Оборудование / Электроинструмент / Блоки питания, гальванические развязки, трансформаторы ... / Гальваническая развязка для осциллографа. И не только …

Приобретя современный осциллограф, сразу появилось множество интересных задач по измерениям. Изначально, ещё года три назад, хотелось протестировать бензогенератор и посмотреть, что там с синусоидой, и сравнить её с формой сигнала домашней сети. В то время у нас был советский осциллограф С1-55. Но лезть осциллографом в сеть, и просто так проверять нельзя, так как корпус прибора соединён с землёй. Значит, измерения необходимо проводить через гальваническую развязку. Иначе может быть беда. В лучшем случае, из негативных последний, что-нибудь сгорит, в худшем — шарахнет (и этот результат сложно предсказуем, можно и «ласты» склеить). Сейчас у нас осциллограф другой, намного современнее. Возможно, вышеуказанные измерения данный прибор предусматривает и без гальванической развязки, но рисковать ни им, ни собой не хочется. Так вот, чтобы обезопасить себя, осциллограф и подопытные устройства в будущем, мы займёмся изготовлением гальванической развязки.

Да начала немного теории. Гальваническая развязка это передача энергии и сигналов без электрического контакта между цепями. Основная цель гальванической развязки это защита оборудования и людей от поражения электрическим током. Бывает несколько видов гальванической развязки:

  • Трансформаторные;
  • Оптические: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи;
  • Радио: приемники, передатчики;
  • Звуковые: громкоговоритель, микрофон;
  • Ёмкостные: через конденсатор любой ёмкости;
  • Механические: мотор-генератор, реле.

В данной статье мы рассмотрим изготовление развязки трансформаторного вида, его ещё называют индуктивный. Это самый надёжный и простой способ решить вопрос развязкой по питанию, так как первичная и вторичная обмотки электрически изолированы друг от друга. То есть между ними нет контакта по которому мог бы пройти электрический ток (если только это не аварийный трансформатор, где присутствует пробой изоляции и имеется межвитковое замыкание). Передача электроэнергии осуществляется только при помощи индукции. Рассмотрим какими же достоинствами и недостатками обладает данный вариант исполнения гальванической развязки.

Достоинства:

  • Гарантированное электрическое изолирование от сети электропитания при сохранении передачи энергии и сигналов.
  • Простота изготовления. В случае необходимости, что для радиолюбителя, что для профессионала не возникнет ни каких сложностей при создании подобного устройства.
  • Как гальваническая развязка она выполняет свои функции на все сто процентов.
  • Конструкция имеет достаточно надёжное исполнение и при правильной эксплуатации очень долгий срок службы.

Что из недостатков стоит отметить, и насколько они для нашей задачи будут именно недостатками:

  • Масса-габаритные характеристики. Если гальваническую развязку не предполагается таскать с собой, то этим параметром можно смело пренебречь.
  • Трансформаторная развязка может работать только с переменным напряжением. Да, это именно так, и с этим не поспоришь. В нашем случае это то, что надо. Поэтому для нас это не принципиально.
  • Качество и форма сигнала с выхода передаётся на вход. Тут тоже для нашего случая можно найти положительный момент. Развязав гальванически сеть и измерительную часть прибора, мы можем безопасно выполнять измерения промышленной электросети. Данный момент подробно разберём ниже или в другой статье.
  • Частота модуляции гальванической развязки ограничивает частоту пропускания. Этот факт для нашего применения тоже не создаёт проблем.
    Так что нет тут для нашего случая недостатков.
 

Теперь перейдем к вариантам изготовления трансформаторной гальванической развязки. Покупку готового трансформатора или устройства намеренно не рассматриваем, так как это до банальности просто. Первый вариант изготовления. В зависимости от требуемой мощности гальванической развязки, подбираем соответствующий трансформатор. Для самоуспокоения, что мощности будет достаточно, рассчитываем параметры магнитопровода трансформатора. Расчёт можно выполнить при помощи онлайн калькулятора, перейдя по ссылке: Расчет трансформатора с броневым магнитопроводом. После рассчитываем количество витков в первичной и во вторичной обмотках. В этом же калькуляторе это с лёгкостью можно сделать. Далее наматываем обе обмотки. И в завершении, если требуется, оформляем устройство в корпус.

Второй вариант изготовления чуть проще, берётся готовый трансформатор. При помощи того же калькулятора выполняем расчёт вторичной обмотки для отдачи напряжения 220 вольт. Так же, здесь рассчитываем габаритную мощность магнитопровода. Если расчёт удовлетворяет, то удаляем вторичную обмотку и наматываем новую. В этом случае рекомендую намотать количество витков вторичной обмотки процентов на пять - восемь больше расчётного. Это на случай погрешности при вычислениях. Если что, лишнее можно будет отматать. После корректировки напряжения во вторичные обмотки, цель можно считать достигнутой.

Третий вариант изготовления гальванической развязки будет самый простой. Ничего мотать и рассчитывать (за исключением габаритной мощности) не придётся. О нём здесь расскажем в подробностях по ходу изготовления этого устройства. Для начала нам потребуется два совершенно одинаковых трансформатора. Принцип построения устройства заключается в том, что оба трансформатора включаются друг на встречу другу вторичными обмотками. Эта схема в кругах радиолюбителей именуется как перевертыши.

Трансформаторы мы добудем из блоков питания от какого-то телекоммуникационного оборудования.

galvanic_isolation_01.jpg

Вскрываем корпуса. Один из них будет корпусом нашего устройства. Внутри блока питания кроме самого трансформатора больше ничего нет. 

galvanic_isolation_02.jpg

Замеряем габаритные характеристики магнитопровода и выполняем расчёт габаритной мощности. Мощности в этих трансформаторах достаточно, каждый может отдать 150 ватт.

galvanic_isolation_0.jpg

Теперь демонтируем все детали и элементы. Параллельно прикидываем как лучше разместить два трансформатора в одном корпусе.

galvanic_isolation_03.jpg

Если разместить два трансформатора на одной плоскости, то это будет неправильным решением, так как в нижних частях передней и задней панелей не получится установить разъёмы и органы управления прибором. Поэтому решено один из трансформаторов закрепить вверх ногами. Для этого вырезаем две планки и подготавливаем места для сварки.

galvanic_isolation_04.jpg

Далее приступаем к разработке функционала устройства. Отсюда будут формироваться его передняя и задняя панели. Составляем схему устройства. 

galvanic_isolation_00.jpg 

Схема готова, теперь займёмся изготовлением передней и задней панелей. Передняя панель будет сделана из отдельного элемента, который в последствии установим на прибор. В задней — сделаем два отверстия для предохранителей и ещё выточим одно прямоугольное, для установки выходного сетевого разъёма. Процесс изготовления элемента передней панели и примерка её компонентов.

galvanic_isolation_05.jpg

galvanic_isolation_06.jpg

Разметка передней панели.

galvanic_isolation_07.jpg

Для охлаждения устройства с боку крышки корпуса предусмотрим большое отверстие, которое закроем специальной решёткой от вентилятора блока питания компьютера.

galvanic_isolation_08.jpg

Вентиляционное отверстие готово. Далее в основании корпуса с передней части мы полностью вырезали металл. Оставив только маленькие уголки, за которые будет крепиться новая передняя панель. После этого мы принялись за изготовление самой передней панели.

galvanic_isolation_09.jpg

galvanic_isolation_10.jpg

Примеряем детали корпуса друг к другу.

galvanic_isolation_11.jpg

Переднюю панель будем крепить при помощи четырёх втяжных заклёпок.

galvanic_isolation_12.jpg

Вид с обратной стороны корпуса.

galvanic_isolation_13.jpg

Как и полагается, все детали красим.

galvanic_isolation_14.jpg

Настал момент сборки.

galvanic_isolation_15.jpg

На заднюю панель установлены сетевые разъёмы и предохранители.

galvanic_isolation_16.jpg

В одном месте, где крепиться трансформатор винтом, зачищаем краску для хорошего контакта с массой корпуса.

galvanic_isolation_17.jpg

Далее вставляем в отверстия винты для крепления первого трансформатора и готовим к монтажу резиновые ножки.

galvanic_isolation_18.jpg

Ножки устройства наклеены.

galvanic_isolation_19.jpg

Теперь готовим к монтажу переднюю панель.

galvanic_isolation_20.jpg

Прикладываем элемент панели к корпусу и вставляем заклёпки.

galvanic_isolation_21.jpg

После монтажа элемента передней панели в неё устанавливаем выключатели и разъёмы.

galvanic_isolation_22.jpg

Далее приступаем к доработке и установке китайских индикаторов. Их планируем установить два. Верхний будет показывать напряжение на выходе гальванической развязки, он будет большим. А нижний будет показывать напряжение на выходе вторичной обмотки первого трансформатора. Этот индикатор будет маленький. Для нашей конструкции применены окошки от больших дисплеев, они здесь более гармонично смотрятся. В связи с этим индикатор из оригинального корпуса нужно извлечь и установить в новое окошко.

galvanic_isolation_23.jpg

Теперь готовим к сборке и установке нижний дисплей.

galvanic_isolation_24.jpg

Органы управления, разъёмы и дисплеи установлены.

galvanic_isolation_25.jpg

Далее устанавливаем первый трансформатор и осуществляем монтаж проводников от сетевого разъёма до первичной обмотки.

galvanic_isolation_26.jpg

Следующим шагом устанавливаем второй трансформатор и монтируем цепи выходного сегмента гальванической развязки.

galvanic_isolation_27.jpg

galvanic_isolation_28.jpg

galvanic_isolation_29.jpg

Для защиты вторичных обмоток необходимо предусмотреть предохранители. Для этого пришлось сделать печатную плату. Здесь будем использовать автомобильный тип предохранителей. В качестве их держателей, в плату впаяны автомобильные коннекторы.

galvanic_isolation_30.jpg

Теперь нужно подключить нижний индикатор. Поскольку найти вольтметр переменного напряжения на малые значения не удалось, то решено было использовать вольтметр для измерения постоянно напряжения, только включив его через диодный мост.

galvanic_isolation_31.jpg

Но не тут-то было. На этом этапе, при создании нашего устройства начались приключения. Китайский вольтметр постоянного напряжения при подключении его к диодному мосту почему-то напрочь отказывался работать. Он попросту не включался. Сложилось впечатление что вольтметр неисправен. Мы подключили его к лабораторному блоку питания, там он работает. Подключили его обратно к диодному мосту — не работает. Потом задумались, а вдруг он реагирует на то, что питание не совсем чистое и параллельно подпаяли конденсатор. Вольтметр заработал, но снова какая-то мистика. Он показывает завышенное напряжение. Должно быть 18 вольт, а он показывает 23 - 24 вольта. В общем, было еще несколько экспериментов, которые убили вольтметр. Создание устройства прервалось на месяц. Пришлось ждать, когда из китая приедет новый вольтметр. На этот раз я заказал модификацию большего размера. По габаритам ровно такой же, как и вольтметр переменного напряжения. Что самое интересное, и этот вольтметр вел себя точно так же как тот маленький. Он отказывался работать без конденсатора и также врёт на несколько вольт. Показывает больше чем в действительности. Что делать в этом случае мы так и не поняли. На этом эксперименты с подключением вольтметра прекратили, оставив разрешение данного вопроса на неопределенный срок. Пока это совсем не принципиально, главное, что он показывает наличие напряжения на клеммах и этого уже вполне достаточно. Если кто-то сталкивался с подобной ситуацией, напишите нам в чём проблема и как её разрешить?

galvanic_isolation_32.jpg

Собрав окончательно схему и включив прибор возник неподдельный интерес, а какой течёт ток во вторичной обмотке первого трансформатора? Благо дело автомобильные коннекторы позволяют быстро извлечь предохранитель и вместо него установить щупы мультиметра.

galvanic_isolation_33.jpg

Ток во вторичной обмотке составляет 2,7 ампера. Что не так уж и мало.

galvanic_isolation_34.jpg

Теперь проведём замеры выходного напряжения гальванической развязки. Параллельно сравним показания индикатора прибора и мультиметра.

galvanic_isolation_35.jpg

galvanic_isolation_36.jpg

galvanic_isolation_37.jpg

А теперь сравним, что показывает вольтметр, подключённый через диодный мост.

galvanic_isolation_38.jpg

На этом можно работы завершать. Устройство почти готово.

galvanic_isolation_39.jpg

galvanic_isolation_40.jpg

Осталось в крышку корпуса установить декоративную решётку. Её будем крепить при помощи втяжных заклёпок.

galvanic_isolation_41.jpg

Решётка установлена.

galvanic_isolation_42.jpg

Готовим крепёж крышки корпуса.

galvanic_isolation_43.jpg

Всё! Прибор собран!

galvanic_isolation_44.jpg

galvanic_isolation_45.jpg

В завершении этой части статьи подключим осциллограф через гальваническую развязку. Работает. Измерения мы проведём в следующей части. Также будет ещё доработка по части измерения напряжения вторичной обмотки первого трансформатора.

galvanic_isolation_46.jpg

И ещё один момент. Вес гальванической развязки составил 7 кг 930 г. И это без кабеля питания.

 

Написать комментарий

Максимальный размер загружаемого файла: 5 Мб