Do czego służy separacja galwaniczna?
Niewielu z nas zdaje sobie sprawę z różnicy pojęciowej pomiędzy elektryczną izolacją a separacją sygnału. Izolacja jest tym, czym się wydaje - zdolnością do ochrony przed skutkami różnicy potencjałów. To potencjalnie groźne zjawisko może być indukowane wewnątrz systemu (np. z szyn zasilających silnika dużej mocy), lub z zewnątrz (dobrym przykładem są wyładowania atmosferyczne). Podawana przez producentów wartość napięcia probierczego izolacji jest zapewnieniem, że ich wytwory wytrzymają określoną różnicę potencjałów. Należy przy tym pamiętać, że izolacja nie ogranicza się do wnętrza przyrządu, a wyładowania i prądy upływu mogą wystąpić również na powierzchni obudowy, lub innych powierzchniach łączących zaciski i końcówki przewodów doprowadzających. Ochrona przed zanieczyszczeniami i wilgocią jest bardzo istotnym czynnikiem w utrzymaniu dobrej izolacji (jak też i separacji). Dobrze jest również mieć na uwadze fakt, że izolacja nie jest czymś danym na zawsze. Jeśli wytrzymała stres wywołany znaczną różnicą potencjałów jeden, lub kilka razy, nie oznacza to, że wytrzyma następnym razem. Kilka różnych efektów zachodzących w materiałach izolacyjnych podczas takiego stresu może prowadzić do degradacji ich właściwości.
Po tym przydługim wstępie postawmy tytułowe pytanie: do czego służy separacja sygnału? W skrócie - do zapobiegania zniekształceniu sygnału poprzez właściwą filtrację i tłumienie napięć wspólnych. Napięcia wspólne nie muszą przy tym osiągać wartości choćby zbliżonych do różnic potencjałów przed jakimi chroni izolacja aby zniekształcić sygnał. Izolacja w systemach kontrolno-pomiarowych może więc spełniać dwie role: chronić układy elektroniczne przed uszkodzeniem i pozwalać na zachowanie integralności sygnału pomimo obecności napięć wspólnych. Aby nie zagubić się słowach, posłużmy się rysunkiem.
Układ pomiarowy może albo mierzyć sumę napięcia pochodzącego od źródła sygnału i napięcia wspólnego (względem masy), albo próbować wyodrębnić sam sygnał użyteczny. Jeśli napięcie wspólne jest wolnozmienne i porównywalne do sygnału, do wyodrębnienia sygnału może wystarczyć różnicowa metoda pomiaru. Gdy jednak napięcie wspólne jest znacznie większe od sygnału użytecznego, lub jego pasmo częstotliwości zbyt szerokie, pomiar różnicowy jest znacznie utrudniony lub wręcz niemożliwy. Gdyby tylko można było oderwać część układu pomiarowego od masy... I tu właśnie wkracza separacja galwaniczna - odseparowany obwód wejściowy układu pomiarowego 'pływa' razem z napięciem wspólnym wobec reszty układu mierząc wyłącznie pożądany sygnał.
Jeśli napięcie wspólne jest niebezpieczne dla samej elektroniki lub obsługi, np. przy pomiarze prądu za pomocą bocznika umieszczonego w obwodzie wysokonapięciowym - galwaniczne odizolowanie stopnia wejściowego pełni również funkcję ochronną.
Separacja galwaniczna może też być przydatna gdy trudno zapobiec tworzeniu się wysokoomowych połączeń pasożytniczych pomiędzy zaciskami, co zostało omówione w krótkim artykule "Dlaczego należy używać separacji galwanicznej przy pomiarach temperatury".
W zastosowaniach separacji galwanicznej często spotykaną jest sytuacja, gdy napięcia wspólne są indukowane we
wspólnym dla układu pomiarowego i odbiornika sygnału przewodzie (np. masy). W tym wypadku napięciem wspólnym będzie dowolny sygnał pasożytniczy pochodzący od sprzężenia indukcyjnego, pojemnościowego, lub
galwanicznego z liniami sygnałowymi. Wartość takiego sygnału wspólnego na ogół zmienia się w czasie w sposób
nie skorelowany z zachowaniem sygnału użytecznego. Błąd pomiaru będzie oczywiście zależał od stosunku sygnału
użytecznego do napięcia wspólnego. Źródła napięć wspólnych i sposoby wnikania zakłóceń do
toru pomiarowego zostały omówione bardziej szczegółowo w tekście "Kiedy stosować izolację galwaniczną".
Układ pomiarowy w automatyce jest najczęściej rozproszony a na tor pomiarowy składają się przynajmniej:
czujnik, układ standaryzujący (przetwornik), odbiornik sygnału (np. wejście sterownika),
zasilacz i przewody łączące. Rozważmy sytuację przedstawioną na rysunku obrazującym pomiar temperatury za pomocą uziemionego termoelementu.
Na rysunku grubą kreską zaznaczono linie uziemienia w oddalonych od siebie częściach obiektu przemysłowego. W rzeczywistości, żadne punkty wspólnej linii uziemienia nie znajdują się na tym samym potencjale a efekt całkowity reprezentuje (zmienna w czasie) różnica potencjałów masy pomiędzy dwiema częściami układu. Przez linie sygnałowe i rezystancje wewnętrzne układu pomiarowego do masy utworzy się zamknięty obwód, przez który będą płynęły prądy pasożytnicze. Jeśli, jak to zwykle ma miejsce, jeden z przewodów sygnałowych stanowi linię odniesienia, połączoną bezpośrednio lub przez niewielką rezystancję z masą, to przejmie on większość prądów zakłócających. Do sygnału dodawać się będzie spadek napięcia na rezystancji linii odniesienia tworząc sygnał wspólny, którego amplituda może znacznie przekraczać wartość sygnału użytecznego a nawet stanowić zagrożenie dla elektroniki układu pomiarowego. Zastosowanie separacji galwanicznej w przetworniku, lub nawet odbiorniku wzmocnionego sygnału, jeśli przetwornik nie ma własnego połączenia z uziemieniem, pozwoli na przerwanie naszkicowanej na poprzednim rysunku linią przerywaną pętli masy.
Zastosowanie separacji w torze pomiarowym może też być istotne z powodu niskiej jakości separacji w zasilaczu. Współcześnie wykorzystywane zasilacze to na ogół zasilacze impulsowe, o znacznie większej sprawności niż tradycyjne zasilacze z transformatorami sieciowymi. O ile, ze względów bezpieczeństwa, zasilacze impulsowe muszą spełniać wymagania izolacji, o tyle separacja nie jest w nich doskonała. Oprócz wprowadzania własnych zakłóceń zasilacze impulsowe mają tę nieprzyjemną własność, że obie części bariery galwanicznej są w nich łączone dość dużą pojemnością (rzędu kilku nF), co prowadzi do prądów upływu rzędu setek µA (dla częstotliwości sieci energetycznej - dla wyższych częstotliwości prądy mogą być znacznie większe). Bez stosowania separacji w torze pomiarowym, pętla masy (dla prądów przemiennych) może się rozciągać poza zasilacz, do miejsca uziemienia linii zasilającej.
Niestety, z podobnym problemem można się też spotkać w przetwornikach, szczególnie tych z izolowanym zasilaniem. Producenci przetwornic prądu stałego (DC/DC) zwierają bowiem barierę galwaniczną znaczną (z punktu widzenia zagadnienia separacji) pojemnością. O ile postępowanie takie nie pogarsza własności izolacyjnych dla prądu stałego, szybkie zmiany potencjałów pomiędzy dwiema stronami bariery prowadzą do przepływu prądu a w efekcie do wprowadzania zakłóceń w tor pomiarowy. Z tego powodu odradzamy stosowanie amatorskich rozwiązań wykorzystujących gotowe przetwornice DC/DC. Dobrze jest również zdać się na sprawdzonych producentów separatorów i przetworników.
Na zakończenie poruszymy zagadnienie stosowania wspólnego dla kilku kanałów wejściowych poziomu odniesienia (masy). Mimo separacji od reszty układu pomiarowego wejścia niskosygnałowe o wspólnej masie będą bardziej narażone na zakłócenia niż pojedyncze wejście. Nawet w przypadku stosowania nieuziemionych czujników zdolność do wnikania zakłóceń przez sprzężenia indukcyjne i pojemnościowe jest zwielokrotniona przez zwiększenie długości i obszaru okablowania. (Zastosowanie więcej niż jednego uziemionego czujnika jest w zasadzie wykluczone.) Z drugiej strony, zespoły wejść o wspólnym poziomie odniesienia mają zwykle niską dokładność, więc wpływ zakłóceń jest mniej istotny.
Początek strony
Wstecz