Гальваническая развязка в картинках
Судя по нескольким недавним постам, неплохо бы осветить, что такое гальваническая развязка и зачем она нужна. Итак:
А теперь, давайте на примерах :)
И, да, тока утечки тапочек вполне хватит, чтобы вы почувствовали «удар» при прикосновении к «фазовому» проводу сети. Если тапочки сухие, то такой «удар», обычно, безвреден. Но, если вы стоите босяком на влажном полу, последствия могут быть весьма плачевными.
Совсем другое дело, если в схеме присутствует трансформатор:
Если прикоснуться к одному из выводов трансформатора, через вас ток не потечет — ему просто некуда течь, второй вывод трансформатора висит в воздухе. Если, конечно, схватиться за оба вывода трансформатора, и он выдает достаточное напряжение, то долбанет и так.
Итак, в данном случае, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Кроме трансформатора есть еще куча разных способов передать сигнал, не создавая электрического контакта:
Запомните — как только вы что-то подключаете в схему, оно становится частью схемы! Это справедливо и для различного измерительного оборудования.
Правильный способ измерить в что-то в такой схеме — подключить ее через развязывающий трансформатор 220->220:
Как это выглядит на практике, вы наверняка видели в прошлой статье:
Перевертыши — это даже лучше, чем один трансформатор 220->220.
Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течет и тем лучше.
Гальваническая развязка — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними.
А теперь, давайте на примерах :)
Пример 1. Сеть
Чаще всего о гальванической развязке говорят применительно к сетевому питанию, и вот почему. Представьте себе, что вы ухватились рукой за провод из розетки. Ваше «подключение» с точки зрения электричества выглядит вот так:И, да, тока утечки тапочек вполне хватит, чтобы вы почувствовали «удар» при прикосновении к «фазовому» проводу сети. Если тапочки сухие, то такой «удар», обычно, безвреден. Но, если вы стоите босяком на влажном полу, последствия могут быть весьма плачевными.
Совсем другое дело, если в схеме присутствует трансформатор:
Если прикоснуться к одному из выводов трансформатора, через вас ток не потечет — ему просто некуда течь, второй вывод трансформатора висит в воздухе. Если, конечно, схватиться за оба вывода трансформатора, и он выдает достаточное напряжение, то долбанет и так.
Итак, в данном случае, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Кроме трансформатора есть еще куча разных способов передать сигнал, не создавая электрического контакта:
- Оптический: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи
- Радио: приемники, передатчики
- Звуковой: динамик, микрофон
- Емкостный: через конденсатор очень маленькой емкости
- Механический: мотор-генератор
- Можно еще понавыдумывать
Пример 2. Осциллограф
Есть прямо мега-классический способ взорвать пол-схемы. На форуме даже есть соответствующий топик. Дело в том, что многие забывают, что осциллограф (и многое другое оборудование) соединен с землей. Вот как выглядит полная картина при подключении осциллографа в схему, питающуюся прямо от сети:Запомните — как только вы что-то подключаете в схему, оно становится частью схемы! Это справедливо и для различного измерительного оборудования.
Правильный способ измерить в что-то в такой схеме — подключить ее через развязывающий трансформатор 220->220:
Перевертыши
Готовые трансформаторы 220->220 найти довольно сложно. Поэтому, можно использовать так называемые перевертыши. Перевертыш — это два трансформатора, к примеру 220->24, выключенные последовательно вот так:Как это выглядит на практике, вы наверняка видели в прошлой статье:
Перевертыши — это даже лучше, чем один трансформатор 220->220.
- Они обеспечивают вдвое меньшую емкость между входом и выходом
- Среднюю часть можно заземлить, и, таким образом очень неплохо отфильтровать помехи из сети
- Можно включить 3 трансформатора, и тогда можно получить 440 или 110 вольт
Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течет и тем лучше.
Песенка
Давным давно я на тему гальванической развязки даже песенку записал. Песенка под спойлером.Песня, ее текст и объяснения
Эту мини-песенку я записал когда я занимался разной аудио-электроникой. Один товарисч сделал ламповую гитарную примочку и, подумав, что трансформатор который превращает 220 в 220 совершенно бесполезен, выбросил его из схемы, за что и поплатился. Я подумал, что это — вполне себе тема для метальной мини-песенки.
