В статье приводится описание основных видов изоляции и типовых задач, для решения которых необходимо использовать гальваническое разделение электрических цепей, рассматриваются плюсы и минусы различных технологий изоляции. Сделан вывод о необходимости всестороннего анализа при выборе того или иного вида изолятора при конструировании современных промышленных систем автоматизации.
Ключевые слова: гальваническая изоляция, оптопары, индуктивные (трансформаторные) изоляторы, цифровые изоляторы.
Широкое внедрение средств автоматизации в современной промышленности подразумевает все более разветвленное и сложное взаимодействие измерительных, управляющих и силовых приборов в рамках различных технологических процессов. Как следствие, вопрос об уменьшении негативного влияния множества компонентов системы друг на друга представляется особенно актуальным.
Гальваническая изоляция средств автоматизации, как по питанию, так и по сигнальным линиям является одним из способов повышения общей устойчивости системы. Рассмотрим, что такое гальваническая изоляция, подробнее.
Рис. 1. Взаимодействие приборов без гальванической изоляции
На рисунке 1 показаны приборы и их взаимодействие без гальванической изоляции. Приборы в такой системе гальванически связаны как по постоянному току (через электропитание), так и с помощью информационных (управляющих) сигналов переменного тока. В низковольтных системах такое соединение средств автоматизации является безопасным. Но при появлении высокого напряжения в одной или нескольких частях системы гальваническая связь между приборами становится потенциально опасной.
Наличие высокого напряжения может вызвать существенную разницу потенциалов между различными частями системы, что в свою очередь приведет к появлению опасных для жизни оператора постоянных токов или к возникновению нежелательных переменных токов. Ясно, что в этом случае нужна гальваническая изоляция.
Гальваническая изоляция — это разделение общей электрической системы на ряд независимых друг от друга контуров протекания тока. Она предназначена для предотвращения свободного течения постоянного и нежелательного переменного токов между различными частями системы при сохранении возможности передачи информации и энергии между приборами. Данная ситуация отражена на рисунке 2.
Рис. 2. Взаимодействие приборов с гальванической изоляцией
Как было сказано выше, одной из главных причин необходимости использования гальванической изоляции в современных промышленных системах автоматизации служит обеспечение должного уровня безопасности обслуживающего персонала от повреждения электрическим током. Также изоляция нужна для защиты чувствительных узлов дорогостоящего оборудования от высоковольтных помех, возникающих, например, при переходных процессах во время пуска или остановки мощных потребителей электроэнергии.
Следующим важным фактором, обуславливающим применение гальванической изоляции, является наличие земляных петель в сложных системах, имеющих, как правило, большую протяженность кабельных линий. В таких распределенных по большой площади средствах автоматизации земляные потенциалы каждого из приборов могут различаться. Вследствие падения напряжения на длинных земляных проводах между приборами возникает паразитная связь с протеканием нежелательных токов.
Типичным примером, для которого важно равенство земляных потенциалов между приборами, является широко распространенный промышленный интерфейс RS-485. В данном интерфейсе определены физические уровни сигналов: минус 7В и плюс 12В. Оба этих уровня должны отсчитываться от общей земли. Однако в случае неравенства земляных потенциалов между приборами возможно нарушение целостности и достоверности передачи данных, что, очевидно, является недопустимым.
Также наличие земляных петель уменьшает помехозащищенность системы в целом, так как эти петли фактически являются антеннами для улавливания шумов и помех, например, от сети 50 Гц или от мощных импульсных переходных процессов, возникающих при работе сложной промышленной системы автоматизации. Для предотвращения негативного влияния данных процессов широко используются гальванические изоляторы с высоким коэффициентом подавления синфазных помех.
В целом изоляторы можно поделить на два больших класса: аналоговые и цифровые, каждый из которых представлен различными технологиями, имеющими свои плюсы и минусы. Классы изоляторов изображены на рисунке 3.
Рис. 3. Аналоговые и цифровые изоляторы
Так, к примеру, для изоляции аналоговых сигналов с различных датчиков или измерительных токовых шунтов применяются изолированные усилители и изолированные АЦП (аналого-цифровые преобразователи). Первые используются в системах с меньшими требованиями по точности. В случае же необходимости обеспечения повышенной точности выбор часто делается в пользу изолированных АЦП, в которых сигнал оцифровывается напрямую и тем самым исключаются ошибки, вызванные изолированным усилителем.
