ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ

 

Есть вопросы, решение которых на первый взгляд кажется очень простым. Однако на поверку часто оказывается, что без грамотного и кропотливого подхода к их разрешению не удается достичь заданных параметров и критериев работы устройств и систем. Одним из таких вопросов является осуществление заземления и гальванической развязки.

Рассмотрим устройство, в котором мы можем выделить аналоговый и цифровой блок (рис. 1). Конечно иногда, такое выделение может быть достаточно условным, но для большинства практических случаев оно не лишено смысла. Питание обоих частей устройство будем осуществлять от одного общего источника питания. Т. е. будут существовать два контура тока – контур тока питания цифрового модуля и контур тока питания аналогового модуля. Оба этих тока в конце концов будут протекать по общей земляной шине.

 

Рис. 1. Питание аналогового и цифрового блоков устройства

от общего источника питания

 

Можно сразу обратить внимание на разницу в характере изменения токов в этих контурах. Элементы цифровой части работают в ключевом режиме. В процессе работы цифрового блока число элементов с нулями и единицами на выходе (число замкнутых и разомкнутых ключевых элементов) различно. Ключевой режим работы определяет что ток, потребляемый ими от источника питания, меняется скачкообразно. Элементы аналогового блока работают в активном режиме и ток, потребляемый элементами этого блока от источника питания, меняется всегда плавно.

Сопротивление земляной шины всегда стараются сделать как можно меньшим, чтобы свести к нулю падение напряжения, которое будет возникать на ней за счет протекающих по ней токов. Однако практически это сопротивление будет иметь какое-то значение отличное от нуля и распределенное вдоль ее длины. Из-за этого на шине будет наблюдаться распределенное падение напряжения и потенциалы точек шины, удаленные от точки ее заземления, будут отличны от нуля. Скачкообразные изменения тока в шине будут приводить к скачкообразным изменениям распределенного падения напряжения вдоль нее.

Напряжения полезных сигналов, передаваемые от одного элемента аналогового блока к другому, будут определяться относительно потенциала той точки шины заземления, к которой они подключены. Появление скачкообразных изменений потенциалов на этой шине будет эквивалентно внесению в напряжение полезных сигналов помехи. Таким образом одни узлы схемы будут влиять на работу других узлов схемы. Особенно это влияние ощутимо для аналоговых узлов.

Помехи, которые передаются из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путём переноса электрического тока по общим для обеих цепей проводникам, в основном через общие участки цепей заземления или питания получили название кондуктивных. Основной механизм их появления описан выше. Связан он конечно не только с работой цифровых узлов. Источником кондуктивных помех являются генераторы, реле, тиристорные преобразователи, шаговые двигатели с импульсным питанием, мощные печи с ШИМ-управлением, а точнее – не сами устройства, а большие и меняющиеся токи в общих цепях питания этих устройств.

К подобным же результатам приводит и наличие электромагнитных наводок. Исходными источниками электромагнитного поля помехи могут быть радиомодем, радиотелефон, радиоретранслятор, радиостанция, сотовый передатчик на крыше здания, двигатель с искрящимися щётками, электросварочный аппарат, трамвай, люминесцентные лампы, тиристорный регулятор, компьютер, телевизионные и радиостанции, сотовые телефоны, молнии и др. Индуктивные электромагнитные помехи наводятся на всех проводящих предметах, которые в таком случае играют роль антенн. Мощность наведённой помехи зависит от площади контура, охваченного проводником, или от длины провода. Если такой антенной является линия питания или земляная шина, то помеха, наведённая в ней, кондуктивным путём может передаваться по ним и влиять на сигнальные цепи, вызывая поток ошибок в цифровых схемах или погрешность передачи сигнала в аналоговых.

Уменьшить такое взаимовлияние узлов друг на друга можно, если осуществлять их подключение к точке заземления с помощью отдельных шин. Такой способ осуществления заземления называют веерным. Т. к. в первую очередь нам необходимо уменьшить влияние цифровых узлов на аналоговые, то прежде всего делают отдельные шины заземления для цифровых узлов и аналоговых (рис.2). Такие шины принято называть соответственно цифровой и аналоговой землей.