Кстати, кроме развязки в этой мелкой песенке еще два неплохих совета:
Ты не поставил трансформатор анодный
Запитал непосредственно из сети
Под ногой была батарея
А рукой гитару схватил ты
Ток пронзает бренное тело
Извивается бренная плоть
Ты не можешь разжать свою руку
Ты один и никто не может помочь
Разрывая и выжигая
Электроны сжимают сердце твое
Будет биться или утихнет?
Безопасность, запомни, превыше всего.
Кстати, кроме развязки в этой мелкой песенке еще два неплохих совета:
- Да, все работы с сетевым напряжением нужно выполнять как минимум вдвоем.
- Когда бьет током, рука сжимается, поэтому, сначала к приборам лучше прикасаться тыльной стороной правой руки.
73 комментария
Да, а картинки мышкой в пейнте рисованы?:)
Рекомендую вот такую няшу для рисования.
я нашел трансформатор 1:1 на 220В, судя по словам продавца именно для гальванической развязки.
Надеюсь это так, на нем написано Т20х40-80 В2-220/220-50
С детства помню его фразу — если лезешь на высокую сторону — всегда одной рукой. И желательно правой — если что — ток пройдет дальше от сердца.
А вообще был у него случай несколько лет назад — копался в ВВ щите (все обесточено, табличка «не включать работают люди висит»). И тут сунулся отверткой что-то прикрутить — вспышка. Вобщем от отвертки (диаметр металлической части больше 5мм) осталась только ручка (без приувеличения).
Металл жалла вплавился в стекло очков (благо что отец носит очки — это спасло глаза) и по всему лицу.
Еще спасло то, что отвертка была правильная — изоляция ручки выдержала. Резиновый коврик под ногами тоже был.
Причина — какому-то мудаку нужно было куда-то подать питание и он дернул тупо не тот рубильник.
Всегда нужно помнить что крокодилы щупов в большинстве многоканальных осцилографов соеденены.
Кстати, по поводу первой картинки с осцилографом в статье — первое что приходит в голову — значит надо убрать землю. На куче форумов по этому поводу идут очень жаркие споры — половина считает что заземлять осцилограф категорически нельзя, второя половина отстаивает противоположную точку зрения.
Поэтому было бы не плохо еще расписать важность и полезность заземления электроприборов. Не только измерительного оборудования типа осцилографов, а вообще рассказать зачем это нужно.
В любом случае, делать так не рекомендуется.
На вход (верхние выводы) заходит 380 (между двумя фазами всегда 380 в трехфазной цепи), а выходит уже 220. Шаришь?
согласно ГОСТ Р МЭК 60204-1-2007 «Электрооборудование машин и механизмов»
9.1.1 Питание цепи управления.
Когда используется питание от сети переменного тока обязательным является использование трансформаторов для питания цепей управления.
Если машины оснащены только одним пусковым устройством двигателя или максимум двумя приборами управления например устройство блокировки, станция управления Старт-Стоп использование трансформаторов может быть необязательным.
Так что в данном случае можно трансформатор не ставить, а запитать с L1 и PEN
Сергей, не подскажите, а можно ли не установку, а сам осциллограф через развязывающий трансформатор подключить, и убрать у осциллографа заземляющий провод? Я индукционную грелку на 6 кВт замутил, развязывающий транс размером с холодильник получится. А мерять нужно — установочка ещё сырая и просто так включать боязно :))
А осцил немного потребляет, развязывающий транс для него маленький и незаметный получится.
Сергей, можно ещё спросить? А зачем вообще на электростанции провод в землю зарывают?
Наш покойный электронщик мне объяснял, что это делается для экономии проводов. Проводящие слои почвы работают как нулевой провод в трёхфазной линии электроснабжения (т. к. сечение почвы большое, то и сопротивление у воображаемого провода маленькое). Отсюда все беды с заземлением; занулением; рельсами, растворяемые блуждающими токами; грозозащитой; убитыми детьми, которые гвозди в розетку сунули и так далее. Это правда?
Именно поэтому, развязка осциллографа — не очень-то идея :)
Кстати, современные осциллографы — все в пластиковых корпусах, там вроде пробой на корпус не актуален :) Так как же несчастному силовику отлаживать установки мощностью в десятки киловатт?
Одно дело — корпуса металлорежущих станков, трамваев и электромоторов, которые и стальные должны быть для прочности, и под напряжением одновременно — здесь безвыходная ситуация (кстати, сейчас корпуса станков тоже пластиком обшивать начали). Другое дело — мелкий прыщ-осциллограф, который сам по себе вещь временная, нужная только на период отладки.
Просто когда о технике безопасности не имеет представления человек, занимающийся программированием микроконтроллеров в устройстве с максимальным напряжением 12В это одно, а когда тот же человек без подготовки пытается что-то делать с силовой электроникой всё становится печальнее. (ох сейчас наминусуют).
Заметка неплохая. Было бы неплохо продолжить написание подобных заметок с картинками.
Тут плюсовать нужно :) Другое дело, что если человек — самоучка особо неоткуда взять ему эту самую подготовку. И подготавливаются на своем горьком опыте (который, кстати, весьма поучительней, чем любые лекции да семинары).
Но кое-что всё же получается — недавно запустил спаренный индукционный нагреватель на 6 кВт. Кому интересно, посмотрите здесь: www.youtube.com/watch?v=0eZLsPGjegQ и здесь: induction.listbb.ru/viewtopic.php?f=17&t=87
Силовые мосты отвязаны от драйверов трансформаторами GDT, схема защиты отвязана оптикой.
Работало отлично, вот только напрягало постоянно вылетающее УЗО. Благодаря этой статье проблема снята :)) Теперь ещё и осциллографы отвязаны.
Сигнал очень мощный, так что его повышенная зашумленность неактуальна.
Индукционный нагрев конечно впечатляет. От схемы управления на макетных платах я вообще обалдел :=)
Если бы за такое кто-то платил мне зарплату, может тоже занимался бы.
А как можно такую штуку использовать практически? Я не прикалываюсь над Вами, мне правда интересно.
Насчёт индукционки. Да, это рабочая установка, стоит в нашем НИИ Высоких температур на стенде по изучению плёночного кипения. Плавим шарики от подшипников — почти 1700°С, весьма недурно :)
Практическое использование — ну например закаливать свёрла, делать небольшие стальные отливки (т к нагрев бесконтактный — отливки получаются очень чистыми, а благодаря электромагнитному перемешиванию ещё и очень прочные, с мелкокристаллической структурой). Можно даже свой собственный сплав смешать. Можно паять контакты всякие — не надо газа и паяльников — поднёс провода к витку, и всё мгновенно и очень чисто запаялось. В общем — применение ограничено фантазией.
Ребята с listbb ковкой самурайских мечей занимаются, опять же греют в индукторе. Один парень на 80 кВт дуру построил — у меня у самого челюсть отвисла.
Насчёт отладки подобных дур. Гальванически развязанные щупы для осциллографа стоят почти 20 тыс руб — грустно. Аккумуляторное питание не для всех моделей осциллографов предусмотрено. Разбирать осцилл, подпаиваться к схеме и лишиться гарантии, или брать автомобильный аккумулятор + автоинвертор 12/220v — громоздко. Наверное действительно идеальный вариант — развязать осциллы трансформаторами и работать повнимательнее, не совать руки куда не надо.
Сегодня полез в работающую установку, задел рукой корпус БП — схема защиты ни с того, ни с сего сработала. Потом сообразил, что у компьютерного БП к корпусу подпаян заземляющий провод. Естественно этот провод подключён и к осциллам, и ни о какой полной гальванической отвязке уже речи нет.
Включил БП через развязывающий транс — беда исчезла. Погуглил — оказалось очень много жалоб на компьютерные БП. Рекомендуют либо откусить заземляющий провод, либо включать БП через дешёвый адаптор без третьего контакта.
Товарищи, хотел вот ещё что спросить. Помню — ещё в школе делал конденсаторный источник питания для ёлочной гирлянды, гасящий сетевое напряжение ёмкостным сопротивлением кондеров:
1) Оба провода гальванически отвязаны от сети, ибо энергия передаётся электрическим полем — вроде как безопасно.
2) Конденсаторы не греются, ибо реактивные элементы.
3) Масса-габариты-цена конденсаторов намного меньше трансформаторов, номенклатура намного выше.
4) Известны высоковольтные вольтметры на ЛЭПах, устроенные так же, как на рисунке — конденсаторные делители напряжения.
5) На моей советской электробритве Бердск-2 так сделано — гасящий кондер встроен в вилку, Вилка маленькая и лёгкая, не то что современные трансформаторные зарядки для телефонов.
Почему конденсаторные БП не используют вместо трансформаторных? Или используют, но ограничено?
P.S. В схемах подобного типа крайне рекомендуется ставить резисторы 470...510 кОм параллельно конденсаторам, что бы после выключения на них не оставался заряд. Вот.
Резисторы — да, естественно нужны, забыл нарисовать.
Отвязаны, но все равно опасно.
Отвязаны, потому что вместо конденсаторов можно мысленно подставить выключатели:
Подвижный контакт выключателя это одна обкладка, а неподвижный другая, между контактами диэлектрик, например, воздух. Чем не конденсатор с очень незначительной емкостью? И, теоретически, в такой цепи может протекать ток. Но при такой низкой емкости и низкой частоте ток будет ультра-мега-супер-низкий (при условии что провода идеальные проводнки):-) Однако любой скажет, что выключатель гальванически отвязывает один участок цепи от другого. Гальваническая связь это непосредственный электрический контакт между двумя проводниками.
Опасно, потому что при приложении источника ЭДС к обкладкам конденсатора, заряженные частицы (например свободные электроны в металлическом проводе, ионы в электролите) очень захотят оказаться на обкладке конденсатора. А чтобы там оказаться надо туда двигаться, вот когда они начнут двигаться, тут ток и потечет. И здесь все зависит от емкости, чем больше емкость тем больше ток, тем сильнее шарахнет человека, если он окажется включенным в цепь где текут заряды.
Да, собственно, и пускай шарахает, вопрос не в этом. Вопрос в том, можно ли строить гальванически развязанные конденсаторные ИП для питания, например, осциллографов для их гальванической отвязки от земли.
Трансформатор же создает новый контур, где нет заземления.
Вот я никогда не понимал, почему если человек гвоздь в розетку засунет и попадет на фазу, его тряхнет током. Конец же только один.
Вариант а) Ток возвращается по бетонным конструкциям. Так как площадь бетонных плит большая, то их сопротивление маленькое. Хотя при этом удельное сопротивление бетона остается высоким.
Даже рекомендуют подкладывать под ноги резиновый коврик при монтажных работах.
Но почему меня тогда ударило, когда я был в тапках и на паласе? Палас, подошва тапок и деревянный пол очень плохо проводят ток. Из дерева раньше даже каркасы трансформаторов делали.
Вариант б) Земля (и шины заземления) и человеческое тело под напряжением образуют обкладки конденсатора, и ток идет как бы по воздуху.
Но тогда на крыше небоскреба должно бить слабее, чем в подвале, т к расстояние от земли выше.
Ничего не понятно! Проясните меня кто-нибудь пожалуйста!
Итак. Есть человек, стоящий в резиновых тапочках на сухом деревянном полу, который тыкает пальцем в фазу.
Есть нулевой провод, зарытый в землю. Между фазой и нулевым проводом 220 вольт 50 Гц.
Т.к. человек — это проводящий кусок мяса, то его можно считать за обкладку конденсатора. Аппроксимируем человека шаром диаметром полметра. Радиус a=0.25 метра.
Влажную проводящую землю аппроксимируем плоской обкладкой конденсатора с огромной площадью (бесконечная пластина).
Получаем конденсатор «Шар — Бесконечная стенка».
Расстояние между «обкладками» d=30 метров (высота среднестатистической девятиэтажки).
Лезем в Википедию. Ищем формулу для поиска ёмкости «Шар-Стенка» и загоняем её в Маткад. Получили 30 пикофарад.
Причём результат почти не зависит от высоты здания «d» и тучности человека «a» (поиграйтесь с этими параметрами). Что взрослый толстяк, что ребёнок; что в деревенском доме, что на крыше Бурж Дубая — разница невелика.
Подсчитываем ток через конденсатор ёмкостью 30 пф при напряжении 220 вольт и частоте 50 Гц. Получаем 2 микроампера. Мало, чтобы тряхнуть человека.
Поправьте, не ошибаюсь ли я?
Значит дело не в ёмкостном токе. А в чём же?
Блин, может формула на таких расстояниях не работает?