Цифровые изоляторы служат для изоляции либо дискретных сигналов (скажем, сигналов с концевых выключателей), либо различных интерфейсов связи между цифровыми устройствами, например, RS-485, I2C, CAN и так далее.
В промышленности применяются изоляторы, основанные на нескольких физических принципах работы: оптические, емкостные и индуктивные. Каждая технология использует диэлектрики с различной электрической прочностью, обуславливающей верхний порог пробойного напряжения, при превышении которого изолятор выходит из строя. Очевидно, что чем выше электрическая прочность диэлектрика, тем надежнее будет изолятор, и тем шире его потенциальное применение в ответственных участках системы.
Изоляторы, построенные на оптическом принципе — оптопары — состоят из входного излучающего диода, фотоприемника и выходного каскада. В качестве изоляционного барьера обычно служит воздух, смола или различные компаунды. Напряжение изоляции может достигать порядка 1...1,5 кВ, а максимальная частота обработки данных — от десятков кГц до десятков МГц. Существуют также и более быстрые оптоизоляторы, например, в высокоскоростных сетях Ethernet, но данная технология требует дорогостоящих излучателей и приемников.
Поскольку со временем происходит деградация фотодиодов (уменьшается коэффициент передачи по току), то в долгосрочной перспективе может пострадать целостность информационного обмена, что необходимо учитывать при проектировании систем, рассчитанных на длительный срок эксплуатации.
Индуктивные изоляторы используют высокочастотные трансформаторы, где в качестве диэлектрика служит полиимид. Данный тип трансформаторной развязки обладает более высокой скоростью передачи данных, повышенной электрической прочностью (до 2,5 кВ) и долговечностью по сравнению с оптоизоляторами.
Наконец, емкостные изоляторы, использующие в качестве диэлектрика диоксид кремния, являются на сегодняшний момент самыми высоковольтными (с напряжением изоляции до 5…6 кВ), скоростными и надежными среди рассмотренных выше типов изоляторов. Емкостные изоляторы используются для передачи цифровых сигналов. Передача данных через гальванический барьер осуществляется с помощью высокочастотной несущей, которую модулируют цифровые данные.
Часто производители емкостных цифровых изоляторов в дополнение к информационному каналу передачи данных включают в корпус микросхемы изолированный источник питания для приемника и передатчика. Данное техническое решение ведет к двум основным преимуществам.
Первое — уменьшается занимаемая изолятором и его обвязкой площадь на печатной плате, что в условиях постоянной миниатюризации устройств приобретает все большую актуальность. Второе — наличие двух гальванически развязанных источников питания позволяет избежать образование земляных петель, а также коммутировать части системы с различным уровнем напряжения, например, 1,8В и 3,3В.
Для повышения надежности передачи данных для цифровых изоляторов вводятся устойчивые логические состояния (логического нуля или единицы) в отсутствие входного сигнала или наступлении нештатной ситуации, например, просадки напряжения. А совершенствование схем модуляции передаваемых через гальванический барьер данных служит дальнейшему повышению надежности данного типа изоляторов.
Очевидно, что выбор подходящего типа изолятора определяется требованиями, предъявляемыми к проектируемой системе автоматизации, которые в свою очередь могут меняться в различных отраслях промышленности и регионах. Проектирование системы в части гальванической изоляции следует начинать с анализа международных, региональных и отраслевых стандартов. Обычно требования таких стандартов самые высокие. Затем необходимо проанализировать стандарты на компонентном уровне. В технической документации на изоляторы производители подробно указывают допустимые уровни напряжения и стойкость к воздействию помех.
Как правило, в сложных многоуровневых системах используются несколько видов изоляторов, каждый из которых на своем уровне оптимальным образом удовлетворяет требованиям по надежности, а также техническим и экономическим требованиям.
Литература:
- Герасимов, О. Н. Способ организации производственного контроля и диагностики РЭС с заданным уровнем остаточного ресурса / О. Н. Герасимов, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. 2016. № 1 (13). С. 94–98.
- Ембулаев, А. С. Структура интеллектуальной информационно-измерительной системы тестового контроля средств жизнеобеспечения машин управления специального назначения / А. С. Ембулаев, А. В. Затылкин, Д. А. Голушко // Современные проблемы теории машин. — Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2021. — № 12. — 29–32 с.
- Основы теории надежности электронных средств / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, С. Н. Полесский, И. А. Иванов, А. В. Лысенко // Пенза: Изд-во ПГУ, 2013 -100 с.
