Izolarea galvanică - transferul de energie sau semnal de informare între circuitele electrice care nu au contact electric direct între ele .
Izolarea galvanică este utilizată pentru transmisia semnalului pentru a reduce interferența, pentru controlul fără contact și pentru a proteja echipamentele de daune și oamenii de șoc electric.
Cu izolarea galvanică, potențialele electrice ale circuitelor separate pot varia foarte mult, uneori se spune că au potențiale „plutitoare” unul față de celălalt.
Conform metodei de organizare a izolației galvanice, acestea sunt împărțite în
Din punct de vedere istoric, primul tip de schimburi. Este încă folosit atât pentru transmisia de putere, cât și pentru transmiterea semnalului de informații. Prin transformatoarele de putere se poate transmite putere foarte mare, de pana la sute de MW. Pentru a transmite informații, se folosesc de obicei transformatoare miniaturale de impuls și de înaltă frecvență.
Uneori, pentru siguranța electrică, se folosesc transformatoare speciale de izolare de putere. De obicei, transformatoarele de putere sunt descendente, adică tensiunea înfășurărilor secundare este mai mică decât tensiunea înfășurării primare, transformatoarele de izolare, de regulă, au un raport de transformare de 1: 1. Utilizarea unor astfel de transformatoare în scopul siguranței electrice se datorează faptului că rețelele industriale și casnice de joasă tensiune au împământare conectată la „pământ” - cu care, de exemplu, conductele de apă sunt, de asemenea, conectate electric. În absența unui transformator de izolare, o defecțiune a izolației unei unelte electrice portabile poate provoca o rănire electrică a unui lucrător. Deoarece înfășurarea secundară a transformatorului de izolare nu are o conexiune electrică cu „pământul”, o încălcare de urgență a izolației instrumentului este practic sigură din punct de vedere electric.
Pentru autotransformatoare , înfășurările primare și secundare sunt combinate și, prin urmare, autotransformatoarele nu sunt dispozitive de separare galvanică și nu sunt utilizate pentru separarea galvanică în scopuri de siguranță electrică.
Dezavantajul izolației galvanice a transformatorului pentru transmiterea unui semnal de informare este imposibilitatea fundamentală a transmiterii directe a semnalelor DC și a semnalelor cu schimbare lentă printr-un transformator. Prin urmare, în astfel de schimburi, se recurge la un fel de modulație , de exemplu, modulația de frecvență, iar transmisia de informații în acest caz are loc folosind transmisia unui semnal purtător de înaltă frecvență. La capătul de recepție, semnalul de înaltă frecvență este demodulat cu restabilirea informațiilor transmise.
În dispozitivele de acest tip, semnalul este transmis folosind radiații optice și este utilizat exclusiv pentru transmiterea de semnale de informații, deoarece este dificil și imposibil din punct de vedere tehnic să se transmită putere mare prin astfel de schimburi.
În prezent, schimburile optice sunt cele mai utilizate și populare tipuri de schimburi de informații.
Principiul funcționării lor se bazează pe emisia de lumină de către un emițător de lumină controlat de un semnal electric, transmiterea unui semnal optic către o parte izolată galvanic și conversia inversă a radiației într-un semnal electric.
LED-urile sunt acum utilizate în mod obișnuit ca emițători , iar fotodiodele , fototranzistoarele sau fototiristoarele sunt folosite ca receptori de lumină . Combinația dintre un LED și un receptor de radiații este de obicei numită optocupler sau optocupler, dacă emițătorul și receptorul de radiații sunt aranjate structural într-o singură carcasă. Transmisia într-un canal optic este de obicei utilizată în domeniul infraroșu , deoarece caracteristicile energetice ale receptorilor și emițătorilor semiconductori din acest interval sunt mai bune decât în domeniul vizibil.
Avantajul izolării optocuplerului în comparație cu izolarea transformatorului este dimensiunea sa mai mică, costul scăzut și capacitatea de a transmite semnale care se schimbă lent, inclusiv semnale DC.
