Гальваническая развязка

Введение

Гальваническая развязка (изоляция), обычно называемая просто развязкой, представляет собой способ, согласно которому отдельные части электрической системы могут обладать разными потенциалами земли.

Двумя наиболее распространенными причинами создания разъединения является безопасность от сбоев в продуктах промышленного класса и там, где требуется проводное соединение между устройствами, каждое из которых имеет собственный источник питания.

Гальваническая развязка оптоэлектронного типа

С возможными выходными технологиями, установчих полупроводниковых элементов, все беле широко распространенные простаты бГР — блоки гальванической изоляции на основе оптоэлектронных узлов. Их основу составляют оптроны, известные среди электротехников как оптопары, выполненные на основе диодов, транзисторов, тиристоров и других элементов, обладающих повышенной светочувствительностью.

Общая схема оптической части, соединяющей источник данных с приемником, использует в качестве сигнала нейтральные фотоны. Благодаря этому свойству цепь отключается на входе и выходе, а также согласовывается с входными и выходными сопротивлениями.

При использовании оптоэлектронной схемы приемник никак не влияет на источник сигнала, поэтому сигналы можно модулировать в широком диапазоне частот. Эти устройства имеют компактные размеры, поэтому их часто используют в микроэлектронике.

В конструкцию оптической пары входят излучатель света, проводящая среда для светового потока, а также приемник, преобразующий свет в электрические сигналы. Сопротивление на входе и выходе оптрона очень большое, цепочка в несколько миллионов Ом.

Начальный входной сигнал пападать на светодиод, далее в виде света он про световоду пападать на фототранзистор. На выходе устройства эта схема создает всплеск или импульс выходного электрического тока. В результате цепи, соединенные с двух сторон светодиодом и фототранзистором, изолированы между собой.

Виды гальванической развязки

В микросхемах гальванической развязки используются три метода гальванической развязки:

• оптронная развязка;
• развязка
• КМОП.

Оптронная развязка известна очень давно. Возможно, большое количество таких изделий в производстве гальванических оптронных развязок допозитивли компании Avago (теперь Broadcom) и Toshiba.

Основными ограничивающими факторами в использовании оптронов являются температурная зависимость, временные задержки, которые могут вызывать рассинхронизацию тактовых сигналов и данных, ограничение скорости передачи и достаточно большое энергопотребление. В высокоскоростных интерфейсах изоляция оптопары не находит широкого применения.

Трансформаторная развязка настройки продукции в технологии iCoupler компании Analog Devices, а развязка с выставлением КМОП-технологии — в технологиях компаний Texas Instruments и SiLabs. Обе эти технологии позволяют повысить электрическую прочность изоляции более чем до 5 кВ (АС).

В технологиях iCoupler планарный микротрансформатор образуется на кристалле кремния. Первичная и вторичная части этого трансформатора разделены полиимидом с высоким электрическим сопротивлением. В технологии КМОП кристаллы, образующие первичную и вторичную части перехода, разделены дифференциальным емкостным изолирующим барьером.

С точки зрения автора, трансформаторная и емкостная развязки технологии КМОП практически эквивалентны при использовании в сетях передачи данных. Ни один из них не имеет явных преимуществ перед другим.

Несмотря на отмеченные выше недостатки оптронных переходов, следует сказать несколько слов в их защиту. В специализированных СМИ часто высказывается мнение, что этот тип развязки якобы устарел и по всем параметрам уступает конкурентам. В качестве доказательства приводятся результаты сравнительных испытаний или моделирования.

Например, среди прочих характеристик рассматривается важный параметр — устойчивость к изменению синхрофазного напряжения (синфазная переходная устойчивость, CMTI).

Сравивается развязка на развязку сынфазного влажного оптронной развязки HCPL‑4506 (с CMTI = 20 кВ/мкс) и развязки Si8712A (с CMTI свыше 50 кВ/мкс), продуцируемой по КМОП-технологии. Как и ожидалось, результаты сравнительных тестов показали, что Si8712A значительно меньше реагирует на изменение синфазного напряжения, чем HCPL‑4506.

Результат объясняется наличием паразитных конденсаторов и несовершенством схемы HCPL‑4506. Действительно, как уже было сказано, паразитные проходные конденсаторы ухудшают характеристики развязки, но дело в том, что далеко не лучший вариант развязки оптопары, он был выбран для тестирования.

Например, оптрон ACNW3410 фирмы Avago (Broadcom) в драйвере затвора использует усовершенствованную схему и его значение CMTI = 100 кВ/мкс такое же, как и у ответвителей, произведенных по двум другим технологиям.

В заключение отметим, что оптронные переходы имеют свое нишевое применение. В первую очередь это одноканальные стыки сигнальных линий и драйверов затворов.

Из-за относительно больших задержек распространения сигналов и возможного несоответствия этих задержек между каналами не рекомендуется их использование в многоканальных системах передачи данных и в драйверах затворов силовых каскадов с двумя и более силовыми ключами

Зачем оно нужно

Существуют три основные задачи, которые решает развязка цифрового сигнала.
Первое, что приходит на ум, это защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванического разъединения является требованием, которое техника безопасности предъявляет к большинству электроприборов.

Пусть микроконтроллер, у которого естественно малое напряжение питания, задает сигналы управления силовым транзистором или другим высоковольтным устройством. Это более распространенная задача. Если между драйвером, увеличивающим управляющий сигнал по мощности и напряжению, и устройством управления отсутствует изоляция, то микроконтроллер рискует просто сгореть.

Кроме того, как правило, к цепям управления подключаются устройства ввода-вывода, поэтому человек, нажимающий кнопку «вкл», может легко замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.
Итак, гальваническое отключение сигнала служит для защиты людей и техники.

Не менее популярно использование микросхем с изолирующим барьером для соединения электрических цепей с разным напряжением питания. Это просто: между цепями нет «электрической связи», поэтому сигнал логических уровней информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будет соответствовать питанию «входной» и «выходной» цепей , соответственно.

Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости системы. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто им является корпус устройства.

При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает общий потенциал передатчика и приемника, необходимый для передачи информационного сигнала. Так как общий провод обычно служит одним из полюсов питания, подключение к нему различных электронных устройств, особенно силовых, приводит к кратковременным импульсным помехам.

Они предполагаются при мене «электрического сообщения» на сообщение чрез изолирующий барьер.

Будет интересно➡ Что такое диэлектрическая проницаемость?

Где оно работает

Теперь о том, что в некоторых микросхемах используется изолирующий барьер.
Цифровые изоляторы названы первыми. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в один корпус.

Выпускаются микросхемы с размещением онлайн и в однонаправленных каналах, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфеасов), изоляторы с бильным DC/DC-контроллером для изоляции производства. Кроме того, выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе оптодрайверы, токовые шунтирующие усилители, АКП с гальванической развязкой и другие.

* Микросхемы серии Si86xx (также известные как Si84xx) — однонаправленные цифровые изоляторы

В QSOP также есть небольшие изоляторы Si80xx. Все на 1кВ.
* Микросхемы серии Si860x (известные также как Si840x) — двусторонние цифровые изоляторы для шины I2C и т.д.

* Микросхемы серии Si87xx — цифровые изоляторы на посадочном месте оптрона

* Микросхемы серии Si88xx — со встроенным DC/DC

* Микросхемы серии Si823x — двухканальные драйверы силовых транзисторов (+ Si824x, заточенные под усилители звука)

* Микросхемы серии Si826x — одноканальные драйверы на месте оптодрайверов

* Микросхемы серии Si8920 — гальваноразвязанные АЦП

* Микросхемы серии Si890x — изолированные токовые шунтирующие усилители

Читайте также: Электроемкость конденсатора — формула и определение

Устройство гальванической развязки TEPLOCOM GF для питания котлов отопления

Компания BASTION уже несколько лет разрабатывает и производит специальное устройство, позволяющее гальванически разъединять или соединять цепи питания приборов системы отопления и цепи электропитания дома.

Это устройство позволяет выполнять правильное и безопасное подключение оборудования в домах, где заземление не предусмотрено, либо качество заземления не соответствует техническим нормам.

Устройство гальванической связи ТЕПЛОКОМ ГФ предназначено для улучшения качества электроэнергии в электрических сетях без заземления и в электрических сетях с плохим заземлением.

Устройство гальванической связи ТЕПЛОКОМ ГФ предназначено для организации качественного и безопасного электроснабжения котлов отопления и других устройств в системе отопления дома.

Устройство гальванической связи ТЕПЛОКОМ ГФ может быть использовано для улучшения электроснабжения других электроприборов и оборудования мощностью не более 200 ВА.

TEPLOCOM GF может эксплуатироваться в закрытых помещениях и специально разработан для работы в режиме 24/7.

Современная гальваническая развязка

В наши дни лучшим способом обеспечить необходимую гальваническую развязку является использование компонентов, разработанных специально для этой цели. Примеры включают специальные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), используемые для передачи изолированных данных измерений тока и напряжения, когда это необходимо системе.

Дифференциальные усилители контролируют напряжение на чувствительном резисторе для получения текущего значения. Обычно для этого приложения требуется два источника питания (рисунок слева). Однако наличие второго источника питания делает изделие больше, тяжелее и дороже.

Компания Texas Instruments разработала линейку усилителей и АКП с однополярным питанием, чтобы решить эту проблему. Изолированный успилитель AMC3301 (фисунок выше дрога) включает в себя полностью интегрированный преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC) для подачи второго напряжения питания.

Изоляция обеспечивается емкостной связью в интегральной схеме. AMC3301 соответствует правилам безопасности высоковольтной изоляции по сертификации UL 1577 до 4250 В среднекраткократного снижения DIN VDEV 0884-11 для пикового напряжения до 6000 В.

Для обеспечения изолированных измерений данных и управления могут использоваться два типа изолирующих устройств — изолированный усилитель и изолированный модулятор. Оба являются типами с однополярным питанием, и каждый содержит внутренний дельта-сигма (ΔΣ) АЦП.

Контролируемый штрафной сигнал продается на микросхему, выполняется, а тим оцифровывается АЦП. АЦП формирует последовательный поток битов, проходящий через емкостной изолирующий барьер на кристалле.

Затем эта последовательность битов отправляется на фильтр низких частот, который создает напряжение, пропорциональное входному сигналу. В этот момент восстановленный сигнал постоянного тока можно снова оцифровать в другой АС, возможно, в штатном системном микроконтроллере.

Как еще вариант можно использовать изолированный модулятор типа AMC1305/06 от TI. Он принимает отслеживаемый сигнал тока или напряжения и усиливает его перед оцифровкой с более быстрым ΔΣ АЦП. АЦП подает свой сигнал через внутренний емкостной изолирующий барьер на выход.

Этот сигнал представляет собой серию битов, представляющих напряжение внутри устройства. Внешний низкочастотный фильтр генерирует пропорциональный аналоговый сигнал, который снова может быть оцифрован для цифровой обработки сигнала.

Хотя и изолированные усилители, и модуляторы действительно обеспечивают хорошие характеристики, наилучшим вариантом, как правило, являются изолированные модуляторы. У них отличное соотношение сигнал/шум, лучшая точность и меньшая задержка.

Электроника для всех

Порой приходится делать гальваническую развязку аналогового сигнала. Например, отделить контроллер АЦП от высоковольтной части. И если с передачей дискретных сиганов все белееме не нет программы, там можно обитись объявление опторон, работающий мидео вкл-вкл, то что делать с налогным сигналом?

Первое, что приходит в голову, это взять какую-нибудь оптопару и попробовать запитать 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 отверстие.

Если посмотреть даташит какого-нибудь оптрона, типа дешевого и популярного LTV817, то да, можно увидеть вполне характерную зависимость выходного тока (ИС от входного тока светодиода (ПЧ):

И даже можно попробовать что-то на нем изобразить. Но есть несколько проблем. И главное даже не в нелинейности. В конце вечень, против качества, у нас сигнал все раво идет на АЦП какое-нибудь. А там нелинейность можно было бы и программно исправить — бомбить пластину или по формулам с кусочно-линейной аппроксимацией.

Нет, тут основная проблема — это разброс параметров самих оптронов от штуки к штуке, даже в пределах одной партии, к тому же они еще и очень сильно меняют свои характеристики с температурой. Вы получите систему, которую сложно повторить и откалибровать. Корей тиклес делать сравнимый термометр чем линия связи

Будь то фотодиод, фототранзистор или фоторезистор. Для сколь-нибудь точной передачи сигнала подходит как таковая. Но это можно исправить и прогазите нам наш старый дружок… Операционный успилитель! :))))

Во-первых, он поможет нам линеаризовать сигнал. Т.е можно осмелиться забыть об этих кривых передаточных характеристиках оптического канала и все, что вошло, выйдет таким же образом. А это по существу все образуется.

Осуществляем обратную связь по оптическому каналу. Как это работает. Допустим, в начальном состоянии фототранзистор затемнен, закрыт и точка А подключена к +V, пусть там будет 15 вольт. А на точку В давала, скажем, 3 вольта входного сигнала.

На выходе будет (15-3) * дохрена = напряжение короткое замыкание светодиодные оптопары и удобный доступ к фототранзистору. А он, в соевое, просадит просадит просадит подтяжки в восприятии А до тех пор, пока не сравняется напряжение на пточке В и ОУ не успокоится, замерев в этом устойчивом положении.

Если мы смоделируем его, мы увидим, что напряжения идентичны.

Желтый свет поступает от генератора, а синий — от обратной связи.

Почти.. у выходного (Сигнал В) сигнало есть небольшая плоскость безона. Это связано с тем, что транзистор оптопары не может полностью обнулить сигнал. Чтобы избавиться от него, необходимо плавно поднять входной сигнал, добавив к нему сдвиг на полвольта-вольта. Например, сумматор из ОУ. Но это уже не большая проблема, сумматор можно собрать на другой схеме из этой же микросхемы.

Хорошо. Приравнали мы днежность А и В с может ОУ. И что это нам дает? Ведь они на одной стороне. Что дальше? И тогда мы можем взять второй, точно такой же оптрон, а лучше второй канал сдвоенного оптрона (чтобы иметь максимально идентичные свойства) и установить его на такой же выходной ток, что и наш ОУ. И он будет дублировать напряжение на той стороне. Вот так:

Токи через светодиоды одинаковы, поэтому они загораются одинаково. Транзисторы одинаковые (насколько это возможно), поэтому на выходе будет одинаковое напряжение.

На модели все то же самое:

Если делать смещение, то же, на примечание ОУ, его можно и ретреза.

Для этого существуют даже специальные линейные оптопары. Отличаются лучшими характеристиками по работе в линейном режиме, а также имеют один светодиод, который загорается сразу на два фотодетектора. Что еще больше снижает отклонение параметров, повышая точность. Типичный представитель такой микросхемы HCNR200 имеет один светодиод и два фотодиода. Включается следующим образом:

Здесь почти так же. Только фотодиод подтягивает линию, когда загорается. Стремитесь сравнить напряжения на А и В. А второй фотодиод, со стороны шлагбаума, повторяется за ним один за другим.

Если моделировать, то все работает одинаково.

Но платформы на выходе уже нет. А если оно появляется у вас сверху, то фотодиод не может выдать необходимый ток для обеспечения падения напряжения и надо увеличивать сопротивление резистора, который его тянет вниз.

У этого способа отключения много недостатков. Он не очень точен, не очень быстр. Никакой прицизионности тут не будет, верность в процентах вам обечена. И вряд ли вы часть перестачиваете сигнал быстрей селично существующих килогерц через такую ​​сборку. Но у него есть одно несомненное достоинство — предельная дешевизна и простота.

Так что если вас не смущает погрешность в несколько процентов, а частота небольшая, то зачем платить полсотни баксов за прецизионно изолированные ОУ, если можно обойтись всего двумя-тремя бачинами на поп-оптрон и не меньше поп усилитель.

Это способ передачи аналогового сигнала с гальванической развязкой. В следующий раз я покажу вам еще несколько способов.

Микросхемы для гальванической развязки цифровых сигналов (изоляторы)

TI предлагает широкий спектр микросхем, предназначенных для развязки цифровых сигналов различной скорости (от постоянного сигнала до 150 Мбит/с), выпускаются однонаправленные и двунаправленные модификации, содержащие от одного до четырех каналов (таблица 2). Из-за повышения уровня интеграции многоканальные изоляторы позволяют сэкономить место на плате.

Микросхему можно использовать в обычных цифровых интерфейсах в различных промышленных приложениях. Все изоляторы имени ондополярного питания 3/5 В, логические КМОП-уровни переключение. Номинальное напряжение находится в диапазоне 3,3…5,0 В как для VCC1, так и для VCC2. Возможна их комбинация.

Все микросхемы с тремя цифрами в названии — одноканальные (ISO721). В изоляторах с четырьмя цифрами первые две обозначают серию, предпоследняя говорит о количестве каналов, а последняя — о каналах с обратным направлением передачи данных.

Например, ISO7241 часто используется для гальванической развязки интерфейса SPI и имеет четыре канала: передача данных, прием, синхронизация и выбор устройства (рис. 1).

Инжир. 1. Структура ISO7241

Емкостный барьер с изолятором из диоксида кремния (SiO2) используется для отключения цепей передачи данных в микросхемах ТИ. Технология характеризуется высокой степенью надежности, малыми временными задержками распространения сигнала (от 7 нс), малыми искажениями сигнала и задержками типа «канал-канал» (от 1 нс), высокой устойчивостью к электромагнитным полям, а также широким рабочим диапазоном диапазон температур (-55…125 °С).

Индекс ЭП (ISO721M-EP, ISO7241A-EP) указывает на расширенный температурный диапазон работы -55…125°С, большинство остальных микросхем имеют диапазон -40…125°С. ISO7221-HT будет доступен в ближайшем будущем; индекс HT означает высокотемпературное и высоконадежное применение в жестких температурных условиях, например, в нефтедобывающей промышленности.

Эти изделия будут изготовлены из жаропрочного пластика, способного выдерживать температуры -55…175°С.

Стоит обратить особое внимание на новое семейство двухканальных разъемов для приложений с низким энергопотреблением ISO7420/7421 — семейство разъемов с током потребления около 1,5 мА на канал. В продаже появился ISO7420FE, суффикс F означает, что в случае аварийного состояния входных линий выход будет переведен в низкоуровневое положение, таким образом защитив выходные цепи.

Вслед за Европой в России в ближайшее время планируется ужесточение требований безопасности для ответственных приложений. Например, в европейских странах существует норма двойного резервного напряжения на пробой изоляции для медицинских применений;

Таким образом, прибор должен выдерживать напряжение пробоя до 5000 В СКЗ в течение минуты. Компания Texas Instruments выпустила двухканальные изоляторы ISO7520 и ISO7521 с напряжением пробоя 5000 В RMS, отличающиеся друг от друга направлением передачи данных второго канала.