Izolacja galwaniczna czym jest?

Izolacja galwaniczna, separacja czy też bariera galwaniczna — jest to oddzielenie pomiędzy co najmniej dwoma częściami systemu elektrycznego uniemożliwiające bezpośredni przepływ prądu elektrycznego. Energia i informacje mogą być nadal wymieniane między odseparowanymi systemami. Jej główne zadanie to zapewnienie ochrony układów elektronicznych przed uszkodzeniem poprzez filtrowanie sygnałów oraz tłumienie napięć wspólnych.

Wysokie wymagania dotyczące bezpieczeństwa i niezawodności pracy systemów przemysłowych oraz trudne warunki ich pracy wręcz wymuszają stosowanie izolacji galwanicznej. Chroni ona użytkowników oraz układy elektroniczne przed działaniem wysokich napięć elektrycznych. Ograniczając pętle masy (przepływ prądu między urządzeniami komunikującymi się), poprawiamy integralność sygnału, a co za tym idzie kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia. Izolację stosuję się gdy przesyłamy informacje w systemach wykorzystywanych w wielu branżach, między innymi przemyśle, medycynie czy systemach BMS (Building Management System). Chcąc ochronić przed uszkodzeniem, elementy (urządzenia) w takich systemach, można galwanicznie odizolować każde z nich. W takiej izolowanej sieci, sygnały/dane są przekazywane pomiędzy urządzeniami bez bezpośredniego przepływu prądu między nimi. Pętla prądowa jest zminimalizowana.

Żeby dobrze zrozumieć rolę izolacji galwanicznej, należy dobrzez zrozumieć czym jest różnica potencjałów mas, a także napięcie wspólne.

Dlaczego stosujemy izolację galwaniczną?

Separacja ma na celu zapewnienie bezpieczeństwa przeciwporażeniowego. Dotyczy to przede wszystkim aparatury biomedycznej, gdzie stosowanie separacji 4 kV jest wymagane normą IEC 60601-1. Zabezpieczenie urządzeń przed uszkodzeniem, zwłaszcza w rozproszonych systemach i przy obiektach dużej mocy.

Izolacja galwaniczna i jej rola w kompatybilności elektromagnetycznej

Separacja galwaniczna ogranicza rozchodzenia się zaburzeń elektromagnetycznych. Stosowane zarówno w połączeniach pomiędzy urządzeniami będącymi elementami kompletnego systemu, jak i w obrębie pojedynczych urządzeń. W środowiskach charakteryzujących się występowaniem silnych zaburzeń elektromagnetycznych zastosowanie znajduje niepodatna na nie komunikacja światłowodowa. Zarówno przy znacznych odległościach, jak i również do separacji lokalnej.

Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe, a izolacja galwaniczna

Względy bezpieczeństwa przeciwwybuchowego – energia wyjściowa iskrobezpiecznych źródeł zasilania musi być ograniczona dla zapewnienia bezpieczeństwa przeciwwybuchowego.
Dopuszczalna pojemność i indukcyjność obciążenia źródła iskrobezpiecznego jest odwrotnie proporcjonalna do maksymalnego napięcia i prądu wyjściowego. W rozbudowanych systemach automatyki wymusza to potrzebę dzielenia systemu na osobne obwody iskrobezpieczne. Mniejsze podzielone systemy należy zasilać z oddzielnych źródeł. To z kolei narzuca konieczność stosowania separacji celem umożliwienia komunikacji pomiędzy tymi obwodami, jak również po spełnieniu odpowiednich wymagań pomiędzy obwodami iskrobezpiecznymi a nieiskrobezpiecznymi. Wymagania dotyczące iskrobezpieczeństwa zawarte są w normie PN-EN 60079-11:2012. Realizacja transmisji światłowodowej w strefie zagrożonej wybuchem definiują wymagania zawarte w normie PN-EN 60079-28:2010.

