Co to je „galvanické oddělení“ obvodů? A k čemu je to dobré?
Dva elektrické obvody jsou galvanicky oddělené, když nejsou vzájemně propojené ani v jednom bodě.
Co je a co není galvanické oddělení
Ukážeme si to na dvou obvodech s baterií a žárovkou, jeden je na napětí 12V, druhý na 24V. Nejčastější chybou je představa, že když mají oba obvody společnou jen zem, tak to nevadí, jsou oddělené, protože každá z baterií napájí výhradně tu „svou“ žárovku. To není pravda, toto NENÍ galvanické oddělení.
Aby mělo smysl hovořit o galvanickém oddělení, oba obvody nejen nesmí mít žádné vodivé propojení, ale i přes to by mělo mezi nimi docházet k přenosu energie, informace, nebo obojího. Jinak jsou samozřejmě takové obvody také galvanicky oddělené, ale spíše bychom je měli nazvat zcela nezávislé (což je i případ na prvním místě v obrázku nahoře, tam k přenosu energie ani informace nedochází).
Typickým prvkem, který se používá ke galvanickému oddělení, je relé. Cívka relé je zapojena do jednoho obvodu, kontakty jsou součástí druhého obvodu, mezi nimi není žádné vodivé spojení. K přenosu informace dochází: když proteče proud cívkou v prvním obvodu, kotva přitáhne a sepne kontakty v druhém obvodu.
Relé jako galvanické oddělení
Dalším typickým příkladem galvanického oddělení je transformátor. Jeho primární i sekundární vinutí nejsou nijak spojeny, takže jde o galvanické oddělení, ale když jedním vinutím prochází střídavý proud, přenáší se energie do druhého vinutí.
Pozor, ne každý transformátor galvanicky odděluje, někdy se primár a sekundár spojují jedním koncem přímo, přes rezistor nebo přes ochranný prvek (třeba transil). V takovém případě nejde o galvanické oddělení.
Transformátor jako galvanické oddělení
V digitální technice se často jako prvek pro galvanické oddělení dvou částí obvodu a současný přenos informace používá optický spojovací člen (optocoupler, opto-isolator). Součástí jednoho obvodu je LED, která je ve společném izilačním pouzdru s fotodiodou nebo fototranzistorem. Když se LED rozsvítí, světlo přenese informaci a fotodioda nebo fototranzistor sepne.
Optický spojovací člen
Každé galvanické oddělení má svou mez, svoje maximální izolační napětí, při němž se poruší. U relé se mez napětí udává málokdy a obvykle je to nejméně napětí, které je uvedeno u kontaktů. U síťových transformátorů, není-li uvedeno vyšší izolační napětí, můžeme počítat přibližně 600 V. Optické spojovací členy mívají typicky izolační napětí 2 nebo 4 kV.
Technicky je možné vytvořit galvanické oddělení mnoha různými způsoby, třeba i vysokofrekvenčním spojením dvou zařízení pomocí bluetooth, mechanickým spojením servo – nevodivé táhlo – spínač nebo potenciometr, hydraulickým spojením (olej v nevodivé hadici či trubce), pneumatickým spojením a podobně.
Kdy a proč se galvanické oddělení používá? Typicky jsou k tomu tyto důvody:
- Části obvodu jsou na různých potenciálech a nemohou být spojeny, protože by procházel proud. Obvykle je současně rozdíl potenciálů tak velký, že jiné řešení by vyšlo dráž nebo bylo nespolehlivé, nebo by nastal problém s různými potenciály při měření.
- Kvůli možnosti spojovat různé obvody paralelně nebo sériově podle potřeby bez nebezpečí, že dojde ke zkratu. Příklad: Má-li síťový napájecí zdroj galvanické oddělení, pak je možné vzít dva takové zdroje a spojit je sériově, tím získáme vyšší napětí nebo symetrické napětí. Pokud stejný zdroj má například záporný pól výstupu spojený s ochranným kolíkem sítě, pak není galvanicky oddělený a když se pokusíme spojit dva zdoje sériově, jeden z nich bude ve zkratu a zničí se.
- Kvůli bezpečnosti lidí, to se týká typicky lékařských přístrojů. U nich musí být galvanické oddělení od napájecí sítě a často se dokonce kvůli bezpečnosti volí raději napájení z akumulátorů, než jakékoli připojení k síti.
- Kvůli vzniku zemních smyček, které pak ztěžují nebo znemožňují komunikaci, měření v obvodu, nebo může obvod procházející proud zničit.
Poslední případ je velmi častý a vyžaduje vysvětlení.
Příklad: máme dva počítače, oba mají síťový zdroj a jeho zem je spojena s ochranným vodičem sítě. Oba počítače samostatně bez problémů fungují. Aniž by to bylo vidět na první pohled, oba počítače jsou tím galvanicky spojeny přes síť. Nyní oba počítače propojíme sériovou linkou (RS232, USB a podobně). Součástí propojovacího kabelu je u vodič spojující země počítačů, ty by přece měly být na stejném potenciálu, už přece byly propojeny přes síť. Jenže ono je to jinak, spojením kabelem jsme vytvořili smyčku, vlastně jeden velký závit cívky, která, ať chceme nebo ne, je v prostředí, kde je proměnlivé magnetické pole (třeba od síťových rozvodů v místnosti). Důsledkem je to, že v závitu (smyčce) se indukuje proud, a kde je proud a reálný odpor vodičů, tam je i napětí. Když tohle napětí bude srovnatelné s napětím, které používají signály na sériové lince, přestane komunikace fungovat. Když bude o něco větší, asi „vyhoří“ komunikační rozhraní nejméně v jednom z počítačů.
Čím je vzdálenost propojovaných zařízení větší a čím intenzivnější je elektromagnetické pole v okolí, tím je problém vzniku zemních smyček naléhavější. Tento případ nastává třeba v okamžiku, kdy programujemeze stolního PC (napájeného ze sítě) sériovou linkou mikrokontrolér PICAXE a ten je současně napájen ze samostatného síťového zdroje. Pro Arduino to platí úplně stejně.