Гальваническая развязка для видеонаблюдения - VISTAGRUP.RU

Гальваническая развязка для видеонаблюдения

Гальваническая развязка для видеонаблюдения

А. Архипов, А. Кисельков, Е. Кочетков, к.т.н.
НПО «Защита информации»

В настоящее время в сегменте рынка приборов передачи видеоизображения по витой паре представлено множество моделей, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями. Многообразие оборудования, нередко завышенные технические параметры предлагаемых устройств, часто не понимание того, по каким критериям выбирать аппаратуру для конкретной системы наблюдения затрудняет приобретение необходимых приборов. Разумеется, все производители и продавцы стараются выделить свою продукцию по таким важным характеристикам как максимальная дистанция передачи или рабочий диапазон частот. Но в реальных условиях эксплуатации на первое место часто выходят такие параметры, как герметичность, диапазон рабочих температур, помехозащищенность, наличие дополнительных функциональных возможностей. Причем изучение «прайсов» различных компаний позволяет сделать вывод, что число передатчиков пригодных для уличных условий эксплуатации крайне невелико. Общая структура представленной статьи построена таким образом, чтобы дать потребителю дополнительную информацию о видеопередатчиках, что поможет сделать правильный выбор оборудования для «своей» системы.

Передатчики видеоизображения размещают в непосредственной близости от видеокамер, не редко, в местах незащищенных от воздействия внешних факторов, таких как температура, дождь, снег, туман, брызги, пыль и т.д. Наиболее опасным для любой электронной аппаратуры, в том числе и для передатчиков видеоизображения, является воздействие влаги. Это одна из основных особенностей их эксплуатации.

Расстояние от передатчика видеосигнала до приемного оборудования может составлять не одну сотню метров, а то и не один километр. Это означает, что видеопередатчик должен быть активным, с предварительной корректировкой частотной характеристики тракта передачи. Если для больших расстояний Вам предлагают пассивные устройства, обещая отличное изображение, не верьте этому, Вас вводят в заблуждение.

Монтаж передающего видеооборудования происходит в местах установки видеокамер, а это могут быть самые непредсказуемые, труднодоступные зоны, обычно на открытом пространстве. Монтируют оборудование при любой погоде и в любой сезон. Поэтому будет правильно использовать приборы, предназначенные для монтажа в полевых условиях. Способы монтажа, в конечном итоге, существенно влияют на надежность системы видеонаблюдения.

В местах установки видеокамер на реальном охраняемом объекте, как правило, отсутствует низковольтное напряжение для их питания. Это очень существенная особенность использования таких видеокамер в системах охранного телевидения, требующая определенных технических решений, обеспечивающих работоспособность системы.

На протяженную линию передачи видеосигнала от передатчика до приемного видеооборудования, а значит и на передающее оборудование могут воздействовать внешние электромагнитные наводки и помехи от различных источников. Это могут быть «земляные» токи, грозовые разряды, импульсные помехи от высоковольтного оборудования и т.д. Все это может привести к возникновению искажений изображения, а часто — к выводу оборудования из строя.

Таким образом, передатчики в системах охранного видеонаблюдения подвергаются постоянному воздействию всех перечисленных выше факторов. Поэтому необходимо акцентировать внимание на таких моментах в построении устройств передачи изображения, которые устраняют или существенно уменьшают риск возникновения негативных последствий. Рассмотрим основные критерии, по которым следует выбирать видеопередатчики для использования в системах охранного телевидения.

Герметичность

Передатчики видеосигнала, устанавливаемые на открытом пространстве, должны быть герметичны. Это очень важно, поскольку позволяет защитить электронное оборудование от влаги. На фото 1 приведен пример типичного видеопередатчика герметичной конструкции. Корпус изготовлен из термостойкой и ударопрочной пластмассы – поликарбоната. Поликарбонат обеспечивает механическую прочность корпуса в условиях низких отрицательных температур. Герметизация обеспечивается соединением типа «выступ — паз» и наличием уплотнителя. На корпусе установлены гермовводы для подключения линий связи и электропитания. Дополнительную защиту схемы обеспечивают такие меры, как лакировка печатной платы и элементов, установленных на нее, использование герметичных трансформаторов электропитания и сигнальных цепей. Внешний вид герметичных трансформаторов приведен на фото 2. В случае если видеопередатчик устанавливается в герметичный кожух, то он может быть выполнен в виде модуля, как показано на фото 3. По функциональным возможностям он обеспечивает питание видеокамеры, усиление и коррекцию видеосигнала для передачи в линию, гальваническую развязку, защиту электроники от помех и наводок.

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка передатчиков и приемников видеоизображения в распределенных системах охранного телевидения является одним из средств решения проблем, связанных с заземлением видеооборудования. Задача устройств гальванической развязки: устранение путей протекания каких-либо посторонних (в том числе и промышленных) токов по цепям передачи видеосигнала. Применение в видеопередатчиках изолирующих герметичных видеотрансформаторов (см. фото 1, 2, 10) в качестве устройств гальванической развязки позволяет:

  • в сотни раз уменьшить на изображении помехи, вызванные протеканием промышленных токов по сигнальным цепям;
  • защитить от пробоя выходные цепи передатчиков и входные цепи приемников видеоизображения при возникновении опасной разницы потенциалов между точками заземления передающего и приемного оборудования;
  • подключить передающее и приемное видеооборудование к цепям защитного заземления без образования помех в сигнальных цепях.

Таким образом, видеотрансформаторы выполняют как функцию защиты видеооборудования, так и функцию уменьшения помех на экранах мониторов.