Test urządzeń i układów

Układy pomiarowe i testowe. W urządzeniach pomiarowych i testowych wielkości elektrycznych zasilanych z sieci elektrycznej stosuje się separację zasilania lub separacja wejść i wyjść pomiarowych. Oprócz względów z pozostałych punktów znacząco zwiększa to możliwości konfiguracji układu pomiarowego/testowego. Separacja pozwala na dołączanie wejść i wyjść urządzeń pomiarowych i testowych do dowolnych potencjałów. Przyjmowanie różnych potencjałów odniesienia, upraszcza wykonywanie pomiarów i testów. Co więcej, nawet umożliwia wykonanie pomiarów w stosunku do sytuacji, gdyby nie było takiej możliwości. Przykładem może być oscyloskop wyposażony osobną separację galwaniczną każdego wejścia.

Przez barierę izolacyjną możemy łączyć magistrale

Możliwość łączenia magistral. W celu zminimalizowania zniekształceń sygnału przesyłanego linią długą należy zapewnić jednorodność impedancji na całej jej długości oraz dopasowanie impedancji na jej końcach, co narzuca konieczność łączenia wszystkich urządzeń do wspólnej magistrali na jak najkrótszych odgałęzieniach. W zależności od przestrzennego rozmieszczenia elementów łączonych magistralą definiowaną specyfiką obiektu, rozległości tego obiektu oraz możliwości realizacji połączeń może to powodować niedogodności związane z jej prowadzeniem. Zastosowanie separacji pozwala przesyłać sygnał pomiędzy dwiema osobnymi pod względem elektrycznym magistralami w dowolnym ich miejscu. Liczba takich „rozgałęzień” możliwych do zastosowania w jednym systemie jest jednak ograniczona i zależy głównie od zależności czasowych, a przede wszystkim od dopuszczalnych opóźnień. Jest to uwarunkowane zastosowanym standardem transmisji, wykorzystywanymi protokołami i szybkością przesyłania danych. Poniżej przedstawiłem przykład typowej
topologii magistrali oraz magistrali rozgałęzionej
przy wykorzystaniu separacji.

Realizacja zasilania czy też komunikacji pomiędzy blokami znajdującymi się na obiektach poruszających się względem siebie. Rozwiązanie to jest wykorzystywane zwłaszcza w tych przypadkach, w których nie jest możliwe zastosowanie ruchomych, giętkich połączeń przewodowych, na przykład w komunikacji pomiędzy blokami wykonującymi nieograniczony w czasie ruch obrotowy względem siebie. W zależności od rozwiązania przesyłanie energii i/lub informacji może mieć miejsce w każdym, lub tylko w określonych położeniach obiektów ruchomych względem siebie.

Napięcie wspólne

Układ mierzący może albo mierzyć sumę napięcia pochodzącego od źródła sygnału i napięcia wspólnego (względem masy), albo próbować wyodrębnić sam sygnał użyteczny. To właśnie ten sygnał nas de facto interesuje. Jeśli napięcie wspólne jest wolnozmienne i zbliżone do mierzonego sygnału, to do wyodrębnienia sygnału może wystarczyć różnicowa metoda pomiaru. Gdy jednak mamy do czynienia z napięciem wspólne znacznie większym od sygnału użytecznego lub jego pasmo częstotliwości zbyt szerokie. Pomiar różnicowy jest znacznie utrudniony lub wręcz niemożliwy. Sytuacji tej można uniknąć gdyby część mierząca układu pomiarowego była odłączona od masy. Odłączenie części sygnału pomiarowego jest możliwe dzięki tytułowej izolacji galwanicznej. Jeśli tor pomiarowy jest odseparowany od części zasilającej układu pomiarowego to powstaje masa pływająca GND_2(floating). Odseparowany obwód wejściowy układu pomiarowego „pływa” razem z napięciem wspólnym wobec reszty układu mierząc wyłącznie pożądany sygnał.

