Устройства гальванической изоляции в аппаратных интерфейсах.
Гальваническая изоляция или гальваническая развязка – разделение электрических цепей посредством не проводящего ток материала. Для реализации гальванической изоляции можно использовать трансформаторы, конденсаторы, реле и оптроны.
Изоляция применяется для защиты от больших токов или напряжений, вызванных высоковольтными помехами и возникающих при наличии замкнутых цепей заземления. Такие замкнутые петли могут присутствовать в любой системе, где имеется несколько заземлений. Заземления в различных частях системы, связанных длинным кабелем, будут иметь различный потенциал, поэтому ток заземления будет проходить по соединительному кабелю. В отсутствие изоляции этот ток может создать дополнительные шумы, ухудшить качество канала или даже вывести из строя компоненты системы.
Токи, наводимые в длинных кабелях в условиях промышленности, например, при включении и выключении мощных электромоторов, при электростатических разрядах или при разрядах молнии, могут вызвать быстрые изменения потенциала заземления, величиной в сотни или тысячи вольт. При этом на информационный сигнал, передаваемый по каналу, накладывается высоковольтный импульс. При отсутствии изоляции этот высоковольтный импульс может нарушить передачу сигнала или даже вывести систему из строя. Подключение всех устройств, связанных общим интерфейсом, к одному заземлению сможет защитить систему от таких разрушающих воздействий, а изоляция устройств друг от друга позволяет избавиться от замкнутых «петлевых» заземлений.
Внутрисистемные интерфейсы. Интерфейсная система amba (ahb, asb, apb): основные характеристики, физическая и логическая организация.
AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) – шина, разработанная фирмой ARM для организации эффективного взаимодействия компонентов устройств, построенных на базе ядер фирмы. Шина AMBA – стандартная встроенная ASIC-шина, обеспечивающая быстрое модульное проектирование систем при упрощении многократного использования схемотехники и тестов.
ARM также обеспечивает возможность использования библиотеки PrimeCell периферии, которая соответствует AMBA стандарту и обеспечивают простую разработку ASIC и ASSP. При использовании AMBA с синтезируемыми версиями периферийных устройств, аппаратные средства системы и программное обеспечение могут быть разработаны на начальном этапе проектирования и, следовательно, может быть снижен риск ошибок проектирования конечной системы.
Согласно спецификации AMBA Rev 2.0 (AMBA Specification (Rev 2.0)) типовая шина AMBA 2 содержит высокоскоростную системную магистральную шину (AHB или ASB) и шину периферии (APB).
Системная шина соединяет встраиваемые процессоры, такие как ARM- ядра, с высокопроизводительной периферией, контроллерами DMA, встроенными памятью и интерфейсами.
Шина периферии работает с упрощенным протоколом и разработана для организации интерфейса с периферийными устройствами общего назначения или дополнительными периферийными устройствами. С системной шиной она соединяется через мост (bridge), способствующий снижению потребления системы.
В спецификации шины AMBA 2 определена методология тестирования, обеспечивающая быстрое тестирование модулей и кэш.
Фирмой ARM разработан набор макроячеек периферийных компонентов, которые фирма на основе лицензионных соглашений предоставляет заказчикам. Периферийные компоненты фирмы ARM, библиотека которых получила наименование PrimeCell, представляют собой готовые к применению программные макроячейки (IP-блоки), при разработке которых обращалось внимание на возможность многократного их использования. Применяя PrimeCell периферию разработчик существенно экономит время и стоимость разработки за счет концентрации усилий на создании именно системы на кристалле, а не на разработке сначала необходимой периферии и лишь затем системы. В настоящее время в библиотеку входят:
— Контроллеры статической памяти (SRAM).
— Контроллеры динамической памяти (DDR, DDR2).
— Контроллеры прямого доступа к памяти.
— Контроллеры прерываний (VIC, Advanced VIC).
— UART, синхронные последовательные интерфейсы (SPI), часы реального времени, средства ввода-вывода общего назначения (GPIO), интерфейсы смарт-карт, контроллеры цветных ЖКИ.
Для разработки микроконтроллеров и СнК на базе AMBA существуют специальные инструментальные средства. Например, CoreLinkT AMBA Designer позволяет скомпоновать СнК из готовых IP компонентов. В состав IP-компонентов входят:
Контроллер памяти, арбитр, матрица, подчиненный контроллер (32 и 64 бита), тестовый контроллер, мост AHB-APB, монтроллер SRAM, подчиненный контроллер для APB, сторожевой таймер для APB, таймеры для APB, другие IP-компоненты.
23. Гальваническая изоляция цепей источников и приемников электрических сигналов.
Также одним из эффективных способов борьбы с продольной помехой является гальваническая изоляция.
Гальваническая изоляция означает устранение непосредственной электрической связи между цепями. Для этого используются специальные узлы гальванического разделения цепей – это разделительные трансформаторы и др.
Если полезный сигнал представляет собой Uпостоянного тока, то его сперва используют для модуляции несущих сигналов, а затем уже моделированный сигнал подается на узел гальванического заземления.
Рассмотрим, как гальваническая изоляция цепей ослабляет влияние продольной помехи.
Таким образом узел гальванической развязки значительно ослабляет влияние продольной помехи и позволяет локализовать помехи в одних контурах и не дает возможность распространяться в других. Это позволяет использовать узлы гальванической развязки для разделения цепей, имеющих 1 источник информационного сигнала.
В этой схеме помеха, возникающая в цепи первой нагрузки Zh1, не может попасть в цепьZh2
Кроме того применение гальванической изоляции цепей позволяет последовательно соединять нагрузки, имеющие разные потенциалы точек заземления. Это позволяет избегать возникновение ложных контуров и цепей по которым может происходить выравнивание этих потенциалов. Также гальваническая изоляция позволяет последовательно включать источники сигналов, имеющие разные потенциалы.
Гальваническая изоляция постоянного тока осуществляется по 2 основным схемам:
- Схема с использованием разделительного трансформатора
М – модулятор В этой схеме сигнал напряжения постоянного тока поступает в модулятор, в котором происходит преобразование его в сигнал переменного тока, амплитуда которого зависит от величины входного сигнала. В р-130 несущая частота 1 кГц Затем модулированный сигнал подается на трансформатор. В ДМ происходит обратное преобразование из переменного в постоянный ток.
- Гальваническая изоляция с оптоэлектронной развязкой
Входной сигнал в ШИМе преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов скважность которых зависит от величины входного сигнала. Затем полученная последовательность импульсов напряжения подается на узел гальванической развязки При отсутствии Uна выходе диод погашен фотосопротивление велико и ток через него близок к 0.
13.Сигналы дистанционной связи в системах автоматизации.
16.Различают 2 основных сигнала: А) дискретные; Б) непрерывные(аналоговые). Выбор того или иного типа сигнала зависит от вида информации, а параметры сигнала (ток, напряжение и др.) зависят от активного сопротивления кабеля, утечек тока, максимальной длины линии связи. Термин аналоговый указывает на то, что данная величина представляется с помощью входной величины (аналога). Например температура как ток в линии связи. Термин «непрерывный» подчеркивает свойства таких величин, как отсутствие разрывов между значениями, которые может принимать данная величина. Дискретные – принимают не все возможные значения, а лишь строго определённые. Рассмотрим непрерывные сигналы связи, здесь информация заключается либо в величине UилиI. Эквивалентная электрическая схема для случая когда носителем информации является ЭДС. Напряжение на нагрузке при Eд –constиRн –constбудет изменяться при измененииRл. Всякое отклонениеRл от того значения при котором производилась градуировка приводит к отклонению погрешности. Эквивалентная электрическая схема токовой системы передачи: Из схемы видно, что как бы не менялось Rн иRл, ток через нагрузку будет равен току датчика, т. е. в идеале токовая система передачи имеет нулевую погрешность. Однако следует иметь ввиду, что в действительности токовая система связи имеет некоторую погрешность связанную с утечкой тока между жилами кабеля. Эквив. схема реальной токовой системы связи имеет вид: Iд=Iут+Iн Iн=Iд–Iут Каждый погонный метр кабеля обладает утечкой. Определим погрешность токовой системы передачи. ; Обычно на несколько порядков больше чем и . Для унифицированных токовых сигналов всегда задаются предельные сопротивления нагрузки, например: ; ; Определим при , если Rн=1кОм, то =10Мом Для протяженных линий связи целесообразно использовать токовые сигналы передачи информации. Однако приборы с выходным сигналом по напряжению имеют более простую конструкцию и исходя из этого сигналы напряжения применяют между приборами центральной части системы управления. Дискретные сигналы связи. ДСС используются в качестве информационных сигналов, так и для управления удаленными ИУ. Информационные дискретные сигналы обычно формируются дискретными датчиками с релейным выходом. КПД линии связи будет тем выше, чем больше напряжение в линии и меньше ток. КПД ; Использование токовых сигналов для управления удалёнными ИУ не выгодно, а более выгодны и технически удобно для управления ИМ применять дискретные. Для управления ИМ constскорости дискретные сигналы -1; 0; +1. Протяженность и помехозащищенность обеспечивается большими допусками условного 0 и 1. Пример формирования сигнала для ИМ: Схема подключения потребителей токового сигнала с защитой цепи от разрыва Потребители токового сигнала подключаются последовательно, причем I, текущий через каждого потребителя будет равен току датчик, однако разрыв цепи любого токового сигнала приводит к исчезновениюIво всей цепи. Для предотвращения такого разрыва параллельно зажимам каждого потребителя включается защитное устройство – стабилитрон.
3.5.10Устройства гальванической изоляции в аппаратных интерфейсах
Гальваническая изоляция или гальваническая развязка – разделение электрических цепей посредством не проводящего ток материала. Для реализации гальванической изоляции можно использовать трансформаторы, конденсаторы, реле и оптроны [74].
