Как сделать развязку индуктивных связей

Обновлено: 29.06.2024

Трансформатор представляет собой статическое устройство, служащее для преобразования числового значения переменного во времени напряжения, а также для электрического разделения цепей (гальванической развязки) и преобразования числового значения сопротивлений. В простейшем случае трансформатор состоит из двух электрически не связанных обмоток, расположенных на ферромагнитном сердечнике, выполняющем роль магнитопровода. Передача энергии из одной цепи трансформатора в другую происходит за счет явления взаимоиндукции. Трансформатор с ферромагнитным сердечником обладает нелинейными свойствами и будет рассмотрен нами позднее. здесь мы рассмотрим трансформатор без сердечника. Такие трансформаторы широко применяются в высокочастотной технике.

Пусть к одной обмотке трансформатора, которую называют первичной, приложено напряжение u1, а к зажимам другой – вторичной – подключен приемник.

При заданных параметрах первичного и вторичного контуров (рис.12.1) и заданном значении взаимоиндуктивности М и напряжения источника питания токи в контурах можно определить при помощи уравнений Кирхгофа. Обозначим активные сопротивления обмоток R1 и R2, а их индуктивности L1 и L2.

По второму закону Кирхгофа имеем:

При известных u1, параметрах трансформатора и приемника решая эту систему, можно найти токи и напряжение Полагая известными и найдем ток

1. Положив имеем:

и следовательно

Величина представляет собой комплексное входное сопротивление всей цепи, состоящей из трансформатора и приемника. Из его выражения следует, что при Zпр≠∞ эквивалентное активное сопротивление R больше R1.

Увеличение активного сопротивления связано с тем обстоятельством, что необратимые преобразования энергии во вторичном контуре происходят за счет энергии, передаваемой из первого контура, где имеется источник энергии. Поскольку для заданного значения тока активная мощность (определяющая необратимые потери) пропорциональна активному сопротивлению ( ), то поглощение энергии во вторичном контуре приводит к увеличению эквивалентного активного сопротивления всей цепи.

2. Эквивалентное реактивное сопротивление X может быть больше X1, если X11 0.

Полагая имеем

; (12.5)
(12.6)

Величины ΔR и ΔХ называют соответственно вносимым активным и реактивным сопротивлениями.

Перепишем уравнения трансформатора в виде:

Схема цепи, для которой данная система справедлива (рис.12.2).

Эта схема является эквивалентной схемой замещения линейного трансформатора. Степень магнитной связи контуров принято характеризовать величиной, которую называют коэффициентом связи..

Лекция 4. Четырёхполюсники и трёхфазные цепи.

4.1 Линейный пассивный четырехполюсник в синусоидальном режиме.

4.2 Наиболее употребляемые системы его параметров. Их расчет.

4.3 Простейшие схемы замещения.

4.4 Понятие характеристического сопротивления и постоянной передачи линейного пассивного четырехполюсника.

4.5 Трёхфазные сети, соединения трехфазных сетей.

4.1 Четырехполюсником называют электрическую цепь, имеющую два входных и два выходных зажима (трансформатор, линия электропередачи, усилитель и т.п.).

Графически четырехполюсник принято изображать в виде прямоугольника с выходящими из него концами (полюсами), как это показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Четырехполюсник

Четырехполюсник является передаточным звеном между источником и нагрузкой. При этом предметом исследования являются токи и напряжения на выводах четырехполюсника, а не внутри него. Выводы , к которым подключают источник, называют входными, а выводы , к которым подключают нагрузку – выходными, но возможно и обратное включение

Четырехполюсники можно классифицировать по различным признакам:

1. по характеру входящих в него элементов – линейные и нелинейные;

2. по схеме внутренних соединений – Г-образный; Т-образный; П-образный и др.

3. различают симметричный и несимметричный четырехполюсники.

Четырехполюсник является симметричным, когда перемена местами его входных и выходных зажимов не изменяет токов и напряжений в цепи, к которой он подключен.

Основной смысл теории четырехполюсников состоит в том, что, пользуясь некоторыми обобщенными параметрами четырехполюсника, можно было находить токи и напряжения на его входе и выходе.

Любая сложная электрическая цепь может быть представлена как совокупность составных четырехполюсников, соединенных по определенной схеме.