 

Рис. 2. Веерная разводка земляных шин аналогового и цифрового блоков устройства

 

Подчеркнем, что решение о разделении шин заземления на аналоговую и цифровую не является обязательным для любого случая, а принимается лишь в тех случаях, когда можно хотя бы к какой-то мере конструктивно сгруппировать отдельно аналоговые и цифровые элементы, когда потребление цифровой группы (так бывает чаще) велико и существенно превышает потребление аналоговой. Набор обязательных требований зависит от требуемой точности измерений, мощности потребления узлов и от окружающей электромагнитной обстановки. Эти решения могут приниматься на разном уровне разводки шин. Например, при разводке проводников на печатной плате. Даже в некоторых БИС (например, АЦП) применяется такая раздельная разводка. И конечно на уровне разводки проводников на уровне блоков, например в электрическом шкафу.

Разработчики комплексных систем автоматики сталкиваются с заземлением чаще всего именно на уровне монтажа блоков, поэтому остановимся более подробно именно на таком примере. Т. к. заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, поэтому нижеприведенные примеры заземления условно разделены на «правильные» и «ошибочные». При этом «правильный» подход всегда дает меньший уровень помех, чем «неправильный».

На рис. 3 сделаны следующие «неправильные» соединения:

· заземление шкафов выполнено в разных точках, поэтому потенциалы их земель отличаются;

· шкафы соединены между собой, что создает замкнутый контур в цепи заземления;

· проводники аналоговой и цифровой земли в левом шкафу на большом участке идут параллельно, поэтому на аналоговой земле могут появиться индуктивные и емкостные наводки от цифровой земли;

· блок питания (точнее, его отрицательный вывод) соединен с корпусом шкафа в ближайшей точке, а не на клемме заземления, поэтому по корпусу шкафа течет ток помехи, проникающий через трансформатор блока питания;

· используется один блок питания на два шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;

· в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа. При этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки на все провода, проходящие вдоль его стен;

· в правом шкафу, в среднем ряду, аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков, что неправильно.

 

 

Рис. 3. Пример неправильного заземления шкафов с автоматики.

Цветными линиями выделены неправильные соединения.

GND – вывод для подключения заземленного вывода блока питания.

 

Перечисленные недостатки устранены для шкафов на рис. 4. Дополнительным улучшением разводки в этом примере было бы применение отдельного проводника заземления для наиболее чувствительных аналоговых модулей ввода. В пределах шкафа (стойки) желательно группировать аналоговые модули отдельно, цифровые – отдельно, чтобы при прокладке проводов в кабельном канале уменьшить длину участков параллельного прохождения цепей цифровой и аналоговой земли.

 

Рис. 4. Пример правильного заземления шкафов автоматики

 

Рассмотренный веерный способ заземления позволяет уменьшить взаимовлияние узлов друг на друга, но не исключает его полностью. Дело в том, что потенциалы точек подключения узлов к шинам все равно хоть на сколько-то будут отличаться от нуля и от друг-друга и между ними будут течь так называемые уравнительные токи, стремящиеся уменьшить эту разность потенциалов.

Наличие этих токов показывает, что взаимовлияние узлов друг на друга в какой-то степени при веерной системе заземления все же остается. Вместе с тем это показывает и то, что его можно полностью исключить только если мы предотвратим течение таких уравнительных токов. Это возможно только в случае если мы разорвем гальванические связи между узлами – т. е. осуществим между ними тем или иным образом гальваническую развязку. Гальваническая развязка узлов друг от друга означает, что их питание должно осуществляться от гальванически не связанных источников питания, а передача полезных (информационных, управляющих и пр.) сигналов от одного к другому осуществляться способами, исключающими гальваническую связь, например с использованием световых сигналов или явления электромагнитной индукции. На практике это приводит к использованию для передачи сигналов от узла к узлу оптопар и трансформаторов.

Оптопара состоит из двух элементов – один из них формирует световой поток, интенсивность которого зависит от уровня входного электрического сигнала, другой элемент, являясь приемником этого светового потока, формирует выходной электрический сигнал, зависящий от интенсивности потока (рис.5). Такими парами являются: светодиод-фотодиод или светодиод-фототранзистор, светодиод-тиристор. Сейчас используются оптопары, выполненные в интегральном исполнении. Оптоэлектронные микросхемы характеризуются полной электрической и конструктивной совместимостью с традиционными микросхемами. Достоинством всех оптопар является их конструктивная простота и компактность, главным недостатком – нелинейность (узкий диапазон линейности), которая препятствует их применению в цепях развязки аналоговых сигналов. Оптопары в основном используются для гальванической развязки цепей передачи дискретных сигналов.