Изоляция применяется для защиты от больших токов или напряжений, вызванных высоковольтными помехами и возникающих при наличии замкнутых цепей заземления. Такие замкнутые петли могут присутствовать в любой системе, где имеется несколько заземлений. Заземления в различных частях системы, связанных длинным кабелем, будут иметь различный потенциал, поэтому ток заземления будет проходить по соединительному кабелю. В отсутствие изоляции этот ток может создать дополнительные шумы, ухудшить качество канала или даже вывести из строя компоненты системы.
Токи, наводимые в длинных кабелях в условиях промышленности, например, при включении и выключении мощных электромоторов, при электростатических разрядах или при разрядах молнии, могут вызвать быстрые изменения потенциала заземления, величиной в сотни или тысячи вольт. При этом на информационный сигнал, передаваемый по каналу, накладывается высоковольтный импульс. При отсутствии изоляции этот высоковольтный импульс может нарушить передачу сигнала или даже вывести систему из строя. Подключение всех устройств, связанных общим интерфейсом, к одному заземлению сможет защитить систему от таких разрушающих воздействий, а изоляция устройств друг от друга позволяет избавиться от замкнутых «петлевых» заземлений.
3.5.10.1 Dc/dc преобразователи
DC/DC преобразователи предназначены для преобразования одного уровня напряжения в другой. Преобразователи, имеющие гальваническую изоляцию, можно использовать для питания элементов гальванической изоляции интерфейсов.
3.5.10.2 Реализация гальванической изоляции дискретного выхода модуля ввода-вывода sdx-09
Дискретные выходы в модуле ввода-вывода SDX-09 реализованы на твердотельных реле (Solid State Relay, SSR) CPC1035N и позволяют коммутировать на выходе до 300В с максимальным током нагрузки 100 мА. Управление дискретными выходами программное с помощью линий DOUTx (где x – (0..8) номер дискретного выхода). Подача логического нуля на линии DOUT приводит к замыканию контактов соответствующего дискретного выхода. При подаче нуля на вход P5 на диоде D56 появляется разность потенциалов, достаточная для его зажигания.
Рис. 48. Реализация гальванической изоляции дискретного выхода модуля ввода—вывода SDX-09.
Основными отличиями твердотельных реле от электромеханических являются:
Отсутствие электромагнитных помех в момент переключения. Высокое быстродействие.
Отсутствие дребезга контактов реле.
Высокое сопротивление изоляции между входом и выходом. Большое количество переключений, не менее 109 раз. Малое энергопотребление.
Рис. 49. Твердотельное реле CPC1035N
Термин: Развязка гальваническая
Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Гальваническая изоляция, как правило, применяется для решения одной из двух (или обеих) задач:
1. Обеспечение независимости сигнальной цепи (при подключении приборов и устройств) за счёт того, что гальваническая изоляция обеспечивает независимый контур тока сигнальной цепи относительно других контуров тока, возникающих при соединении приборов и устройств. Например, это может быть независимость цепи измерения от силовой исполнительной цепи. Независимость сигнальной цепи решает целый ряд проблем электромагнитной совместимости (ЭМС): улучшает помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует лучшей его совместимости с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка бывает как групповая (одна на несколько каналов измерения), так и поканальная (индивидуальная для каждого канала измерения).
2. Обеспечение электробезопасности при работе с оборудованием согласно ГОСТам на электробезопасность. Для электрического оборудования для измерения, управления и лабораторного применения применяют ГОСТ 12.2.091-2012, согласно которому определяют требования к стойкости изоляции (испытательному напряжению). Важно отметить, что гальваническая изоляция – это одна из технических мер обеспечения электробезопасности, поэтому требования к изоляции конкретной цепи всегда следует рассматривать в совокупности с другими мерами электобезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д.), принятыми в данном конкретном случае. В любом случае, испытательное напряжение изоляции, указанное в документации на оборудование, должно многократно превышать номинальные напряжения изолируемых цепей.
Следует отметить, что гальваническая развязка цепей может обеспечиваться разными техническими способами: трансформаторная (индуктивная) гальваноразвязка (трансформаторы, цифровые изоляторы на высокочастотном трансформаторном принципе), оптическая гальваноразвязка (оптроны, оптореле), ёмкостная гальваноразвязка (цифровые изоляторы на ёмкостном принципе), электромеханическая развязка (электромеханические реле). Эти способы отличаются не только очевидными эксплуатационными параметрами «по назначению», но и, например, менее очевидными параметрами обеспечения «степени независимости» изолируемых цепей. Например, обычный сетевой трансформатор питания может иметь межобмоточную ёмкость – тысячи пФ, в то время как оптрон – десятые доли пФ. Эта ёмкость гальваноразвязки существенно влияет на сквозные токи высокой частоты через гальваноразвязку и фактически определяет независимость изолируемых цепей для синфазного напряжения с высокой скоростью нарастания.
| Перейти к другим терминам | Cтатья создана: | 06.07.2014 |
| О разделе «Терминология» | Последняя редакция: | 26.07.2019 |
Примеры использования термина
Термин используется при описании электрических свойств входов и выходов измерительных приборов, исполнительных и интерфейсных устройств. Ниже приводим примеры измерительных приборов с гальванической изоляцией измерительных цепей.