Izolacja galwaniczna stanowi bardzo dużą rezystancję (V_Riso = 10¹⁴ Ω). Porównując to do znacznie mniejszej rezystancji odbiornika (rzędu 10⁵ Ω), niemal całe napięcie wspólne V_CM odkłada się na barierze izolacyjnej (V_Riso ≈ V_CM). Eliminuje to wpływ sygnału wspólnego na odbiornik niemal całkowicie. Ponadto potencjał masy pływającej GND_2(floating) zmienia się wraz ze zmianami napięcia wejściowego, zabezpieczając dodatkowo odbiornik przed przekroczeniem maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia wejściowego. Zasilanie odbiornika nie jest wrażliwe na zmiany napięcia wspólnego, gdyż GND_2(floating) jest poziomem odniesienia dla V_CC2-ISO. Taki sposób separacji znacząco zwiększa bezpieczny dla odbiornika zakres CMVR (Common mode voltage range), zapewniając ochronę przed ewentualnymi skutkami wystąpienia zbyt wysokiego napięcia w liniach transmisyjnych.

Różnica potencjałów mas oraz pętla masy

GPD ang. ground potential differences.

Urządzenia elektryczne, które zasilamy z sieci energetycznej, powodują przepływ prądu przez wspólną impedancję uziemienia. Wynika to z tego, że potencjały uziemiania urządzeń nie są na tym samym poziomie eklektycznym. W rzeczywistości, żadne punkty wspólnej linii uziemienia nie znajdują się na tym samym potencjale. Efekt całkowity reprezentuje (zmienna w czasie) różnica potencjałów masy pomiędzy dwiema częściami układu.

Można to rozumieć, że masa masie nie jest równa. Skutkuje to wymuszeniem przepływu prądów wyrównawczych, które tworzą pętle prądowe. Na rysunku grubą kreską zaznaczono linie uziemienia w dwóch oddalonych częściach obiektu przemysłowego. Przez linie sygnałowe i rezystancje wewnętrzne obu części układu do masy utworzy się zamknięty obwód, przez który będą płynęły prądy mogące uszkodzić wewnętrzne elementy elektroniczne. Jeśli jeden z przewodów sygnałowych stanowi linię odniesienia, połączoną bezpośrednio lub przez niewielką rezystancję z masą, to przejmie on większość prądów zakłócających. A więc ochroni częściowo wnętrze układu. Nadal jednak do sygnału dodawać się będzie spadek napięcia na rezystancji linii odniesienia. Linia ta natomiast, wraz z uziemieniem utworzy tzw. pętlę masy.

Izolacja galwaniczna pozwala przerwać pętlę masy, niwelując negatywne efekty różnicy potencjałów mas, oraz częściowo zmniejsza sprzężenie indukcyjne z zewnętrznymi polami magnetycznymi. Celem uniknięcia indukowania prądów zakłócających w liniach sygnałowych, Powszechne jest stosowanie skrętki. Splecenie przewodu sygnałowego razem z przewodem odniesienia zmniejsza do minimum wpływ pola magnetycznego (dzieląc powierzchnię, przez którą przenika pole magnetyczne na wiele mniejszych o różnej orientacji).

Izolacja galwaniczna w RS-485

Stosowanie separacji galwanicznej w instalacjach RS485 umożliwia łączenie odległych urządzeń, których różnica potencjałów mas (GPD) może wynosić nawet kilka kilowoltów. Jest to możliwe dzięki stosowaniu specjalnych odseparowujących transceiverów. Dzięki nim sygnał przekazywany oraz masy urządzeń nie są połączone elektrycznie. Zapobiega to przepływowi prądu pomiędzy masami komunikujących się systemów, co zapobiega tworzeniu się pętli prądowych.

Co więcej, wysokie wymagania dotyczące bezpieczeństwa i niezawodności pracy systemów przemysłowych oraz trudne warunki ich pracy wręcz wymuszają by, izolacja galwaniczna była obecna w łączeniu systemów. Chroni ona użytkowników oraz układy elektroniczne przed działaniem wysokich napięć elektrycznych. Ograniczając pętle masy (przepływ prądu między urządzeniami komunikującymi się), poprawiamy integralność sygnału, a co za tym idzie kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia. RS485 stosuje się powszechnie do realizacji połączeń między urządzeniami w wielu branżach, takich jak przemysł, medycyna czy systemy BMS (Building Management System). Chcąc ochronić przed uszkodzeniem, elementy (urządzenia) w takich systemach, można galwanicznie odizolować każde z nich. W takiej izolowanej sieci, sygnały/dane są przekazywane pomiędzy urządzeniami bez bezpośredniego przepływu prądu między nimi. Pętla prądowa jest zminimalizowana.

Co wpływa na napięcie na wejściu RS485

Chcąc dobrze zrozumieć kluczową rolę izolacji, cofnijmy się do sytuacji połączenia urządzeń w sieci RS485 bez izolacji galwanicznej. Na rysunku poniżej zaznaczono wszystkie parametry wpływające na rzeczywistą wartość napięcia sygnału na wejściu odbiornika.

• V_OC – napięcie wyjściowe nadajnika
• GPD – różnicę potencjałów masy
• V_N – zakłócenia w kanale transmisyjnym.

Rzeczywiste napięcie na wejściu odbiornika jest sumą wymienionych napięć:

V_CM = V_OC + GPD + V_N.

Sygnał wychodzący z nadajnika jest różnicowy względem sygnału wspólnego wynoszącego V_OC = V_CC/2. Napięcie wyjściowe na liniach nadajnika wynosi odpowiednio V_A = V_CC/2 ± V_D/2 oraz V_B = V_CC/2 ± V_D/2.

• V_D  przesyłane dane.

Odbiornik odbiera sygnał różnicowy — wyznacza różnice napięcia linii A względem B. Ponieważ sygnał wspólny, czyli potencjalne zakłócenie, pojawia się w obu liniach, w rezultacie sam się kompensuje:

• V_N – V_N = 0.

Daje to odporność na zakłócenia. Jednak odbiornik mierzy napięcia względem masy. Jeśli więc napięcie wspólne przekroczy dozwolony zakres CMVR, może to nie tylko spowodować błędną pracę odbiornika, ale również jego uszkodzenie. 

Napięcie występujące pomiędzy sygnałami linii danych A i B interfejsu RS-485 nazywany napięciem wspólnym. Dozwolony zakres napięcia sygnału wspólnego CMVR (Common mode voltage range) wynosi od -7 V do +12 V.

Zwiększenie zakresu CMVR

Separacja galwaniczna odbiornika zabezpiecza układ przed taką sytuacją, gdyż znacząco zwiększa zakres CMVR. Izolacja musi obejmować zarówno linie zasilające, jak i transmisji danych. Do izolacji linii zasilania oraz masy wykorzystuje się przetwornicę DC-DC, natomiast do izolacji linii danych stosuje się izolatory cyfrowe. W układzie izolowanym dalej występuje różnica potencjałów (GDP) pomiędzy dwoma punktami uziemienia GND₁ oraz GND₂. Bariera izolacyjna eliminuje bezpośredni przepływ prądu pomiędzy tymi punktami, natomiast w obwodzie odbiornika powstaje masa pływająca GND_2(floating).

Bariera izolacyjna stanowi bardzo dużą rezystancję (V_Riso = 10¹⁴ Ω). Porównując to do znacznie mniejszej rezystancji odbiornika (rzędu 10⁵ Ω), niemal całe napięcie wspólne V_CM odkłada się na barierze izolacyjnej (V_Riso ≈ V_CM). Eliminuje to wpływ sygnału wspólnego na odbiornik niemal całkowicie. Ponadto potencjał masy pływającej GND_2(floating) zmienia się wraz ze zmianami napięcia wejściowego, zabezpieczając dodatkowo odbiornik przed przekroczeniem maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia wejściowego. Zasilanie odbiornika nie jest wrażliwe na zmiany napięcia wspólnego, gdyż GND_2(floating) jest poziomem odniesienia dla V_CC2-ISO. Taki sposób separacji znacząco zwiększa bezpieczny dla odbiornika zakres CMVR, zapewniając ochronę przed ewentualnymi skutkami wystąpienia zbyt wysokiego napięcia w liniach transmisyjnych.