Питание видеокамеры

Как уже отмечалось выше в местах установки видеокамер обычно отсутствует низковольтное напряжение питания. Тянуть низковольтные цепи на значительные расстояния очень сложно, поскольку достаточно большое напряжение реально упадет на проводе питания. Значение падения напряжения зависит от длины линии, диаметра провода, тока потребления видеокамеры. Поэтому для оптимального построения системы видеонаблюдения очень важно, чтобы в состав видеопередатчика входил стабилизатор напряжения постоянного тока 12 В с малыми пульсациями для питания видеокамеры. Наличие такого стабилизатора существенно упрощает построение и монтаж системы видеонаблюдения. В этом случае, видеопередатчики и видеокамеры в полной мере будут подготовлены к круглосуточной работе в нестабильных сетях электропитания промышленных объектов.

«Грозозащита»

Вопросы защиты видеооборудования от импульсных помех и наводок, причинами которых являются многочисленные факторы, так называемая «грозозащита» оборудования рассматривалась в многочисленных публикациях разных авторов, в различных изданиях. Действительно, это настолько серьезный момент, что оставлять его без внимания нельзя. Совершенно очевидно, что передатчики видеоизображения должны иметь элементы, обеспечивающие как собственную защиту, так и защиту видеокамеры от воздействия импульсных высоковольтных наводок и помех. К элементам защиты относятся:

  • гальваническая развязка передающего и приемного оборудования (например, видеотрансформатор);
  • варисторы и предохранители, обеспечивающие защиту видеопередатчика по цепям питания 220 В / 50 Гц;
  • быстродействующие защитные диоды и газоразрядники, обеспечивающие многоступенчатую защиту по линиям связи с видеокамерой и приемным оборудованием.
Управление нагревателем

При установке видеопередатчика в термокожух, в его состав желательно включить элемент управления нагревателем термокожуха, термодатчик (фото 4) и контактные группы для подключения нагревателя. Термодатчик включает нагревательный элемент, если температура внутри термокожуха падает ниже заданного предела, и выключает его при нагреве до верхнего заданного значения. Таким образом, обеспечивается стабилизация температурного режима работы электронного оборудования. Эта несложная опция позволяет обеспечить необходимые температурные условия работы видеокамеры, что особенно актуально для отечественного холодного климата. Из технологических новинок можно отметить и более интересное решение: предварительный прогрев термокожуха при низких отрицательных температурах окружающей среды. Предварительный прогрев резко уменьшает вероятность выхода из строя видеокамеры при аварийном отключении электросети. При этом модуль приобретает полностью законченный вид, не требующий дополнительного оборудования.

Предварительная коррекция АЧХ

Известно, что при значительном расстоянии между передающим и приемным видеооборудованием коррекции АЧХ тракта только в приемнике недостаточно. В результате затухания на высоких частотах «вспышка» видеосигнала на расстоянии 1000 м уменьшается в 100 раз, а на расстоянии 2000 м ослабление составит 10000 раз. Полезный сигнал «утонет» в шумах и наводках. Изображение станет нечетким, размытым, мелкие детали практически будут отсутствовать. Поэтому для больших дистанций передачи видеосигнала передатчики видеоизображения осуществляют предкоррекцию видеосигнала, обеспечивая частичную компенсацию потерь в линии связи и увеличение отношения сигнал / шум на входе приемного оборудования. При этом, чем больше затухание в линии передачи, тем большие предискажения требуются в передатчике видеосигнала; т.е. необходимы изменения цепей коррекции в зависимости от дистанции. Удобнее осуществлять изменение цепей предискажений в видеопередатчиках дискретным переключением. На фото 5 показаны переключатели, с помощью которых осуществляется коммутация цепей частотной коррекции в зависимости от длины линии связи. На фото 7, 8, 9 приведены изображения тестовой таблицы с перекоррекцией, недостаточной коррекцией и оптимальной коррекцией видеосигнала в диапазоне рабочих частот. В первых двух примерах (см. фото 7, 8) легко заметны дефекты изображения: снижение контрастности и разрешения, искажения вертикальных линий. Использование в передатчике дополнительной коррекции сигнала позволяет оптимальным образом сформировать АЧХ тракта передачи видеоизображения.

Монтаж оборудования

При выборе видеопередатчика следует обращать внимание на способ подключения электрических цепей к нему на объекте. Как правило, монтаж передающего видеооборудования происходит в полевых условиях. Поэтому подключение всех цепей к передатчику должно быть устроено как можно более просто, без использования паяльников и специального инструмента, например, с помощью клеммных колодок и отвертки. «Отверточный» монтаж позволяет существенно облегчить жизнь установщиков видеооборудования и повысить надежность подключений, что очень важно для систем охранного телевидения. Можно отметить и еще одну полезную опцию модуля видеопередатчика, изображенного на фото 3. Модуль оснащен отрезком коаксиального кабеля с BNC разъемом, при помощи которого видеопередатчик подключается к выходу стандартной видеокамеры.

Многоканальное оборудование

В зависимости от расположения видеокамер на охраняемом объекте, например, при видеоконтроле периметра, часто выгоднее использовать не одноканальный, а многоканальный передатчик (фото 6). Речь идет о случаях, когда видеокамеры монтируются на небольшом расстоянии друг от друга. Функционально удобнее и проще подключить их к одному прибору. В таких устройствах, как правило, имеется возможность изменения напряжения питания видеокамеры для компенсации падения напряжения на проводах питания (фото 10). Представленный на фото 11 вариант передачи изображения позволяет существенно уменьшить как расходы на оборудование, так и объем, и сложность монтажных работ.

Конечно же, приборы от разных производителей значительно отличаются по конструкции и характеристикам, но возможности и оснащенность во многом определяются условиями эксплуатации. Как Вы убедились, в конструкциях, предназначенных для работы на улице, должны присутствовать определенные характерные особенности. Само слово «уличные» говорит за себя. Поэтому при выборе оборудования для построения системы видеонаблюдения необходимо самым тщательным образом проанализировать, удовлетворяет ли выбранное Вами оборудование необходимым условиям эксплуатации. Конечно, можно построить систему и на устройствах, не работающих в «уличных» условиях. Но в конечном итоге их необходимо будет дополнительно герметизировать, защищать по всем подходящим электрическим цепям от всевозможных внешних факторов, т.е. усложнять монтаж и тратить дополнительные средства. В итоге Вы получите, как правило, менее надежную систему, по более высокой стоимости. И не забудем о главном: выбирая оборудование для определенных условий эксплуатации особенно важно, чтобы приборы удовлетворяли этим самым условиям эксплуатации. В противном случае, построенная Вами система, прекрасно работающая в нормальных условиях, может выйти из строя при первой же грозе, или при любом случайном попадании влаги на электронное оборудование, или зимой, когда температура воздуха станет отрицательной. Универсальный совет «семь раз отмерь, один раз отрежь», как никогда подходит для выбора оборудования систем охранного видеонаблюдения.

Читайте также  Камера видеонаблюдения для офиса с удаленным доступом

Самодельная гальваническая развязка, в простонародии – грозозащита

Во время сборки гальванической развязки меня посетила мысль написать о процессе и результатах этой эпопеи.

Кому интересно прошу под хабракат.

Все началось с того что старый провайдер интернета «поднадоел» (тарифы, служба поддержки и т.п.) и я решил его сменить на другого провайдера. В процессе прокладки кабеля оказалось, что он будет проходить по крыше, под открытым небом (оборудование нового провайдера в первом подъезде, я живу во втором), а это обыкновенная витая пара (UTP) к тому же облегченный вариант. Две пары вместо положенных четырех и всё это без экрана (все равно используются только две пары, так что без разницы). Мне вариант лапша на крыше по умолчанию не очень понравился, альтернативой был экранированный кабель для наружной прокладки по той же крыше по 3 грн./метр, а этих метров 30 и не факт что его потом не украдут. Я все-таки согласился на вариант по умолчанию, если провайдеру плевать на защиту своего оборудования, то мне тем более, лишь бы интернет работал, с защитой своего оборудования я что-нибудь придумаю.

И занялся я поиском малозатратной защиты, в итоге наткнулся на этот замечательный пост, где прекрасно описаны все угрозы, которые могут влиять на кабель и оборудование.

Я попытался повторить трансформатор с деревянным сердечником, мои попытки не увенчались успехом, линк не заработал хотя индикаторы моргали, как и обычно. В итоге купил фабричную грозозащиту, поставил и немного успокоился.


Воздушные трансформаторы собственного изготовления, готовое устройство не заработало

Меня заинтересовала идея гальванической развязки, я начал искать различные варианты реализации. В результате нашел сайт где в посте «как сделать транс (кратенько)» (в других постах есть поясняющие схемы, фотографии) нашел инструкцию по изготовлению трансформатора на ферритовом кольце.

Я опишу моменты изготовления, чтобы внести большую ясность в понимание написанного в оригинале (с моей точки зрения):
1. Берем одну витую пару из кабеля UTP длиной 1,5 м.
2. Складываем пополам и скручиваем равномерно, чтоб получился четырехжильный симметричный провод. Нужно смотреть, чтоб проводники одного цвета располагались напротив друг друга.
3. Берем ферритовое кольцо размером приблизительно (некритично) 30Х8Х8 мм желательно высокочастотные (можно брать любое), острые грани обрабатываем наждачной бумагой (удобнее надфилем). Ферритовые кольца у меня были от корпусов CoolerMaster (идут в комплекте, для уменьшения наводок в проводах от передней панели) размеры 28Х16Х7 мм, их я и взял.


Ферритовые кольца от корпусов CoolerMaster

4. Складываем пополам полученный ранее четырехжильный провод, и равномерно натягивая два конца, наматываем их вместе рядом (параллельно) на ферритовое кольцо до заполнения в один слой. У меня получилось на данном кольце 8 пар витков.
5. Проверяем чтобы в паре было одинаковое количество витков и обрезаем лишние концы проводов, оставив по 30 мм.
6. В каждом четырехжильном проводе соединить провода одного цвета вместе (они напротив друг друга). Каждый четырехжильный провод, 1-й и 2-й, превращается в симметричную линию, где: провод А (пара одного цвета) и провод Б (пара другого цвета).
7. Начало провода А первой линии соединить с концом провода А второй линии.
8. Начало провода Б второй линии соединить с концом провода Б первой линии.


Готовый трансформатор

В итоге получился симметричный широкополосный трансформатор со средними точками, согласован, входное и выходное волновое сопротивление около 100 Ом и напряжение пробоя изоляции намного больше, чем в разделительных трансформаторах сетевых карт.

Для изготовления гальванической развязки нужно изготовить два таких трансформатора:

Думаю, все помнят, какие пары используются для передачи данных на скорости 100 Мбит, так что привожу картинку собранного устройства (сперва «на соплях» для проверки):

Устройство заработало сразу, после чего начал собирать всю конструкцию на деревянной палочке от мороженого (первое, что попалось на глаза) с помощью термопистолета:

Между этапами я проверял на работоспособность, чтобы исключить возможность ошибки. Здесь я укоротил проводники для компактности:

Вот места соединения крупным планом, если кому интересно:

И наконец-то готовое устройство (извините за непривлекательный вид, из-за клея — своего рода изоляция):

Гальваническая развязка у меня включена по такой схеме: провайдер –> купленная грозозащита –> самодельная гальваническая развязка –> роутер –> компьютер. Длина линии от провайдера где-то 50-60 метров. Разъемы были позаимствованы из нерабочих сетевых плат. Ухудшений в плане снижения скорости, увеличения времени отклика не замечено.

Устройство было сделано и установлено в январе 2013 года. От прямого попадания молнии, скорее всего не защитит, а от наводок и статики вполне. Так что спокойно жду грозового лета.

Update 21.07.2013:
Вот уже прошло полгода, а гальваническая развязка как работала, так и работает, несмотря на то, что было несколько крупных гроз (самые ближайшие молнии «лупили» в радиусе где-то 500 метров). Связь с оборудованием провайдера за все это время не терялась. Так что устройство удалось и исправно выполняет свою функцию, несмотря на не особо привлекательный внешний вид.

Update 09.05.2019:
Спустя почти 6 лет я нашёл эту штуковину у себя под столом, я про нее просто забыл – значит она работает! За это время я успел снова отключиться от этого провайдера во второй раз. Спросите, как – просто моего нового провайдера снова купил этот провайдер. Было много гроз в летнее время – все нипочём. Как работало, так и работает. Никакого негативного влияния на работу сети за все это время замечено не было.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ

БЛОГ ИНЖЕНЕРА s.sector.2011@gmail.com

  1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ
  2. | ВСЕ ЗАПИСИ |
  3. 01.04. Защитное заземление в системах видеонаблюдения

01.04. Защитное заземление в системах видеонаблюдения

Статья, или скорее заметка, рассчитана на начинающих установщиков систем видеонаблюдения, которых, ввиду доступности оборудования, развелось немереное количество и которые из-за своих зачастую неграмотных решений сплошь и рядом монтируют неработоспособные объекты и получают финансовые санкции (или попросту «попадают на бабки»). Потом начинается мучительный поиск выхода из ситуации, потеря времени, соответственно те же финансовые издержки. Исходя из особенностей этой всезнающей аудитории постараюсь обойтись без формул — только картинки и рецепты решений.

Все картинки увеличиваются — два раза левой кнопкой.

Вопросы защитного заземления, регламентируются «Правилами устройства электроустановок» (далее — ПУЭ), разработанными еще в 1975 году и утвержденными с изменениями в последний раз приказом Минэнерго РФ от 8.07.2002 № 204 «ОБ УТВЕРЖДЕНИИ ГЛАВ ПРАВИЛ УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК». К вопросам защитного заземления относится глава 1.7. «Заземление и защитные меры электробезопасности». В нашем случае совершенно нет необходимости вдаваться в тонкости этого весьма серьёзного и ёмкого документа. Наши электроустановки — это видеорегистратор, источники питания регистратора, видеокамер и какого-либо вспомогательного оборудования, если таковое имеет место быть, ну и , собственно, сами видеокамеры.

На первый взгляд всё просто — заземляй все корпуса и нулевые провода, не вдаваясь в подробности, и будет тебе счастье. Но почему-то при таком формальном подходе, особенно при большом удалении камер от регистратора очень часто можно налететь на ухудшение изображения вплоть до полного срыва синхронизации и пропадания картинки. В чём дело? В неидеальности заземления и разности потенциалов заземляющего проводника в разных точках охраняемого объекта. Примитивно просто — эта разность потенциала накладывается на сигнал, и в результате из-за смещения уровней входных напряжений регистатор перестает видеть синхроимпульсы или, наоборот начинает пытаться синхронизироваться по сигналу изображения. И то и другое не есть гуд — это скачки изображения и срыв синхронизации. Причем разность потенциалов непостоянна, отстроиться практически невозможно. Для устранения этой проблемы есть железное правило — заземлять в одной точке. В нашем случае этой точкой однозначно должен быть щиток электропитания, к которому будет подключен видеорегистратор. Тому несколько причин:

— он относительно равноудалён от всех камер;

— он как правило ближе всего к щитку питания со штатным заземлением;

— к нему выше требования по электробезопасности, т.к. он находится в помещении с присутствующим персоналом.

На рис. 1 изображён некий абстрактный регистратор с четырьмя вариантами подключения уличных видеокамер:

  1. Удалённая камера с питанием от отдельного источника питания.
  2. Удалённая камера с питанием от источника, общего с видеорегистратором.
  3. Удалённая камера с передачей сигнала по витой паре с гальванической развязкой между регистратором и видеокамерой.
  4. Удалённая камера с передачей сигнала по витой паре без гальванической развязки между регистратором и видеокамерой.

Для простоты будем считать, что все камеры запитаны постоянным напряжением 12 В (самая распространенная схема питания).

Рассмотрим по порядку.

Случай 1. Камера находится на большом расстоянии от регистратора и, для исключения падения напряжения на длинных проводах питания, оборудована автономным источником вторичного электропитания (далее — ИВЭП). В этом случае для соблюдения требований ПУЭ мы обязаны заземлить корпус ИВЭП на щитке электропитания, к которому он подключен. При этом надо убедиться, что между «-» выходного напряжения и корпусом ИВЭП нет гальванической связи (сопротивление стремится к бесконечности). Если это условие не выполняется, заземлять ИВЭП нельзя — будут проблемы с изображением (нарушается правило заземления в одной точке). Значит, или меняем тип ИВЭП или нарушаем ПУЭ в части электробезопасности. Дело в том, что, если в результате неисправности ИВЭП на его корпусе присутствует фаза питающего напряжения, то, при подключении видеокамеры, которая заземлена через оплётку видеокабеля, вы получите элементарное поражение электрическим током. Ну или вы подключили камеру, а потом полезли подключать к ней видеокабель — ещё веселее, поражение электротоком на высоте. Не надо с этим шутить, сверзиться с высоты после удара током — это серьёзно.

К заземлению ИВЭП так же надо бы подключить и корпус камеры, но тут есть одно «но». В современных корпусах «bullet» (пуля) в большинстве случаев корпус камеры электрически накоротко соединён с контактом «общий» видеовыхода. Т.е. при заземлении корпуса «вторая земля» со всеми вытекающими последствиями появится и на видеокабеле. Здесь вариантов нет, землить нельзя, остаётся только нарушать ПУЭ или искать другую камеру. Более того, во избежание «2-й земли» такую камеру придётся электрически изолировать и от конструкции, на которую она крепится. На самом деле на практике это относится только к металлическим конструкциям — сайдинги всякие, металлические опоры и т.д., но приходилось. Текстолитовые пластины подставляли, фторопластовые диски — бывало, короче. В любом случае это есть нарушение ПУЭ, никуда не денешься. Недружелюбно настроенный сотрудник Ростехнадзора кровушки попить может. Единственное, что можно посоветовать — на каждом объекте вешать правила электробезопасности: работа в резиновых перчатках, обязательное отключение питающих кабелей при регламентных и ремонтных работах и т.д. Ну и ссылаться на уровни напряжений — они по ПУЭ относятся к сверхнизким (СНН).

Читайте также  Какое видеонаблюдение лучше аналоговое или цифровое?

На нашем рисунке Случай 1 приведён без гальванической связи корпуса камеры и сигнала — корпус заземлён.

Да, ещё — для случаев «1» и «2» в разрывы кабеля включены устройства грозозащиты. Их землить обязательно, самым толстым земляным проводником минимально возможной длины к ближайшему щитку. Можно, в случае крепления на заземленную металлоконструкцию, присоединять к ней. Эти устройства соединяют защищаемые линии с землёй только при наведении мощных электрических помех, угрожающих исправности аппаратуры.

Случай 2. Питание на камеру подаётся от ИВЭП, расположенного в центре (щите) электропитания системы видеонаблюдения. Как вариант — этим же напряжением запитан видеорегистратор. Здесь мы смело заземляем всё — корпуса регистратора и ИВЭП, а так же «-» электропитания. Кабелем с сечением, соответствующим потреблению удалённых камер, подаём электропитание к месту назначения.

Для случая 2 для разнообразия выбран вариант с электрически соединенными сигнальным «общим» и корпусом камеры. Соответственно корпус не землим, наоборот — анализируем необходимость электроизоляции камеры от конструкции, на которую она крепится.

Случай 3. Удалённая камера с автономным ИВЭП и гальванически развязанными приёмопередатчиками передачи видеосигнала по витой паре. Пусть наши приёмопередатчики выполняют еще и функцию устройства грозозащиты — таких много. Заземляем оба в соответствии с требованиями к устройствам грозозащиты: минимальное сопротивление и длина проводников, надёжность заземления . Смело заземляем удалённые приборы: корпуса, «-» электропитания — всё как надо, включая корпус видеокамеры. Электрическая развязка есть, «2-й земли» не будет.

Случай 4. Удалённая камера с автономным ИВЭП и приёмопередатчиками передачи видеосигнала по витой паре без гальванической развязки.

Натыкался на такое. Причём в инструкции еще просят для грозозащиты организовать хорошее заземление передатчика дополнительным проводником из центра. Ну даже не знаю, как тут быть с ПУЭ. Сложно все как-то в датском королевстве. Короче — корпус ИВЭП землим однозначно, корпус камеры — по ситуации в зависимости от наличия связи корпуса с сигнальным «общим». Здесь всё понятно.

В моём конкретном случае стояло на осветительной мачте 4 удалённых камеры. Соответственно четырёхпарной экранированной «витухой» мы передатчики соединили с приёмниками, экранную оплётку использовали как раз в качестве этого самого «хорошего заземления» (она на схеме отдельным проводом показана). Сигнал идёт, камеры показывают. Грозы были. Оборудование работает.

Вот наверное и всё. Можно только добавить, что Случай 3 идеально подходит для IP-видеокамер. Электрическая развязка по сигналу присутствует, сигнал передаётся по витой паре. Электропитание правда в случае PoE централизованное, но это непринципиально. Корпуса камер можно заземлять спокойно. Грозозащиту желательно подцеплять с обоих сторон (и камеры и регистратора).

Ну что, у кого есть вопросы, задавайте в «комментариях» , хотите получать новости сразу же — подписывайтесь, форма внизу.

Электроника для всех

Блог о электронике

Гальваническая развязка аналогового сигнала

Порой приходится делать гальваническое разделение аналогового сигнала. Например, чтобы отделить АЦП контроллера от высоковольтной части. И если с передачей дискретных сигналов все более менее понятно, там можно обойтись обычным оптроном, работающим в режиме вкл-выкл, то что делать с аналоговым сигналом?

Первое что приходит на ум, так это взять какую-нибудь оптопару и попробовать питать ее светодиод не номинальным напряжением, а нашим аналоговым сигналом. Ведь если напряжение на входе меньше, то светодиод горит тусклее и у фотодиода или фототранзистора на выходе будет совсем другое открытие. Если посмотреть даташит на какую-нибудь оптрон, вроде дешевого и популярного LTV817, то да, можно увидеть вполне характерную зависимость тока выхода (IC от тока входящего в светодиод (IF):

И даже можно попробовать на нем что-то изобразить. Но возникает несколько проблем. И главная даже не в нелинейности. В конце концов, в большинстве случаев, у нас сигнал все равно идет на АЦП какое-нибудь. А там нелинейность можно бы и программно исправить — бомбануть табличку или по формулам с кусочно-линейной аппроксимацией. Нет, главная проблема тут в разбросе параметров самих оптронов от штуки к штуке, даже в пределах одной партии, более того, они еще и с температурой очень сильно изменяют свои характеристики. Получится система которую сложно повторить и откалибровать. Скорей получится сделать всратый термометр чем линию связи :)

Будь то фотодиод, фототранзистор или фоторезистор. Для сколь-нибудь точной передачи сигнала подходит так себе. Но это можно исправить и поможет нам наш старый дружок… Операционный усилитель! :))))

Первым делом он поможет нам линеаризовать сигнал. Т.е. можно будет смело забыть про эти кривые передаточные характеристики оптического канала и все что влезло вылезет в том же виде. А это существенно все упрощает.

Делаем обратную связь через оптический канал. Как это работает. Допустим, в начальном состоянии, фототранзистор затемнен, закрыт и точка А подтянута к +V, пусть там будет вольт 15. А на точку В подали, скажем, 3 вольта входного сигнала. На выходе будет (15-3) * дохрена = напряжение которое зажжет светодиод оптопары и начнет открывать фототранзистор. А он, в свою очередь, просадит напряжение подтяжки в точке А до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением на точке В и ОУ не успокоится, замерев в этом устойчивом положении.

Если промоделировать, то увидим, что напряжения идентичные.

Желтый луч это входной с генератора, а синий с обратной связи.

Почти… у выходного (Сигнал В) сигнала есть небольшая плоскость внизу. Это связано с тем, что транзистор оптопары не может придавить сигнал совсем в ноль. Чтобы от нее избавиться надо чуток приподнять входной сигнал, добавив к нему смещение в пол вольта-вольт. Например, сделав сумматор из ОУ. Но это уже не большая проблема, сумматор можно собрать на другом ОУ из той же микросхемы.

Окей, классно. Приравняли мы напряжение А и В с помощью ОУ. А что нам это дает? Они ведь все равно на одной стороне находятся. Что дальше? А дальше мы можем взять вторую, точно такую же оптопару, а лучше второй канал сдвоенной оптопары (чтобы максимально идентичные свойства были) и насадить на тот же выходной ток с нашего ОУ. И он будет дублировать напряжение на той стороне. Вот так:

Токи через светодиоды идут одинаковые, значит светят они идентично. Транзисторы одинаковые (насколько это возможно), а значит на выходе будет то же самое напряжение.

На модели все также:

Если делать смещение, то тут же, на принимающем ОУ, его можно и отрезать.

Под такое дело есть даже специальные линейные оптопары. Они отличаются лучшими характеристиками в плане работы в линейном режиме, а еще имеют один светодиод, светящий на сразу на два фотодетектора. Что еще больше снижает разбег параметров, повышая точность. Типичный представитель такой микросхемы HCNR200 в ней один светодиод и два фотодиода. Включается она следующим образом:

Тут все почти то же самое. Только фотодиод тянет линию вверх, когда засвечивается. Стремясь сравнять напряжения на А и В. А второй фотодиод, по ту сторону барьера, за ним повторяет один в один.

Если промоделировать, то все работает идентично.

Но уже нет площадки на выходе. А если она у вас появляется сверху, значит фотодиод не может выдать нужный ток, чтобы обеспечить падение напряжения и надо увеличить сопротивление резистора который тянет вниз.

У данного способа развязки много недостатков. Он не очень точен, не очень быстр. Никакой прецизионности тут не будет, погрешность в пару процентов вам обеспечена. И вряд ли вы сможете перетащить сигнал быстрей нескольких десятков килогерц через такую сборку. Но у него есть одно несомненное достоинство — ультимативная дешевизна и простота. Так что если вас не смущает погрешность в несколько процентов, а частоты невелики, то зачем платить по пол сотни баксов за прецизионные изолированные ОУ, если можно обойтись всего двумя тремя бачинскими за попсовый оптрон и не менее попсовый же операционный усилок.

Вот такой вот способ передачи аналогового сигнала с гальванической развязкой. В следующий раз я наброшу еще несколько способов.

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

20 thoughts on “Гальваническая развязка аналогового сигнала”

За пинок пожалуйста. Но я никак не догоняю — чем плох привычный трансформатор. Вроде именно для аналогового сигнала это первостатейный вариант?

Ну… например, вам надо перегнать постоянный сигнал. Будете инвертировать -трансформировать- выпрямлять? Плюс транс это дорого, транс это громоздко. У него несомненно полно положительных качеств и это один из неплохих вариантов, но не везде применимый.

Согласен. Низкочастотные сигналы для транса плохо подходят. Но, справедливости ради, для низкочастотных сигналов и оптрон (по сути эмитерный повторитель) так себе решение. Та же температурная стабилизация, да и линейность коэффициента передачи что у диода, что у транзистора (а по факту их произведение)…. Безусловное, любое решение имеет право на жизнь если понимать его ограничения. А решения требующие гальванической развязки, как правило, простыми не бывают.

Спасибо за статью. Тема безусловно полезная.

Вопрос лишь цены и качества. Часто нужно перетащить за барьер просто некий аналоговый показатель с точностью плюс-минус пол карасика. И втыкать туда прецизионный изолированный ОУ за 50 баксов, когда хватит и копеечного оптрона с не менее копеечным ОУ общего назначения, решение крайне глупое.

Наверно надо было начать статью не с

«Порой приходится делать гальваническое разделение аналогового сигнала…»

, а с описания конкретной задачи, для которой этот метод подходит — диапазон частот, точность АЦП, и так далее.

Вот, например, следующие две задачи походят друг на друга, но решаются совершенно разными способами.

Первая задача. Нужно изготовить однофазный счётчик электроэнергии для сети 220В/50 Гц. Мощность приборов не более 2 КВт.

Читайте также  Софт для видеонаблюдения IP камер

Вторая задача. Нужно изготовить прибор, который отслеживает работу фекального насоса. (У меня, реально был такой заказ.) Насос работает в сети 220В. Предполагаемая мощность насоса 300-1000 Вт. Насос сам может включаться и выключаться согласно своего датчика уровня. Проблема в том, что насос может «закиснуть» или забиться твёрдым мусором. В этом случае его лучше отключить, а не давать ему многократно пытаться запускаться. (У моего заказчика так когда-то он так и вышел из строя.)

Понятное дело, что в первом случае нужно блюсти точность измерений. А во втором случае — чисто различать потребляемую мощность по поддиапазонам — номинальная мощность, перегрузка, выключено, которые, возможно, придётся немного подстроить в процессе экскплуатации.

Случаи-то они разные бывают. Тебе какую задачу-то нужно было решать описанным в статье методом? А читатели — они о чём подумали? Отсюда и вопросы у них.

Гальваническая развязка аналогового сигнала

В этой статье речь пойдет в первую очередь об оптической развязке аналогового сигнала. Будет рассматриваться бюджетный вариант. Также основное внимание уделяется быстродействию схемотехнического решения.

Способы развязки аналогового сигнала

Небольшой обзор. Существует три основных способа гальванической развязки аналогового сигнала: трансформаторный, оптический и конденсаторный. Первые два нашли наибольшее применение. На сегодняшний день существует целый класс устройств, которые называются изолирующие усилители или развязывающие усилители (Isolated Amplifier). Такие устройства передают сигнал по средствам его преобразования (в схеме присутствует модулятор и демодулятор сигнала).

Рис.1. Общая схема изолирующих усилителей.

Есть устройства как для передачи аналогового сигнала по напряжению (ADUM3190, ACPL-C87), так и специализированные, для подключения непосредственно к токовому шунту (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). В данной статье мы не будем рассматривать дорогие устройства, однако перечислим некоторые из них: iso100, iso124, ad202..ad215 и др.

Существует также другой класс устройств – развязывающие оптические усилители с линеаризующей обратной связью (Linear Optocoupler) к этим устройствам относятся il300, loc110, hcnr201. Принцип действия этих устройств легко понять, посмотрев на их типовую схему подключения.

Рис.2. Типовая схема для развязывающих оптических усилителей.

Подробнее о развязывающих усилителях вы можете почитать: А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях» (глава 2), также будет полезен документ AN614 «A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers» от silicon labs, там есть хорошая сравнительная таблица. Оба источника есть в интернете.

Специальные микросхемы оптической развязки сигнала

Теперь к делу! Для начала сравним три специализированных микросхемы: il300, loc110, hcnr201. Подключенные по одной и той же схеме:

Рис.3. Тестовая схема для il300, hcnr201 и loc110.

Разница только в номиналах для il300, hcnr201 R1,R3=30k, R2=100R, а для loc110 10k и 200R соответственно (я подбирал разные номиналы чтобы добиться максимального быстродействия, но при этом не выйти за допустимые пределы, например, по току излучающего диода). Ниже приведены осциллограммы, которые говорят сами за себя (здесь и далее: синий – входной сигнал, желтый — выходной).

Рис.4. Осциллограмма переходного процесса il300.

Рис.5. Осциллограмма переходного процесса hcnr201.

Рис.6. Осциллограмма переходного процесса loc110.

Теперь рассмотрим микросхему ACPL-C87B (диапазон входного сигнала 0..2В). Честно говоря с ней я провозился достаточно долго. У меня в наличии было две микросхемы, после того как получил неожиданный результат на первой, со второй обращался очень аккуратно, особенно при пайке. Собирал всё по схеме, указанной в документации:

Результат один и тот же. Подпаивал керамические конденсаторы непосредственно вблизи ножек питания, менял ОУ (естественно проверял его на других схемах), пересобирал схему и т.д. В чем собственно загвоздка: выходной сигнал имеет значительные флуктуации.

Несмотря на то, что производитель обещает уровень шума выходного сигнала 0.013 mVrms и для варианта «B» точность ±0.5%. В чем же дело? Возможно ошибка в документации, поскольку с трудом верится в 0.013 mVrms. Непонятно. Но посмотрим в графу Test Conditions/Notes напротив Vout Noise и на Рис.12 документации:

Рис.9. Зависимость уровня шума от величины входного сигнала и частоты выходного фильтра.

Здесь картина немного проясняется. Видимо производитель говорит нам о том, что мы можем задушить эти шумы через ФНЧ. Ну что ж, спасибо за совет (иронично). Зачем вот только всё это таким хитрым образом вывернули. Скорее всего понятно зачем. Ниже приведены графики без и с выходным RC фильтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Рис.10. Осциллограмма переходного процесса ACPLC87 без и с выходным фильтром.

Применение оптопар общего назначения для развязки сигнала

Теперь перейдем к самому интересному. Ниже приведены схемы, которые я нашел в интернете.

Рис.11. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.12. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.13. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Такое решение имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществу отнесем большее напряжение изоляции, к недостаткам то, что две микросхемы могут значительно отличаться по параметрам, поэтому кстати рекомендуется использовать микросхемы из одной партии.

Я собрал эту схему на микросхеме 6n136:

Рис.14. Осциллограмма переходного процесса развязки на 6N136.

Получилось, но медленно. Пробовал собирать и на других микросхемах (типа sfh615), получается, но тоже медленно. Мне надо было быстрее. К тому же часто схема не работает из-за возникающих автоколебаний (в таких случаях говорят САР неустойчива))) Помогает увеличение номинала конденсатора С2 рис. 16.

Один знакомый посоветовал отечественную оптопару АОД130А. Результат на лицо:

Рис.15. Осциллограмма переходного процесса развязки на АОД130А.

Рис.16: Схема развязки на АОД130А.

Потенциометр нужен один (RV1 или RV2) в зависимость от того будет выходной сигнал меньше или больше входного. В принципе можно было поставить только один RV=2k последовательно с R3=4.7k, ну или вообще оставить только RV2=10k без R3. Принцип понятен: иметь возможность подстройки в районе 5k.

Микросхема трансформаторной развязки сигнала

Перейдем к трансформаторному варианту. Микросхема ADUM3190 в двух вариантах на 200 и 400 кГц (у меня на 400 — ADUM3190TRQZ), также есть микросхема на более высокое напряжение изоляции ADUM4190. Замечу, корпус самый маленький из всех – QSOP16. Выходное напряжение Eaout от 0.4 до 2.4В. В моей микросхеме выходное напряжение смещения около 100мВ (видно на осциллограмме рис. 18). В целом работает неплохо, но лично меня несовсем устраивает выходной диапазон напряжения. Собрано по схеме из документации:

Рис.17. Схема ADUM3190 из документации.

Рис.18. Осциллограмма переходного процесса ADUM3190.

Итоги

Подведем итог. На мой взгляд наилучшим вариантом является схема на отечественных АДО130А (где они их только взяли?!). Ну и напоследок небольшая сравнительная таблица:

Микросхема tr+задерж. (по осцилл.), мкс tf+задерж. (по осцилл.), мкс Диап. напряж., В Напряж. изоляции, В Шум (по осцилл.) мВп-п. Цена** за шт., р (05.2018)
IL300 10 15 0-3* 4400 20 150
HCNR201 15 15 0-3* 1414 25 150
LOC110 4 6 0-3* 3750 15 150
ACPL-C87B 15 15 0-2 1230 нд 500
6N136 10 8 0-3* 2500 15 50
АОД130А 2 3 0.01-3* 1500 10 90
ADUM3190T 2 2 0.4-2.4 2500 20 210

*- приблизительно (по собранной схеме с оптимизацией по быстродействию)

**- цена средняя по минимальным.
Ярослав Власов

Модуль сопряжения МСК

Новая цена (Москва):

Характеристики
  • Тип: Модуль сопряжения

Полное описание и характеристики

Добрый вечер друзья. Постепенно ремонт подходит к завершающему этапу и появляется необходимость установить видео домофон, который включает в себя монитор и вызывную панель. Чтобы видео домофон мог управлять замком расположенным на входной двери подъезда и картинка отображалась на мониторе, его надо подключить в сеть подъездного домофона. Для этих целей и подходят модули сопряжения. Перед приобретением модуля сопряжения нужно уточнить какой домофон установлен на подъезде. После этого купить нужный модуль сопряжения. Существует множество различных модулей, но с. Показать полностью

1. Полная гальваническая развязка 2. Работает с большим количеством моделей индивидуальных видеодомофонов 3. Настройки звукового канала в двух направлениях 4. Два способа подключения 5. Поддерживает все популярные модели координатных подъездных домофонов. Элтис, Визит, Цифрал, Метаком. Показать полностью

  • Доставка и самовывоз
  • Описание
  • Отзывы 20
  • Обзоры 1
  • Гарантия
  • Галерея 8

Вы можете купить Модуль сопряжения МСК в интернет-магазине с доставкой или забрать в ближайшем пункте выдачи ОНЛАЙН ТРЕЙД.РУ.

Пункт выдачи Можно забрать Стоимость

Модуль сопряжения МСК

Модуль сопряжения МСК с гальванической развязкой.
Модуль сопряжения индивидуального видеодомофона с многоквартирным координатным домофоном ( Визит, Цифрал, Элтис, Метаком)

Описание:
Модуль сопряжения индивидуального видеодомофона с общеподъездным многоквартирным домофоном (далее — модуль сопряжения) предназначен для подключения индивидуального видеодомофона к линии связи общеподъездного домофона с координатной системой адресации абонентов ( Визит, Цифрал, Элтис, Метаком ), для приема вызовов от него и открывания подъездной двери с помощью стандартных функций видеодомофона.

Совместимость координатных домофонов других производителей возможна, но не гарантируется.

Помимо линии аудиодомофона с помощью модуля сопряжения можно подключить четырехпроводную вызывную видео-панель (для установки на этаж) и видеосигнал от подъездной видеокамеры.

Внимание:
Допустимый уровень нагрузки линии видеосигнала от подъездной видеокамеры необходимо уточнить у специалистов обслуживающей организации. В случае недостаточной нагрузочной способности линии может потребоваться дополнительный этажный видеоусилитель.

Характеристики

  • Тип: Модуль сопряжения

Технические характеристики товара могут отличаться от указанных на сайте, уточняйте технические характеристики товара на момент покупки и оплаты. Вся информация на сайте о товарах носит справочный характер и не является публичной офертой в соответствии с пунктом 2 статьи 437 ГК РФ. Убедительно просим Вас при покупке проверять наличие желаемых функций и характеристик.

На Модуль сопряжения МСК действует официальная гарантия FALCON EYE сроком 1 год .

Все товары, реализуемые интернет-магазином, являются абсолютно новыми и имеют срок гарантийного обслуживания в сервисных центрах производителей или в сервисном центре ОНЛАЙН ТРЕЙД.РУ. Покупатели, приобретающие цифровое фото и видео, периферийные устройства, коммуникаторы или другую технику в нашем магазине, вместе с товаром получают кассовый чек и гарантийный талон с печатью нашего магазина. Перейти в раздел гарантийные обязательства

Магазин ОНЛАЙН ТРЕЙД.РУ не несет ответственности за содержание опубликованных на сайте ОНЛАЙН ТРЕЙД.РУ отзывов о товарах, так как они выражают мнение автора и не являются официальным мнением магазина и производителя товара.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: