Гальваническая развязка — это принцип изоляции функциональных секций электрических систем для предотвращения протекания тока; прямой путь проводимости не допускается. [1] [2]
Обмен энергией или информацией между секциями может осуществляться другими способами, такими как емкостная , индуктивная , радиационная , оптическая , акустическая или механическая связь.
Гальваническая развязка используется там, где две или более электрических цепей должны сообщаться, но их заземления могут иметь разные потенциалы . Это эффективный метод разрыва контуров заземления путем предотвращения протекания нежелательного тока между двумя устройствами, имеющими общий заземляющий проводник . Гальваническая развязка также используется для обеспечения безопасности, предотвращая случайные удары током .
Трансформаторы, вероятно, являются наиболее распространенным средством гальванической развязки. Они почти повсеместно используются в источниках питания, поскольку являются зрелой технологией, которая может переносить значительную мощность. Они также используются для изоляции сигналов данных в Ethernet по витой паре . [3] Трансформаторы соединяются магнитным потоком . За исключением автотрансформатора , первичная и вторичная обмотки трансформатора электрически не соединены друг с другом. Разность напряжений, которая может безопасно применяться между обмотками без риска пробоя (напряжение изоляции), указывается в киловольтах отраслевым стандартом . То же самое относится к магнитным усилителям и преобразователям . В то время как трансформаторы обычно используются для повышения или понижения напряжения, изолирующие трансформаторы с коэффициентом 1:1 используются в основном в приложениях безопасности, сохраняя напряжение неизменным.
Если две электронные системы имеют общую землю, они не являются гальванически изолированными. Общая земля может не иметь нормального и намеренного соединения с функциональными полюсами, но может стать связанной. По этой причине изолирующие трансформаторы не обеспечивают полюс GND/земли .
Оптоизоляторы передают информацию путем модуляции света . Отправитель ( источник света ) и приемник ( фоточувствительное устройство ) электрически не соединены. Обычно они удерживаются на месте внутри матрицы прозрачного изолирующего пластика или внутри интегральной схемы . Оптическая изоляция, как правило, очень ограничена по мощности, но она может передавать очень высокоскоростные сигналы данных. Обычно используется для сигнала обратной связи в импульсном источнике питания, при этом фактическая мощность передается через высокочастотный трансформатор.
Конденсаторы пропускают переменный ток (AC), но блокируют постоянный ток (DC); они емкостно связывают сигналы переменного тока между цепями, которые могут находиться или не находиться под разным постоянным напряжением.
Хотя изолированное питание обычно осуществляется с помощью трансформатора, его также можно осуществить с помощью конденсаторов и драйвера H-моста , когда ограничения по размеру и стоимости благоприятствуют конденсаторам. [4] Если конденсаторы используются для изоляции от цепей электропитания, они могут иметь специальные номиналы, указывающие, что они не могут выйти из строя при коротком замыкании, возможно, подключая устройство к высокому напряжению или представляя опасность поражения электрическим током. В идеале, когда требуется безопасность от поражения электрическим током, следует либо использовать другие средства изоляции вместо конденсаторов, либо правильно рассчитать его значение в соответствии со стандартами безопасности, поскольку через конденсатор всегда протекает ток в зависимости от его значения при подключении в любую цепь переменного тока в последовательной конфигурации.
Датчики Холла позволяют индуктору передавать информацию через небольшой зазор магнитным путем. В отличие от оптоизоляторов они не содержат источник света с конечным сроком службы, и в отличие от трансформаторного подхода они не требуют балансировки постоянного тока.
Магнитопары используют гигантское магнитосопротивление (ГМС) для преобразования переменного тока в постоянный.
В реле управляющий сигнал активирует катушку, которая создает магнитное поле, которое тянет электрически изолированный якорь с переключающими контактами. Переключающие контакты могут быть нормально замкнутыми (размыкающимися, когда катушка находится под напряжением) или нормально разомкнутыми (замыкающимися, когда катушка находится под напряжением). Реле не передают мощность, как трансформатор, но относительно небольшая мощность катушки может управлять гораздо более мощной цепью, что делает их своего рода усилителем . Они очень широко используются для управления, где две стороны работают при разных напряжениях или иным образом требуют гальванической развязки. Большие реле могут коммутировать очень высокие токи, но они ограничены в скорости и надежности своей механической природой. Одним из все более распространенных применений является EVSE (оборудование электропитания транспортных средств), где реле высокой мощности активирует кабель питания только тогда, когда он надежно подключен к транспортному средству, и оба конца готовы передавать мощность.
Оптопары используются в системе для развязки функционального блока от другого, подключенного к электросети или другому высокому напряжению, для безопасности и защиты оборудования. Например, силовые полупроводники, подключенные к сетевому напряжению, могут переключаться оптопарами, управляемыми от низковольтных цепей, которые не должны быть изолированы для более высокого линейного напряжения.
Трансформаторы позволяют выходу устройства «плавать» относительно земли, чтобы избежать потенциальных контуров заземления. Силовые изолирующие трансформаторы повышают безопасность устройства, так что человек, прикоснувшийся к токоведущей части цепи, не будет иметь ток, протекающий через них к земле. Силовые розетки, предназначенные для питания электробритвы , могут использовать изолирующий трансформатор для предотвращения поражения электрическим током, если бритва упадет в воду, хотя прерыватель цепи замыкания на землю обеспечивает сопоставимую защиту для маломощных и высокомощных приборов.