Warto zwrócić uwagę, że izolowany interfejs RS-485 wymaga separowania, poza liniami danych (TxD i RxD), również linii sterujących kierunkiem przepływu danych (RE oraz DE).

W przypadku połączenia point-to-point (tylko dwóch modułów) rozwiązaniem wystarczającym jest izolacja tylko jednego z węzłów magistrali. Nie ma potrzeby izolowania drugiego węzła sieci. Znaczenie częściej spotyka się sieci multi point (wielopunktowe), gdzie powszechną praktyką jest separacja galwaniczna każdego modułu. Upraszcza to proces projektowania układów oraz produkcji płytek drukowanych.

Izolacja galwaniczna a układy separujące

Na rynku znajdziemy mnóstwo dedykowanych układów separujących pod konkretny interfejs komunikacyjny (oczywiście również RS485). Zapewniają one izolację wielokanałową — linii danych i zasilania. W izolację galwaniczną wyposażone są również niektóre modele transreciverów (układów nadawczo-odbiorczych). Co więcej, takie gotowe rozwiązania poza izolacją galwaniczną, często zapewniają ochronę ESD linii sygnałowych. Pozwala to zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej oraz skrócić czas projektowania systemu.  Układy te często bazują na technologii gigantycznej magneto rezystancji (GMR), dzięki czemu zapewnia ochronę przed napięciami rzędu 2,5 kV.

Sygnał wejściowy steruje uzwojeniem pierwotnym, dzięki czemu wytwarza pole magnetyczne zmieniające rezystancję rezystorów GMR. W takim izolatorze umieszcza się cztery rezystory w układzie mostka Wheatstone’a. Napięcie wyjściowe mostka zależy od zmian pola magnetycznego generowanego przez uzwojenie pierwotne. Przewagą izolatorów opartych na technologii GMR w porównaniu do rozwiązań pojemnościowych oraz indukcyjnych jest mniejsze zużycie energii. Nie wymagają modulacji sygnału wejściowego i zapewniają dużo niższy poziom emisji elektromagnetycznej. Z powodu braku modulacji sygnału są również, znacznie bardziej odporne na działanie zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych. Pozytywnie wpływa to na kompatybilność elektromagnetyczną całego urządzenia.

Bardzo często w rozwiązaniach przemysłowych zastosowanie izolacji galwanicznej narzucają regulacje prawne czy też standardy danego typu rozwiązań. Podsumowując separacja galwaniczna znacząco zwiększa odporność magistrali RS-485 na zakłócenia oraz awarie elektryczne. Poprawia Bezpieczeństwo urządzeń oraz użytkowników przed zbyt wysokim napięciem, które może pojawić się w układzie z przyczyn losowych.

Przetworniki i układy dostępne w naszym sklepie posiadają izolowane porty RS485 i USB. Można więc je stosować w rozwiązaniach wymagających izolacji galwanicznej/

---

Izolacja galwaniczna, a izolacja elektryczna

Izolacja galwaniczna bywa mylona z elektryczną izolacją, która jest zdolnością ochrony przed skutkami różnicy potencjałów. Duże wartości różnicy potencjałów mogą być groźne zarówno dla całego systemu jak i osób mających z nim kontakt. Jej źródło stanowić może efekt indukowania z wewnątrz systemu, np. szyn zasilających silnik dużej mocy lub zewnątrz: wyładowania atmosferyczne. Poziom, do jakiego urządzenie może wytrzymać określoną różnicę potencjałów, określa się poprzez napięcie probiercze izolacji.

Izolacja elektryczna nie ogranicza się do wnętrza przyrządu, a wyładowania i prądy upływu mogą wystąpić również na powierzchni obudowy, lub innych powierzchniach łączących końcówki i zaciski przewodów doprowadzających. Bardzo istotnym czynnikiem w utrzymaniu dobrej izolacji (oraz separacji) jest ochrona przed zanieczyszczeniami i wilgocią. Należy mieć na uwadze, że izolacja nie jest parametrem permanentnym. Jeśli wytrzymała stres wywołany różnicą potencjałów jeden, lub kilka razy, nie oznacza to, że wytrzyma kolejnym razem. Różne efekty zachodzące w materiałach izolacyjnych podczas takiego stresu mogą prowadzić do degradacji ich właściwości.

Izolacja galwaniczna — kiedy stosować?

Izolację galwaniczną należy stosować w portach komunikacyjnych urządzeń przemysłowych niemal zawsze. Jej zastosowanie wymuszone jest wysokimi wymaganiami bezpieczeństwa i niezawodności pracy systemów przemysłowych oraz trudne warunki ich pracy.  Izolację galwaniczną stosujemy do oddzielenia peryferiów komunikacyjnych, do których podłączamy linie przesyłające dane;

• porty USB,
• RS-232,
• RS-485,
• Ethernet itp.

Barierę galwaniczną należy zapewnić również do oddzielenia części obwodu znajdującego się na niebezpiecznym dla pozostałej części obwodu lub obsługi potencjale. Przykładem może być separowanie zasilania urządzenia od sieci energetycznej.

Barierę należy stosować, gdy co najmniej dwa układy elektryczne wymieniają informacje, bądź energię, ale ich masy elektryczne są na różnych potencjałach.

Ogólne zasady

W sytuacji gdy przewody sygnałowe znajdują się w sąsiedztwie kabli zasilających, innych przewodów czy też powierzchni pod napięciem. Znajdują się wtedy w polu elektrycznym, które może zaindukować w nich ładunki eklektyczne — dochodzi wtedy do sprzężenia pojemnościowego. Ochronę przed sprzężeniem pojemnościowym jest ekranowanie przewodów sygnałowych — ekran znacząco obniża wpływ zewnętrznego pola elektrycznego.

Ekranowanie jest jednak dość drogą metodą niwelowania efektu zewnętrznych pól w przekazywanych sygnałach. Jako metodę alternatywną stosuje się zasadę oddzielnego prowadzenia przewodów sygnałowych — z daleka od wszelkich przewodów i powierzchni przewodzących pod napięciem. Pojemności rozproszone pomiędzy przewodami sygnałowymi i liniami zasilającymi powodują powstawanie zakłóceń dodających się do sygnału, a sprzężenie indukcyjne powoduje zakłócenia. W przypadku stosowania skrętki w przewodach sygnałowych wpływ zakłóceń jest niemal symetryczny. Jeśli zastosujemy izolację galwaniczną, uzyskujemy skuteczną metodę eliminacji tych zakłóceń.

Izolacja galwaniczna może chronić wejścia i wyjścia elementów systemu automatyki tylko przed napięciami wspólnymi (i tylko do pewnego poziomu). Napięcia różnicowe w liniach sygnałowych mogą stłumić jedynie odpowiednie zabezpieczenia nadnapięciowe. Niestety, największy wpływ w awariach urządzeń elektronicznych, w tym także elementów systemów kontrolno-pomiarowych, mają przepięcia powstałe podczas:

• Procesów łączeniowych,
• przełączanie urządzeń i maszyn o dużych mocach elektrycznych
• zwarcia w sieci energetycznej.

Ich efektem są zakłócenia o bardzo szerokim paśmie częstotliwości i dużej amplitudzie. Ich sposób propagacji jest taki sam jak w przypadku zakłóceń wolnozmiennych. Z tej przyczyny chcąc dobrze zabezpieczyć urządzenie, poza izolacją galwaniczną, wejścia i wyjścia urządzeń powinny być dodatkowo zabezpieczone poprzez odpowiednie ograniczniki przepięć. Na rysunku poniżej widzimy realizacje izolowanego portu RS-485. Układ ograniczników oznaczono jako element D3.

tel: +48 518 459 388
norbert.szymczyk@ntronic.pl