vanligtvis en optokopplare eller en optokopplare, om sändaren och strålningsmottagaren är strukturellt anordnade i ett hus. Sändning i en optisk kanal används vanligtvis i det infraröda området , eftersom energiegenskaperna hos halvledarmottagare och sändare i detta område är bättre än i det synliga området.
Fördelen med optokopplarisolering jämfört med transformatorisolering är dess mindre storlek, låga kostnad och förmågan att överföra långsamt föränderliga signaler, inklusive DC-signaler.
Bristen på optisk isolering för överföring av analoga lågfrekventa signaler är en betydande icke-linjäritet hos kanalen under överföring, olikformigheten hos överföringskoefficienten på 10-30% över hela signalområdet. Därför, för att sända långsamt föränderliga analoga signaler med tillräcklig noggrannhet, som i fallet med transformatorisolering, används modulering-demodulering.
Ett annat sätt att exakt överföra en långsamt varierande signal genom en optisk kanal är kompensation. Med denna metod lyser en ljussändare (LED) två strålningsmottagare (fotodiod eller fototransistor), en av mottagarna ingår i återkopplingen från LED-strömkällan, den andra, galvaniskt isolerad, ingår i återkopplingen från fotodiodförstärkaren , som visas i figuren. Om den icke-linjära överföringsfunktionen från lysdioden till båda fotodetektorerna är densamma, kompenseras icke-linjäriteterna ömsesidigt och den galvaniska isoleringen blir linjär med tillräcklig noggrannhet för många tillämpningar. I praktiken, i en sådan struktur, är en förbättring av transmissionslinjäriteten i kanalen upp till 1 % möjlig.
Den används uteslutande för överföring av informationssignaler. Denna isolering kan endast kallas galvanisk isolering villkorligt, eftersom de galvaniskt isolerade kretsarna är elektriskt anslutna genom en kapacitiv koppling, vars impedans är ändlig och minskar med en ökning av frekvensen av skillnaden i de flytande potentialerna för "jordarna" av de separerade kretsarna.
Om kapacitansen hos kondensatorerna är liten, är kraftfrekvensströmmarna som flyter genom avkopplingskondensatorerna små. Till exempel är den typiska kapacitansen för avkopplingskondensatorer cirka 1 pF, och impedansen för galvanisk isolering för strömfrekvensen är cirka 3 GΩ. Den elektriska styrkan (nedbrytningsspänningen) hos frånkopplingskondensatorer kan vara flera kilovolt, därför är denna typ av frånkoppling tillåten för användning i elektrofysisk utrustning för medicinsk undersökning och behandling av patienter, till exempel i elektrokardiografer .
Eftersom en sådan isolering i grunden inte sänder långsamt föränderliga signaler och DC-signaler, används nödvändigtvis någon typ av modulering när en informationssignal sänds.
Ett exempel på en kondensator galvanisk isoleringskrets visas i figuren. I detta schema sänds pulssignalen genom en asymmetrisk kondensatorbrygga med olika överföringskoefficienter för kapacitiva spänningsdelare i bryggarmarna.
Ett annat exempel på galvanisk isolering visas i figuren. I denna krets sänds informationssignalen, modulerad med någon metod, i differentialform genom två kopplingskondensatorer, med en typisk kapacitans på cirka 1 pF.
Denna princip för galvanisk separation används i många "isolerade förstärkare" IC från många halvledartillverkare. Typiskt använder sådana mikrokretsar sigma-deltamodulering .
Fördelen med kondensatormetoden för galvanisk separation är enkelheten, men nackdelen är att den kräver användning av en modulator-demodulator.
Utan frånkoppling begränsas den maximala strömmen som flyter mellan kretsarna endast av elektriska resistanser, som vanligtvis är relativt små. Som ett resultat kan utjämningsströmmar och andra strömmar flyta som kan skada kretskomponenter eller skada personer som vidrör utrustning som är i elektrisk kontakt med kretsen. En isoleringsanordning begränsar artificiellt överföringen av energi från en krets till en annan. En isoleringstransformator eller optokopplare kan användas som en sådan enhet . I båda fallen är kretsarna elektriskt separerade, men energi eller signaler kan överföras mellan dem.