Lipsa izolației optice pentru transmiterea semnalelor analogice de joasă frecvență este o neliniaritate semnificativă a canalului în timpul transmisiei, neuniformitatea coeficientului de transmisie de 10-30% pe întreaga gamă a semnalului. Prin urmare, pentru a transmite semnale analogice care se schimbă lent cu suficientă precizie, ca în cazul izolației transformatorului, se utilizează modulația-demodularea.
O altă modalitate de a transmite cu precizie un semnal care variază lent printr-un canal optic este compensarea. Cu această metodă, un emițător de lumină (LED) luminează două receptoare de radiații (fotodiodă sau fototranzistor), unul dintre receptori este inclus în feedback-ul sursei de curent LED, al doilea, izolat galvanic, este inclus în feedback-ul amplificatorului fotodiodei , după cum se arată în figură. Dacă funcția de transmisie neliniară de la LED la ambele fotodetectoare este aceeași, atunci neliniaritățile sunt compensate reciproc și izolarea galvanică devine liniară cu suficientă precizie pentru multe aplicații. În practică, într-o astfel de structură, este posibilă o îmbunătățire a liniarității transmisiei în canal cu până la 1%.
Este folosit exclusiv pentru transmiterea de semnale informative. Această izolare poate fi numită izolare galvanică numai condiționat, deoarece circuitele izolate galvanic sunt conectate electric printr-un cuplaj capacitiv, a cărui impedanță este finită și scade odată cu creșterea frecvenței diferenței potențialelor flotante ale „împământărilor” ale circuitele separate.
Dacă capacitatea condensatoarelor este mică, atunci curenții de frecvență de putere care curg prin condensatorii de decuplare sunt mici. De exemplu, capacitatea tipică a condensatoarelor de decuplare este de aproximativ 1 pF, iar impedanța izolației galvanice pentru frecvența de alimentare este de aproximativ 3 GΩ. Puterea electrică (tensiunea de avarie) a condensatoarelor de decuplare poate fi de câțiva kilovolți, prin urmare, acest tip de decuplare este permis pentru utilizare în echipamentele electrofizice pentru examinarea medicală și tratamentul pacienților, de exemplu, în electrocardiografie .
Deoarece o astfel de izolare nu transmite în mod fundamental semnale care se schimbă lent și semnale DC, un anumit tip de modulație este în mod necesar utilizat atunci când se transmite un semnal de informație.
Un exemplu de circuit de izolare galvanică a condensatorului este prezentat în figură. În această schemă, semnalul de impuls este transmis printr-o punte de condensator asimetrică cu coeficienți de transmisie diferiți ai divizoarelor capacitive de tensiune în brațele punții.
Un alt exemplu de izolare galvanică este prezentat în figură. În acest circuit, semnalul de informație, modulat printr-o metodă, este transmis în formă diferențială prin doi condensatori de cuplare, cu o capacitate tipică de aproximativ 1 pF.
Acest principiu al separării galvanice este utilizat în multe circuite integrate „amplificatoare izolate” de la mulți producători de semiconductori. De obicei, astfel de microcircuite utilizează modulația sigma-delta .
Avantajul metodei condensatorului de separare galvanică este simplitatea, dar dezavantajul este că necesită utilizarea unui modulator-demodulator.
Fără decuplare, curentul maxim care curge între circuite este limitat doar de rezistențele electrice, care sunt de obicei relativ mici. Ca rezultat, pot circula curenți de egalizare și alți curenți care pot deteriora componentele circuitului sau pot răni persoanele care ating echipamentele care sunt în contact electric cu circuitul. Un dispozitiv de izolare limitează în mod artificial transferul de energie de la un circuit la altul. Un transformator de izolare sau un optocupler poate fi utilizat ca astfel de dispozitiv . În ambele cazuri, circuitele sunt separate electric, dar între ele pot fi transmise energie sau semnale.