 

 

Рис. 5. Диодно-диодная и диодно-транзисторная оптопары

 

Оптопары (или оптроны) характеризуются несколькими группами параметров. Первая группа характеризует входную цепь, вторая – выходную цепь, третья – объединяет параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохождения сигнала через оптопару как элемент связи (параметры передаточной характеристики), наконец, четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки, значения которых показывают, насколько приближается оптопара к идеальному элементу развязки. Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока.

Использование диодной оптопары не может дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

Транзисторные оптопары выгодно отличаются от диодных. Это проявляется прежде всего схемотехнической гибкости, состоящей в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в активном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей.

Тиристорные оптопары используются для коммутации сильноточных высоковольтных цепей.

Существуют системы гальванической опторазвязки с передачей сигнала от источника светового потока к его приемнику по оптоволоконному каналу.

Гальваническая развязка трансформаторного типа предполагает использование магнитоиндукционного элемента с сердечником или без него, напряжение на вторичной обмотке которого пропорционально напряжению на входе устройства (на первичной обмотке). Трансформаторы являются линейными устройствами, но работают только в цепях переменного тока. В системах управления приходится работать и с очень медленно меняющимися сигналами – фактически с сигналами постоянного тока (или сигналами, имеющими постоянные составляющие). Для возможности применения линейных трансформаторов для гальванической развязки в аналоговых цепях постоянного тока перед ними устанавливают модуляторы, а за ними – демодуляторы таких сигналов. При применении трансформаторной гальванической развязки необходимо учитывать следующие её недостатки:

· несущий сигнал может создавать помехи, влияющие на выходной сигнал развязки;

· полоса пропускания ограничена частотой модуляции развязки;

Общим недостатком трансформаторных развязывающих элементов является их конструктивная сложность, сравнительно большие габаритные размеры компонентов. Ответом на это стало появление технологий с использованием интегральных микротрансформаторов. Например, к таковыми относятся изоляторы цифрового сигнала семейства iCoupler фирмы Analog Devices. В одном корпусе микросхемы размещены три кристалла. На двух кристаллах, сделанных по технологии CMOS, реализованы схемы драйвера и приемника. Между ними находится микротрансформатор. Он состоит из плоских катушек, сделанных из золота и разделенных 20-микронным слоем полиамидной пленки. Эта полиамидная изоляция выдерживает напряжение 5 кВ в течение одной минуты. В одном корпусе выпускаются одноканальные и многоканальные (до четырех каналов) изоляторы.

Законченную линейку элементов гальванической развязки и повторителей сигналов для использования в системах промышленной автоматики представляют собой модули DSCL, DSCP и SCTP компании Dataforth. В зависимости от конструкции корпуса они предназначены для пайки, установки в сокет, на DIN-рейку или панель. Погрешность – не более ±0,2 %. Модули поставляются с предустановленным, изменяемым перемычками или конфигурируемым с персонального компьютера входным/выходным диапазоном сигналов. Питание осуществляется от источника выходной токовой петли или от источника переменного/постоянного напряжения. Диапазон рабочих температур от –25 до +65 ^оС.

Выше рассматривались элементы для развязки сигнальных цепей. Однако нельзя забывать, что развязка должна обязательно осуществляться и по цепям питания, по которым в гальванически не связанные узлы должна передаваться электрическая энергия. Для этого каждый гальванически не связанный блок можно питать от отдельного аккумулятора или отдельной батареи. Для этого их можно питать от выпрямителей и стабилизаторов, получающих напряжение от отдельных обмоток трансформатора. Наконец можно использовать преобразователи «постоянный ток-постоянный ток» – DC/DC-преобразователи, которые могут служить для преобразования одного уровня постоянного питающего напряжения в другой и обязательно осуществляют гальваническую развязку между входными и выходными цепями.

DC/DC-преобразователи широко выпускаются различными компаниями и отличаются друг от друга уровнями входных и выходных напряжений, а также мощностью. Например, компании XP Power, Peak Electronics, TRACOPOWER и др. выпускают такие преобразователи мощностью от 1 до 150 Вт в SIP, DIP и в специальных пластиковых и металлических корпусах со стабилизированным и нестабилизированным выходным напряжением.

Примером DC/DC-преобразователей, выпускаемых российскими компаниями может служить блок гальванической развязки компании ОВЕН БГР2(4)-24/24. Он предназначен для питания оборудования нестабилизированным напряжением постоянного тока 24 В. БГР представлен в четырехканальном и двухканальном исполнениях и в зависимости от этого формирует 4 или 2 изолированных друг от друга выходных напряжения 24 В с нагрузочной способностью выходов не более 40 мА. Габаритные размеры корпуса 36 × 90 ×58 мм. Устанавливается на DIN-рейку. Степень защиты корпуса (со стороны лицевой панели) IP20. Масса блока – не более 0,11 кг. Питание блока следует осуществлять от локального источника питания подходящей мощности, установленного в том же шкафу электрооборудования, в котором устанавливается блок.

Можно назвать и некоторые комплексные решения для осуществления гальванической развязки. Так, например фирмой Analog Devices разработано семейство приборов isoPower, которые являются развитием линии iCoupler. В приборах isoPower применяется та же технология с микротрансформаторами, но помимо передачи цифровых данных, в isoPower обеспечивается гальванически развязанная передача энергии (развязка по питанию) и имеются все необходимые ключевые схемы, выпрямители и стабилизаторы. Другими словами, в приборах семейства isoPower имеется встроенный DC/DC-преобразователь и при этом он вместе с каналами передачи информации представляет собой микросхему в корпусе SOIC-8.

Вернемся к рассмотрению практических случаев. Представьте, что у Вас к одной земляной шине в промышленных условиях подключены измерительные элементы, устройства автоматики и какие-то силовые установки (двигатели, инверторы и т. п.). Включение/выключение любой силовой установки, ее мощных элементов (ключей, тиристоров) будет приводить к скачкообразному изменению токов и потенциалов на земляной шине. Наверняка, это приведет к моментальным сбоям Вашей автоматики, ошибкам измерений, а возможно и к выходу из строя узлов с низким уровнем питающего напряжения. Избавиться от этого можно только гальванически развязав «внутренности» Ваших узлов от общей земляной шины. И чем «раньше» с точки зрения получения и обработки полезных сигналов Вы это сделаете, тем выше будет вероятность безотказной работы техники. Если Вы имеете некоторый измерительный канал, постарайтесь уже сам датчик включить без связи с землей, т. е. использовать датчики с дифференциальным выходом. В целом такие рассуждения будут определять место и способ реализации гальванической развязки в Вашей системе.

На самом деле гальваническая развязка играет еще одну роль, кроме рассмотренной. Элементы развязки фактически выступают в роли своеобразных предохранителей, останавливая на себе действие пробоя при случайном (аварийном) попадании высокого напряжения на цепи с низковольтным питанием. Например, при попадании высокого напряжения на вход измерительного канала «выгорит» все до элемента развязки, включая его входную цепь, но дальше, если высокое напряжение не превысит некоторого критического уровня, все будет целым.

Этот критический уровень напряжения связывают с понятием «напряжение изоляции», которое часто трактуется неправильно. Для описания характеристик изоляции используют несколько стандартов, но в описаниях устройств гальванической развязки не всегда даются на них ссылки. Поэтому понятие «напряжение изоляции» в описаниях приборов трактуется неоднозначно. Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идет о напряжении, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), в других случаях речь идет об испытательном напряжении (напряжение изоляции), которое прикладывается к образцу в течение от нескольких микросекунд до 1 мин. Испытательное напряжение может в несколько раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку напряжение, при котором наступает пробой, зависит от длительности тестового импульса.

Электрическая прочность изоляции отечественных средств автоматизации испытывается по ГОСТ 51350 или ГОСТ Р МЭК 60950-2002 синусоидальным напряжением с частотой 50 Гц в течение 60 с при напряжении, указываемом в руководстве по эксплуатации как «напряжение изоляции». При этом например, если испытательное напряжение изоляции составляет 2 500–3 000 В, то рабочее напряжение изоляции составит всего 300–500 В.

Подведем итог. Гальваническая развязка нужна для устранения взаимовлияния работы одних узлов на другие узлы, которое может возникать, если все они подключены к общей земляной шине, и обеспечения за счет этого бесперебойной нормальной работы узлов. Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи. Гальваническая развязка (изоляция) цепей является радикальным решением большинства проблем, связанных с заземлением, и ее применение фактически стало обязательным в системах промышленной автоматизации. Одной из характеристик различных узлов систем автоматики является указание о наличии гальванической развязки по входным и выходным цепям, а также указание напряжения изоляции.

Для применения гальванической развязки система автоматизации делится на автономные изолированные подсистемы, обмен информацией между которыми выполняется с помощью элементов гальванической развязки. Каждая подсистема имеет свою локальную землю и локальный источник питания. Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной защиты от помех.