Гальваническая развязка

PVI: фотоизолятор для внешних ключей большой мощности

Приборы этой серии не являются реле в собственном смысле слова. То есть не способны коммутировать потоки большой энергии с помощью малой. Они лишь обеспечивают гальваническую развязку входа от выхода, откуда и их название — фотоэлектрический изолятор (рис. 5).

Рис. 5. Разводка выводов фотоизолятора PVI

Зачем же нужно такое «недореле»? Дело в том, что приборы серии PVI вырабатывают при получении входного сигнала электрически изолированное постоянное напряжение, которое достаточно для непосредственного управления затворами мощных MOSFET и IGBT. Фактически это оптореле, но без выходного ключа, в качестве которого разработчик может использовать подходящий для него по мощности отдельный транзистор.

PVI идеально подходят для применений, требующих высокотокового и/или высоковольтного переключения с оптической изоляцией между схемой управления и мощными схемами нагрузки.

К тому же изолятор серии PVI1050N содержит в себе два одновременно управляемых выхода, что дает возможность подключать их последовательно или параллельно для обеспечения более высокого значения тока управления (МОП) или более высокого значения напряжения управления (БТИЗ). Таким образом фактически можно получить выходной сигнал 10 В/5 мкА при последовательном включении и 5 В/10 мкА — при параллельном.

Два выхода PVI1050N могут применяться и по отдельности, при условии что разность потенциалов между выходами не превышает 1200 В (пост.) Изоляция вход-выход составляет 2500 В (действ.).

Приборы данной серии выпускаются в 8-выводных DIP-корпусах и находят применение в организации управления мощными нагрузками, преобразователях напряжения и т.п.

Гальваническая развязка цифрового сигнала

Если АЦП применяется для измерения сигнала постоянного тока (тензодатчики в электронных весах, датчики давления, датчики температуры и т.п.) и скорость цифрового потока невысока, то лучше применить гальваническую развязку не аналогового, а цифрового сигнала — это гораздо дешевле и эффективнее. Для создания простого и недорогого цифрового изолирующего барьера можно использовать оптопары. Как показано на рис. 3, развязку для микросхемы АЦП AD7714 можно реализовать всего на трех оптопарах.

Рис. 3. Изолированный трех-проводной интерфейс типа SPI

Тем не менее в такой схеме, конечно, необходим дополнительный источник питания, что усложняет схему и делает ее более дорогостоящей. Обычно в качестве источника питания для изолированной части схемы используются DC/DC-конвер-торы с гальванической развязкой — это готовые гибридные модули, содержащие трансформатор и схемы модуляции и демодуляции. Они широко представлены на рынке компонентов и выпускаются многими производителями.

В такой схеме DC/DC-конвертор является обычно самым громоздким элементом, он занимает самый большой объем и обычно является одним из самых ненадежных и дорогостоящих элементов схемы. Но зато DC/DC-конверторы являются готовыми к применению компонентами, к тому же это обычно сертифицированные приборы, — все это весьма способствует сокращению времени выхода продукции на рынок.

Кроме того, необходимо учитывать следующий аспект: использование оптопар, которые обычно имеют относительно небольшие скорости спада и нарастания сигнала, может привести к проблемам, даже если тактовые импульсы имеют невысокую частоту.

Логические входы КМОП, такие как SCLK или DIN в микросхемах семейства AD771x, разработаны для подачи на них логических сигналов, то есть либо логического нуля, либо логической единицы. В этих состояниях входы потребляют или отводят минимальный ток. Однако когда входное напряжение находится в промежутке между логическим нулем и логической единицей (от 0,8 до 2,0В), логический вход выдает несколько больший ток. Если используются оптопары, имеющие относительно низкую скорость нарастания и спада сигнала, то в течение дополнительного времени, пока сигнал находится в промежутке между нулем и единицей, будет проходить значительный ток, микросхема будет нагреваться и среднее энергопотребление повысится.

Кроме того, медленное пересечение напряжением порога логического входа и присутствие шумов может привести к тому, что одиночный фронт тактового импульса будет воспринят логикой преобразователя как несколько тактовых импульсов. Поэтому, чтобы предотвратить эти многократные пересечения порога, линии SCLK, идущие от оптоизоляторов к АЦП семейства AD771x, необходимо буферировать с помощью триггера Шмитта. В то же время в преобразователях семейства AD779x вход SCLK имеет встроенный триггер Шмитта, так что для AD779x описанная проблема отпадает. В технических описаниях (datasheet) микросхем семейства AD779x специально оговаривается, что вход SCLK пригоден для управления от оптопары. В любом случае, инженер-разработчик должен знать о существовании такой проблемы и быть к ней готовым.

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Когда требуется, чтобы между двумя частями схемы с разными потенциалами земли проходил сигнал, популярным решением является оптоизолятор (оптопара). Оптоизолятор представляет собой фототранзистор, который открывается («включается»), когда внутренний светодиод находится под напряжением. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является путем прохождения сигнала, и, таким образом, изоляция между потенциалами земли не нарушается.

Рисунок 3 – Схема типового оптоизолятора

Датчик Холла

Другим методом передачи информации между электрическими системами с раздельными потенциалами земли является использование датчика, основанного на эффекте Холла. Датчик Холла детектирует индукцию неинвазивно и не требует прямого контакта с исследуемым сигналом и не нарушает изолирующий барьер. Наиболее распространенное использование проходящей индукционной информации через цепи с различными потенциалами земли – это датчики тока.

Рисунок 4 – Датчик тока, используемый для измерения тока через проводник

Гальваническая изоляция питания USB

Обеспечение изоляции также требует гальванической развязки источника питания: один для первичной стороны и один для вторичной стороны с отдельными линиями заземления. Если в рассматриваемом проекте есть отдельные источники питания, то все нормально. Но если доступен только один источник, дополнительный изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный является подходящим решением.

Контроллер Texas Instruments SN6505 и дополнительный трансформатор обеспечивают гальваническую развязку питания на вторичной стороне

Примером такого решения выступает преобразователь на базе микросхемы SN6505, взаимодействующий с изолирующим трансформатором, который обеспечивает изоляцию до 2500 В.

Дополнительным важным критерием выбора является занятость места на печатной плате изоляционной схемой. Использование отдельных компонентов для изоляции питания и данных, а также дополнительного трансформатора, занимает много ценного места. К счастью на рынке есть продукты, которые реализуют изоляцию питания и данных в одном чипе. Примером может служить двухканальный цифровой изолятор ADuM5240.

Двухканальный цифровой изолятор ADuM5240 от Analog Devices обеспечивает изоляцию линий питания и данных

ADuM5240 имеет изоляцию 2500 В, которая соответствует требованиям UL 1577 и обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит / с.

Проблемы паразитного заземления и их решение

Если его не предотвратить, паразитное заземление может стать серьезной проблемой для измерительных систем. Иногда называемое «шумом», паразитное заземление связано с непреднамеренной привязкой электрооборудования к более чем одному пути заземления — любая разность потенциалов в этих точках заземления может вызывать токовую петлю, что может приводить к искажениям сигнала. Если амплитуда этих искажений достаточно высока, это может сделать измерение бесполезным.

На рисунке ниже измерительный усилитель соединен с землей (GND 1) с одной стороны. Для подключения датчика используется асимметричный экранированный кабель, металлический корпус которого помещен на проводящую поверхность в точке GND 2. Из-за длины кабеля существует разница в потенциале между GND1 и GND 2. Эта разность потенциалов действует как источник напряжения, обьединяясь с электромагнитным шумом окружающей среды.

Паразитное заземление, вызванное разностью потенциалов заземления

Если бы датчик можно было отделить от GND 2, это могло бы решить проблему. Но это не всегда возможно. Кроме того, иногда по правилам безопасности требуется привязка к экрану кабеля, а значит отказаться от него нельзя.

Оптимальным решением является использование дифференциального усилителя внутри изолированного преобразователя сигнала. Всего одно изменение позволяет решить эту проблему.

Устранение проблем разности потенциалов заземления с помощью изоляции

Паразитное заземление может также поступать от самого прибора через его собственный источник питания. Мы помним, что наша измерительная система подключена к источнику питания, который имеет опорное заземление

Поэтому крайне важно отделить эту привязку от компонентов обработки сигналов, чтобы исключить образование паразитного заземления внутри прибора

Паразитное заземление, вызванное источником питания

Эта ситуация может быть опасной, если существует неисправность проводки. В случае с путем тока высокого напряжения от источника питания, что произойдет, если линия возврата будет разорвана? Вся энергия будет направлена через часть преобразования сигнала системы сбора данных. Это может привести к повреждению или выводу из строя всей системы и даже к возникновению опасных напряжений для оператора прибора.

Опасность паразитного заземления, вызванного источником питания

При полной изоляции сигнального канала от источника питания описанная выше ситуация невозможна.

PVA33: быстродействующее реле для коммутации сигналов

Реле переменного тока серии PVA33 — однополюсное, нормально разомкнутое. Предназначено для общих целей коммутации аналоговых сигналов.

Принцип действия устройства — следующий (рис. 1). Напряжение, подаваемое на вход реле, вызывает протекание тока через арсенидо-галлиевый светодиод (GaAlAs), что приводит к интенсивному свечению последнего. Световой поток попадает на интегральный фотогальванический генератор (ФГГ), который создает разницу потенциалов между затвором и истоком выходного ключа, тем самым переводя последний в проводящее состояние. В качестве силовых выходных ключей применены силовые МОП-транзисторы (HEXFET — запатентованная IR технология). Таким образом достигается полная гальваническая изоляция входных цепей от выходных.

Рис. 1. Структурная схема PVA33

Преимущества подобного решения по сравнению с обычными электромеханическими и герконовыми реле состоит в значительном повышении срока службы и быстродействия, уменьшении потерь мощности, минимизации размеров. Эти преимущества позволяют повысить качество разрабатываемой продукции для различных применений, например, в области мультиплексирования сигналов, автоматического испытательного оборудования, систем сбора данных и других.

Уровень напряжений, который способен коммутировать реле этой серии, лежит в диапазоне от 0 до 300 В (амплитудное значение) как переменного, так и постоянного тока. При этом минимальный уровень определяется (при постоянном токе) сопротивлением канала выходных транзисторов, которое составляет в среднем около 1 Ом (максимально до 20 Ом).

Динамические характеристики устройства определяются временем включения-выключения, составляющим порядка 100 мкс. Таким образом, гарантированная частота переключений реле может достигать 500 Гц и более.

Максимальная частота коммутируемого сигнала зависит в основном от частотных характеристик применяемых транзисторов и для МОП-ключей достигает сотен килогерц. Реле поставляются в 8-выводных DIP-корпусах и доступны в двух вариантах: для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа.

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.

Диэлектрическая прочность

Диэлектрическая прочность — это максимальный уровень напряжения, при котором изолирующий барьер может предотвратить пересечение сигнала. Различные изоляционные материалы имеют разную диэлектрическую прочность, измеряемую в Vrms/мкм. Воздушный зазор обычно обеспечивает 1 Vrms/мкм, тогда как эпоксидные смолы могут быть в 20 раз эффективнее, а диоксид кремния, содержащийся во многих емкостных изоляционных барьерах, дает примерно 500 Vrms/мкм. Существуют и другие материалы, обычно используемые в барьерах, включая полиимиды, применяемые в емкостных изоляторах, и заполненные кремнеземом эпоксидные формовочные смеси, часто встречающиеся в оптических изоляторах.

Что такое гальваническая развязка?

Гальваническая развязка — это процесс проектирования электрического оборудования или систем с отдельными источниками питания таким образом, чтобы они не обменивались энергией или никак электрически не взаимодействовали. Идея состоит в том, чтобы поддерживать питание постоянного (и / или переменного тока) отдельно и независимо. Одна система электроснабжения не должна влиять на другую. В то же время, как
правило, необходимо полностью изолированно передавать сигналы мониторинга и данные управления между ними.

Изоляция питания достигается за счет того, что две физические секции находятся далеко друг от друга. И это обычно реализуется НЕ подключением заземляющих соединений двух систем. Это устраняет контуры заземления и уменьшает или, по крайней мере, сводит к минимуму любой перенос шума. Когда используются как высоковольтные, так и низковольтные подсистемы, такая физическая изоляция и изоляция заземления также помогает защитить пользователей и специалистов по обслуживанию от ударов электрическим
током, низковольтные цепи — от высокого напряжения, а в некоторых случаях
защищает и от молнии.

Примеры оборудования, требующего гальванической развязки, включают программируемые логические контроллеры (ПЛК) в промышленных инструментах и оборудовании, источники бесперебойного питания (ИБП), электроприводы, промышленные роботы, зарядные устройства для аккумуляторов, преобразователи частоты / инверторы и иногда DC-DC преобразователи. Не забываем о постоянно растущем сегменте автомобильных приложениях.

Виды гальванической развязки

В микросхемах гальванической развязки используются, в основном, три способа гальванического разделения:

• оптронная развязка;
• трансформаторная развязка;
• КМОП.

Оптронная развязка известна очень давно. Пожалуй, наибольших успехов в производстве гальванических оптронных развязок достигли компании Avago (ныне Broadcom) и Toshiba. Основными ограничивающими факторами в использовании оптронных развязок являются температурная зависимость, временные задержки, из-за которых может происходить рассинхронизация тактовых сигналов и данных, ограничение скорости передачи и довольно большое энерго­потребление. В высокоскоростных интерфейсах оптронная развязка не находит широкого применения.

Трансформаторная развязка наилучшим способом реализована в технологии iCoupler компании Analog Devices, а развязка с использованием КМОП-технологии — в технологиях компаний Texas Instruments и SiLabs. Обе эти технологии позволяют увеличить электрическую прочность изоляции до более чем 5 кВ (АС).

В технологии iCoupler планарный микротрансформатор формируется на кристалле кремния. Первичная и вторичная части этого трансформатора разделены полиимидом с высокой электрической прочностью. В КМОП-технологии кристаллы, образующие первичную и вторичную часть развязки, разделены дифференциальным емкостным изолирующим барьером. С точки зрения автора, трансформаторная развязка и емкостная развязка КМОП-технологии практически равноценны при использовании в сетях передачи данных. Ни одна из них не имеет явных преимуществ над другой.

Несмотря на отмеченные выше недостатки оптронных развязок, следует сказать несколько слов в их защиту. Нередко в специализированных СМИ высказывается мнение о том, что этот вид развязки якобы устарел и она во всех отношениях уступает конкурентам. В качестве доказательства приводятся результаты сравнительных испытаний или моделирования.

Например, в  среди прочих характеристик рассматривается важный параметр — стойкость к изменению синфазного напряжения (common-mode transient immunity, CMTI). Сравнивается реакция на изменение синфазного напряжения оптронной развязки HCPL‑4506 (с CMTI = 20 кВ/мкс) и развязки Si8712A (с CMTI свыше 50 кВ/мкс), производимой по КМОП-технологии. Как и следовало ожидать, результаты сравнительных испытаний показали, что Si8712A значительно меньше реагирует на изменение синфазного напряжения, чем HCPL‑4506.

Результат объясняется наличием паразитных емкостей и несовершенством схемы HCPL‑4506 (рис. 7). Действительно, как уже упоминалось, паразитные проходные емкости ухудшают характеристики развязки, но дело в том, что для испытаний был отобран далеко не лучший вариант оптронной развязки. Например, оптронная развязка ACNW3410 от Avago (Broadcom) в драйвере затвора использует улучшенную схему и ее величина CMTI = 100 кВ/мкс та же, что у развязок, производимых по двум другим технологиям.

Рис. 7. Схема HCPL-450 с паразитными емкостями

В заключение отметим, что оптронные развязки имеют свою нишу применения. Прежде всего, это одноканальные развязки сигнальных линий и драйверы затворов. Из-за относительно больших задержек распространения сигналов и возможных рассогласований этих задержек между каналами не рекомендуется использовать их в многоканальных системах передачи данных и в драйверах затвора силовых каскадов с двумя и более силовыми ключами.

Что такое гальваническая развязка электрических цепей

Товары на складе (СПб)

• Активные компоненты Передатчики
• Приемники
• Трансиверы
• Отладочные платы

Сетевое оборудование

• Медиаконвертеры Ethernet

Медиаконвертеры RS-232/422/485 и CAN
Удлинители USB
Соединительные изделия

• Кабели

Коннекторы
Проходные адаптеры
Переходные адаптеры
Патч-корды
Аттенюаторы
Высоконадежные разъемы и кабельные сборки

• Разъемы для FTTA (ODC)

IP-разъемы (ODVA)
Разъемы Expanded Beam
Промышленные разъемы CNLINKO
Гибридные разъемы для HDTV (SMPTE)
Инструменты

• Инструменты для кабеля

Инструменты для коннекторов
Инструменты для POF
Чистящие материалы
Наборы инструментов
Специализированные инструменты
Измерительное оборудование

• Приборы для измерения потерь

Приборы для проверки оптоволокна
Приборы для проверки коннекторов
Оптический датчик дуговой защиты КРУ

• Компоненты датчика

Передача мощности по оптоволокну

• Преобразователи Broadcom

Решения MH GoPower
Оптоэлектронные изоляционные решения

• Индустриальные оптроны

Автомобильные оптроны
Короткие оптические линии
Микросхемы Ethernet

• Микросхемы PHY

Главная | Продукция | Оптоэлектронные изоляционные решения

Данный раздел посвящен устройствам для осуществления оптической гальванической развязки, выпускаемым компанией Broadcom Limited (ранее Avago Technologies).

Гальваническая развязка (гальваническая изоляция, гальваноразвязка) – это передача энергии или сигнала между двумя электрическими цепями или участками электрической схемы без электрического контакта между ними. Изолирующие устройства применяются 1) для защиты человека и оборудования от высоких напряжений, 2) для согласования электрических цепей с разными напряжениями питания и 3) для подавления синфазных помех.

Одним из наиболее распространенных видов гальванической развязки является оптическая развязка, основным элементом которой является оптрон, или оптопара, – устройство, содержащее источник оптического излучения (светодиод) и фотоприемник (фотодиод, фототранзистор…), разделенные слоем диэлектрика и заключенные в один корпус.

Практика показывает, что оптическая развязка обеспечивает наиболее надежную изоляцию от высоких напряжений по сравнению с другими технологиями гальванической развязки (индуктивная, емкостная), гарантируя защиту обслуживающего персонала и низковольтного управляющего оборудования.

Компания Broadcom является ведущим мировым производителем оптронов и специализированных микросхем с оптической развязкой для различных применений. Оптроны Broadcom полностью соответствуют требованиям стандартов IEC 60747-5-5 и UL 1577 для усиленной изоляции (reinforced isolation). Оптроны Broadcom отличаются высокой стойкостью к электростатическим разрядам и скачкам напряжения. Кроме того, они нечувствительны к электромагнитному излучению и сами не создают электромагнитных помех в системе.

Все микросхемы с оптической развязкой компании Broadcom делятся на три большие группы, в зависимости от условий их эксплуатации:

1. Пластиковые (индустриальные) – для промышленных применений.
2. Автомобильные – для автомобильной электроники (отличаются широким температурным диапазоном).
3. Герметичные – для высоконадежных применений и жестких условий эксплуатации (имеют прочный корпус).

Кроме того, микросхемы с оптической развязкой различаются по своему назначению. В ассортимент продукции Broadcom входят оптроны для передачи цифрового сигнала, драйверы силовых транзисторов (IGBT/MOSFET), микросхемы для управления интеллектуальными силовыми модулями (IPM), изолирующие усилители для измерения тока и напряжения и другие устройства.

На нашем сайте представлена часть номенклатуры микросхем с оптической развязкой, выпускаемых Broadcom, в основном самые новые модели. С полным ассортиментом Вы можете ознакомиться на сайте компании Broadcom и в каталоге, размещенном на нашем сайте.

Короткие оптические линии

Защиту от более высоких напряжений также можно обеспечить при помощи передатчика и приемника, соединенных оптическим волокном. Broadcom предлагает более удобные устройства, называемые короткими оптическими линиями (short link), или длинными оптронами. Они представляют собой излучатель и приемник, помещенные в единый пластиковый корпус, который можно разместить на плате. Такие устройства обеспечивают надежную гальваническую развязку до 50 кВ.

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.

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, hc
n
r201 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
loc
110.

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:

Рис.7. Типовая схема для
ACPL
—
C
87 из 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.

Рис.8. Осциллограмма переходного процесса
ACPL
—
C
87.

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
ACPL
—
C
87 без и с выходным фильтром.

Практическое использование гальванического разделения цепей

Рассмотрим практический пример использования гальванического разделения цепей. Многие компании производят гальванические развязки сигнальных цепей, но далеко не всегда они содержат встроенные DC/DC-преобразователи для разделения цепей питания. Насколько известно автору, среди работающих на нашем рынке компаний гальванические развязки с разделением цепей питания производят Analog Devices, Texas Instruments, Mornsun. К ним можно причислить и компанию SiLabs, но следует учесть, что ее компоненты содержат ключи силового каскада, но не имеют встроенного трансформатора. Применение развязок с встроенными DC/DC-преобразователями позволяет сократить занимаемое на плате место, упрощает топологию и, как следствие, облегчает решение проблем электромагнитной совместимости.

В качестве примера рассмотрим гальваническую развязку ISOW784x компании Texas Instruments. Ее структурная схема показана на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема ISOW784x

Приведем основные параметры ISOW784x:

• напряжение питания: 3,3–5 В;
• выходная мощность встроенного DC/DC-преобразователя: 0,65 Вт;
• выходной ток встроенного DC/DC-преобразователя (max): 130 мА;
• скорость передачи данных (max): 100 Мбит/с;
• стойкость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс;
• электрическая прочность изолирующего барьера: 5 кВ (СКЗ) и 7,071 кВ в пике;
• диапазон рабочей температуры: –40…125 °C;
• корпус: 16‑выводной SOIC размером 10,3×7,5 мм.

Максимального выходного тока 130 мА встроенного DC/DC-преобра­­зователя, как правило, вполне достаточно для того, чтобы организовать питание четырех трактов входных сигналов. В качестве диэлектрика в развязке используется диоксид кремния SiO₂. Его диэлектрическая прочность достигает 500 В (СКЗ)/мкм, благодаря чему и достигается высокая электрическая прочность изоляции, позволяющая с запасом удовлетворить требования стандартов электробезопасности.

Заметим, что никакое гальваническое разделение цепей не означает полного разделения частей. Проходные емкости собственно развязки, особенно малогабаритного встроенного трансформатора DC/DC-преобразователя, и паразитные емкости платы создают токовый контур, который представляет собой антенну, излучающую помехи. Причем чем выше скорость передачи данных и больше площадь токовой петли из паразитных емкостей, тем больше величина излучаемых помех

На эти обстоятельства следует обратить внимание при разработке топологии платы и постараться уменьшить паразитные емкости между двумя частями системы

Уменьшить величину токовой петли может Y2‑конденсатор С_ISO (рис. 2). Напомним, что по требованиям стандарта IEC60384-1 максимально допустимое напряжение Y2‑конденсатора должно находиться в диапазоне 150–300 В (АС). Этот конденсатор должен выдерживать пиковое напряжение 5 кВ. Но, к сожалению, такой конденсатор имеет и паразитную индуктивность выводов, которая снижает эффективность его использования в полосе частот выше 200–300 МГц.

Решением этой проблемы может стать емкость, образованная слоями печатной платы (stitching capacitance). На рис. 6 показан пример формирования такой емкости на четырехслойной печатной плате. Изолированные части системы размещаются на верхнем и нижнем слоях, емкость образуется с помощью слоев земли и питания. В данном случае величина емкости составила 30 пФ. Подробный расчет, создаваемой таким образом емкости, изложен в .

Рис. 6. Конденсатор, образованный слоями печатной платы (stitching capacitance)

Итоги

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

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

**- цена средняя по минимальным.Ярослав Власов

P.S. АОД130А производства ОАО «Протон» (с гравировкой их логотипа в черном корпусе) — хороший. Старые (90х годов в коричневом корпусе) не годятся.

Гальванической развязкой или гальванической изоляцией называется общий принцип электрической (гальванической) изоляции рассматриваемой электрической цепи по отношению к другим электрическим цепям. Благодаря гальванической развязке осуществима передача энергии или сигнала от одной электрической цепи к другой электрической цепи без непосредственного электрического контакта между ними.

Гальваническая развязка позволяет обеспечить, в частности, независимость сигнальной цепи, поскольку формируется независимый контур тока сигнальной цепи относительно контуров токов других цепей, например силовой цепи, при проведении измерений и в цепях обратной связи. Такое решение полезно для обеспечения электромагнитной совместимости: повышается помехозащищенность и точность измерений. Гальваническая изоляция входа и выхода устройств зачастую улучшает их совместимость с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке.

Безусловно, гальваническая развязка обеспечивает и безопасность при работе людей с электрическим оборудованием. Это одна из мер, и изоляцию конкретной цепи необходимо всегда рассматривать в совокупности с другими мерами обеспечения электрической безопасности, такими как: защитное заземление и цепи ограничения напряжения и тока.

Для обеспечения гальванической развязки могут быть использованы различные технические решения:

индуктивная (трансформаторная) гальваническая развязка, которая применяется в и для изоляции цифровых цепей;

оптическая развязка посредством оптрона (оптопара) или оптореле, применение которой является типичным для многих современных импульсных источников питания;

емкостная гальваноразвязка, когда сигнал подается через конденсатор очень маленькой емкости;

электромеханическая развязка посредством, например, .

В настоящее время очень широкое распространение получили два варианта гальванической развязки в схемах: трансформаторный и оптоэлектронный.

Построение гальванической развязки трансформаторного типа предполагает применение магнитоиндукционного элемента (трансформатора) с сердечником или без сердечника, выходное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки которого пропорционально входному напряжению устройства

Однако, при реализации этого способа, важно учесть следующие его недостатки:. на выходной сигнал могут влиять помехи, создаваемые несущим сигналом;

на выходной сигнал могут влиять помехи, создаваемые несущим сигналом;

частотная модуляция развязки ограничивает частоту пропускания;

большие габариты.

Развитие технологии полупроводниковых устройств в последние годы расширяет возможности построения оптоэлектронных узлов развязки, основанных на оптронах.

Принцип работы оптрона прост: светодиод излучает свет, который воспринимается фототранзистором. Так осуществляется гальваническая развязка цепей, одна из которых связана со светодиодом, а другая — с фототранзистором.

Такое решение имеет ряд достоинств: широкий диапазон напряжений развязки, вплоть до 500 вольт, что немаловажно для построения систем ввода данных, возможность работы развязки с сигналами частотой до десятков мегагерц, малые габариты компонентов.

Если не применять гальваническую развязку, то максимальный ток, протекающий между цепями, ограничивается лишь относительно небольшими электрическими сопротивлениями, что может привести в результате к протеканию выравнивающих токов, способных причинить вред как компонентам цепи, так и людям, прикасающимся к незащищенному оборудованию. Обеспечивающий развязку прибор специально ограничивает передачу энергии от одной цепи к другой.

Похожие записи:

Цвет #fffff0, цвет слоновой кости, ivory Как выбрать и пользоваться клеммниками wago для соединения проводов Линолеум для кухни: разновидности и советы по выбору типа раскроя и фактуры, фото интерьеров Как сделать реле времени для включения и выключения электроприборов своими руками Деревянное колесо своими руками Делаем клеймо своими руками