4.2 С истемы параметров четырёхполюсника

Для любого пассивного четырехполюсника напряжение и ток на входе Ú1, Í1 связаны с напряжением и током на выходе Ú2, Í2 уравнениями:


В этих уравнениях комплексные коэффициенты A, B, C, D зависят от схемы внутренних соединений четырехполюсника, от значений сопротивлений схемы и от частоты. Для каждого четырехполюсника их можно определить расчетным или опытным путем. Комплексные коэффициенты A,B,C,D можно определить по формулам, если известна схема внутренних соединений и ее параметры, либо используя входные сопротивления четырехполюсника, полученные расчетным или опытным путем. Так мы определяем эти коэффициенты в лабораторной работе № 3.

Коэффициенты связаны соотношением:


Такая форма записи уравнений носит название форма записи уравнений с А параметрами, или, коротко, А – формой. Здесь за известные величины принимают входное напряжение и входной ток , а рассчитывают и .

Известны ещё 5 форм записи уравнений четырёхполюсника:


В – форма:

Здесь за известные величины принимают входное напряжение и выходной ток , а рассчитывают и , то есть источник сигнала подключают к правым зажимам, а нагрузка – к левым зажимам 4х-полюсника (это обратное включение).


Y – форма:

Здесь за известные величины принимают входной ток и выходной ток , а рассчитывают и , где = - .


Н – форма:

Здесь за известные величины принимают входное напряжение и выходной ток , а рассчитывают и . Y – форма и Н – форма обычно используются для описания и расчёта характеристик транзисторов.


Z – форма:

Здесь за известные величины принимают напряжения и , а рассчитывают и .


G – форма:

Здесь за известные величины принимают выходное напряжение и входной ток , а рассчитывают и . Z – форма и G – форма редко используются на практике.


Заметим, что возможен пересчет коэффициентов из одной формы в другую. Таблицы коэффициентов и пример перевода приведены в , в подразделе полезные формулы при решении задания 3.

Анализ и расчет электрических цепей в ряде случаев упрощаются, если часть схемы, содержащую индуктивные связи, заменить эквивалентной схемой без индуктивных связей. Этот прием называют эквивалентной заменой, устранением или развязкой индуктивных связей.

Найдем схему без индуктивных связей, эквивалентную двум индуктивно связанным элементам цепи, присоединенным к общему узлу 3 (рис. 6-13, а). При этом учтем два возможных случая: когда в общем узле элементы цепи соединены одноименными зажимами и когда разноименными.

Введем дополнительную ветвь без сопротивления, соединяющую Индуктивно связанные элементы цепи с узлом 3 (рис. 6-13, б). В том случае, когда в узле 3 соединены только три ветви, введение такой дополнительной ветви не требуется.

Напишем выражения для напряжений между зажимами 1,3 и 2,3

Верхние знаки относятся к первому случаю (когда в узле элементы цепи соединены одноименными зажимами), а нижние — ко второму случаю. Этого порядка расположения знаков будем придерживаться и во всех последующих выражениях.

Пользуясь соотношением исключим из первого уравнения ток , а из второго уравнения ток , тогда получим.

Кроме того, имеем:

Эти три уравнения справедливы и для схемы, показанной на рис 6-14, которая, таким образом, и является искомой эквивалентной схемой без индуктивных связей.

Итак, при устранении индуктивной связи к сопротивлениям добавляется зажим 3 перестает быть узлом для ветвей 1 и 2, а между зажимом 3 и новым узлом 3 появляется элемент .

Если индуктивно связанные элементы соединены трехлучевой звездой или треугольником, то, применяя последовательно рассмотренный способ эквивалентной замены, можно перейти к схемам без индуктивных связей.

Развязка индуктивных связей в четырехлучевой звезде труднее, так как на промежуточном этапе получается схема, в которой индуктивно связанные элементы расположены в ветвях, не имеющих общего узла.

Две любые индуктивно связанные ветви, не присоединенные к общему также можно заменить эквивалентной схемой без индуктивной связи, однако эта схема в достаточной мере сложна и пользоваться ею нецелесообразно.

Пример 6-3. Найти входное сопоставление цепи (рис. 6-12), применив при решении эквивалентную замену индуктивных связей

Решение Учитывая, что индуктивно связанные элементы присоединены к узлу 3 разноименными зажимами, получаем эквивалентную схему, представленную на рис 6-15, для которой

Анализ и расчет электрических цепей в ряде случаев упрощаются, если часть схемы, содержащую индуктивные связи, заменить эквивалентной схемой без индуктивных связей. Этот прием называют эквивалентной заменой, устранением или развязкой индуктивных связей.


Рис. 6.13

Найдем схему без индуктивных связей, эквивалентную двум индуктивно связанным элементам цепи, присоединенным к общему узлу 3 (рис. 6.13, а), при этом учтем два возможных случая: 1) в общем узле элементы цепи соединены одноименными выводами и 2) разноименными.

Введем дополнительную ветвь без сопротивления, соединяющую индуктивно связанные элементы цепи с узлом 3 (рис. 6.13, б). Если в узле 3 соединены только три ветви, введение такой дополнительной ветви не требуется.

Напишем выражения для напряжений между выводами 1, 3 и 2, 3:


Верхние знаки относятся к первому случаю (в узле элементы цепи соединены одноименными выводами), а нижние - ко второму случаю. Этого порядка расположения знаков будем придерживаться и во всех последующих выражениях.


Рис. 6.14

Пользуясь соотношением , исключим из первого уравнения (6.14) ток , а из второго уравнения ток , тогда получим


Кроме того, имеем


Эти три уравнения справедливы и для схемы, показанной на рис. 6.14, которая, таким образом, и является искомой эквивалентной схемой без индуктивных связей.

Итак, при устранении индуктивной связи к сопротивлениям и добавляется , вывод 3 перестает быть узлом для ветвей 1 и 2, а между выводом 3 и новым узлом 3' появляется элемент .

Если индуктивно связанные элементы соединены трехлучевой звездой или треугольником, то, применив последовательно рассмотренный способ эквивалентной замены, можно перейти к схемам без индуктивных связей. Развязка индуктивных связей в четырехлучевой звезде труднее, так как на промежуточном этапе получается схема, в которой индуктивно связанные элементы расположены в ветвях, не имеющих общего узла.

Две любые индуктивно связанные ветви, не присоединенные к общему узлу, также можно заменить эквивалентной схемой без индуктивной связи, однако эта схема в достаточной мере сложна и пользоваться ею нецелесообразно.

Найти входное сопротивление цепи, применив при решении эквивалентную замену индуктивных связей.


Рис. 6.15

Учитывая, что индуктивно связанные элементы присоединены к узлу 3 разноименными выводами, получаем эквивалентную схему, представленную на рис. 6.15, для которой

В электронике и электротехнике используется большое количество схем, в которых требуется изолировать или отделить высокое силовое напряжение от низкого напряжения управляющих цепей. За счет этого создается своеобразная защита низковольтных устройств от влияния высокого напряжения. То есть, в таких цепях уже нет течения обычного электрического тока. В таких случаях, при отсутствии тока, между устройствами возникает большое омическое сопротивление, вызывающее разрыв цепи. Данную проблему успешно решает гальваническая развязка, с помощью которой убирается гальваническая связь между устройствами.

Принцип действия

Гальваническая развязка в соответствии со своей функцией известна также под понятием гальванической изоляции. Данные системы обеспечивают электрическую изоляцию конкретной цепи по отношению к другим видам цепей, находящихся рядом. Применение гальванических развязок дает возможность бесконтактного управления, обеспечивает надежную защиту людей и оборудования от поражения электротоком.

Гальваническая развязка

Благодаря своим особенностям, гальваническая развязка обеспечивает обмен сигналами или энергией между цепями, исключая при этом непосредственный электрический контакт. С ее помощью образуется независимая сигнальная цепь за счет формирования независимого контура тока сигнальной цепи по отношению к токовым контурам других цепей.

Гальваническая изоляция используется во время измерений в силовых цепях и в цепях обратной связи. Данное техническое решение обеспечивает также электромагнитную совместимость, усиливает защиту от помех, повышает точность измерений. Используемый блок гальванической развязки на входе и выходе каждого устройства способствует улучшению их совместимости с другими приборами в условиях сложной электромагнитной обстановки.

Для того чтобы лучше представить себе, что такое гальваническая развязка, можно рассмотреть ее действие на примере стандартного промышленного электродвигателя. На производстве в большинстве случаев используется значение питающего напряжения, значительно превышающее 220 вольт и представляющее серьезную опасность для обслуживающего персонала.


В связи с этим, подача тока на обмотки и включение двигателя осуществляется с применением специальных устройств, обеспечивающих коммутацию силовых цепей. В свою очередь, коммутаторы также управляются, чаще всего кнопками включение и выключения. Именно на этом участке и требуется развязка, защищающая оператора от воздействия опасного напряжения. Оно не попадает на пульт управления, благодаря механическому взаимодействию конструктивных элементов пускателя с магнитным полем.

В настоящее время данные системы используются в различных вариантах технических решений: индуктивные, оптические, емкостные и электромеханические.

Трансформаторная (индуктивная) развязка

Для того чтобы построить индуктивную развязку, следует использовать магнитоиндукционные устройства – трансформаторы. Его конструкция может быть с сердечником или без сердечника.


Оборудование цепей гальваноразвязкой индуктивного типа осуществляется с помощью трансформаторов, у которых коэффициент трансформации составляет единицу. К источнику сигнала подключается первичная катушка, а вторичная соединяется с приемником. На этом принципе гальванические развязки трансформаторного типа служат основой для создания магнитомодуляционных устройств.

Выходное напряжение, возникающее во вторичной обмотке, напрямую связано с напряжением на входе трансформаторного устройства. В связи с этим, индуктивная развязка имеет серьезные недостатки, почему и ограничивается ее применение:

  • Невозможно изготовить компактное устройство из-за существенных габаритных размеров трансформатора.
  • Частота пропускания ограничивается частотной модуляцией самой развязки.
  • Помехи, возникающие во входном сигнале, снижают качество сигнала на выходе.
  • Подобная трансформаторная гальваническая развязка может нормально работать только при наличии переменного напряжения.

Гальваническая развязка оптоэлектронного типа

С развитием высоких технологий, использующих полупроводниковые элементы, все более широкое распространение получают БГР – блоки гальванической изоляции на основе оптоэлектронных узлов. Их основой служат оптроны, известные среди электротехников в качестве оптопар, выполненных на основе диодов, транзисторов, тиристоров и других элементов, обладающих повышенной светочувствительностью.

Общая схема оптической части, связывающая источник данных с приемником, использует в качестве сигнала нейтральные фотоны. Благодаря этому свойству, выполняется развязка цепи на входе и выходе, а также ее согласование с входными и выходными сопротивлениями.


Когда используется оптоэлектронная схема, приемник совершенно не влияет на источник сигнала, поэтому сигналы могут модулироваться в широком частотном диапазоне. Данные устройства обладают компактными размерами, поэтому они часто используются в микроэлектронике.

В конструкцию оптической пары входит световой излучатель, проводящая среда для светового потока, а также приемник, преобразующий свет в электрические сигналы. Сопротивление на входе и выходе оптрона очень большое, прядка нескольких миллионов Ом.

Вначале входной сигнал попадает на светодиод, далее в виде света он по световоду попадает на фототранзистор. На выходе устройства данная схема создает перепад или импульс выходного электрического тока. В результате цепи, связанные с двух сторон со светодиодом и фототранзистором, оказываются изолированными между собой.

Принцип действия емкостной развязки

Нередко возникает вопрос, зачем нужны различные виды развязок, в том числе и емкостная развязка. Эта схема представляет собой систему, в которой между цепями отсутствуют связи через ток, землю и другие элементы.


В этом случае передача данных электрических цепей осуществляется с помощью переменного электрического поля. Изоляция цепей происходит за счет диэлектрика, расположенного между конденсаторными пластинами. Качество развязывающего конденсатора определяется свойствами диэлектрика, размером обкладок и расстоянием между ними. Данный вид изоляции обладает повышенной энергетической эффективностью, устройства на его основе отличаются незначительными размерами, способны передавать электроэнергию и не реагируют на внешние электромагнитные поля.

Нормальная работа устройств обеспечивается разделением частоты сигнала и помех. Таким образом, емкость оказывает рабочему сигналу совсем небольшое сопротивление, а для помех создает преграду.

Работа электромеханической развязки

Помимо уже перечисленных, существует электромеханический вариант развязки. Вопрос для чего он нужен, практически не возникает, поскольку устройства на этой основе широко применяются в электротехнике.


Основой таких приборов служит реле, соединяющее электрические цепи в результате каких-либо изменений входных данных. В итоге они оказываются развязанными, а сама система получила название релейной.

Наиболее ярким примером является схема электромагнитного реле. Эти приборы нужны для защиты электроустановок и в различных автоматических системах. Они разделяются на реле постоянного и переменного тока. Основным элементом считается якорь, которые под действием электромагнита и пружины осуществляет замыкание и размыкание контактов.

Принцип работы гальванического элемента


Что такое гальванический элемент

Диммер – что это, принцип действия светорегулятора, преимущества и недостатки, область применения, схема подключения устройства

Читайте также: