Содержание: В электронике и электротехнике используется большое количество схем, в которых требуется изолировать или отделить высокое силовое напряжение от низкого напряжения управляющих цепей. За счет этого создается своеобразная защита низковольтных устройств от влияния высокого напряжения. То есть, в таких цепях уже нет течения обычного электрического тока. В таких случаях, при отсутствии тока, между устройствами возникает большое омическое сопротивление, вызывающее разрыв цепи. Данную проблему успешно решает гальваническая развязка, с помощью которой убирается гальваническая связь между устройствами. Таким образом, энергия или сигналы будут передаваться от одной цепи к другой при отсутствии между ними какого-либо электрического контакта. Применение гальванических развязок дает возможность бесконтактного управления, обеспечивает надежную защиту людей и оборудования от поражения электротоком. Гальваническая развязка в соответствии со своей функцией известна также под понятием гальванической изоляции. Данные системы обеспечивают электрическую изоляцию конкретной цепи по отношению к другим видам цепей, находящихся рядом. Благодаря своим особенностям, гальваническая развязка обеспечивает обмен сигналами или энергией между цепями, исключая при этом непосредственный электрический контакт. С ее помощью образуется независимая сигнальная цепь за счет формирования независимого контура тока сигнальной цепи по отношению к токовым контурам других цепей. Гальваническая изоляция используется во время измерений в силовых цепях и в цепях обратной связи. Данное техническое решение обеспечивает также электромагнитную совместимость, усиливает защиту от помех, повышает точность измерений. Используемый блок гальванической развязки на входе и выходе каждого устройства способствует улучшению их совместимости с другими приборами в условиях сложной электромагнитной обстановки. Для того чтобы лучше представить себе, что такое гальваническая развязка, можно рассмотреть ее действие на примере стандартного промышленного электродвигателя. На производстве в большинстве случаев используется значение питающего напряжения, значительно превышающее 220 вольт и представляющее серьезную опасность для обслуживающего персонала. В связи с этим, подача тока на обмотки и включение двигателя осуществляется с применением специальных устройств, обеспечивающих коммутацию силовых цепей. В свою очередь, коммутаторы также управляются, чаще всего кнопками включение и выключения. Именно на этом участке и требуется развязка, защищающая оператора от воздействия опасного напряжения. Оно не попадает на пульт управления, благодаря механическому взаимодействию конструктивных элементов пускателя с магнитным полем. В настоящее время данные системы используются в различных вариантах технических решений: индуктивные, оптические, емкостные и электромеханические. 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: 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. Нередко возникает вопрос, зачем нужны различные виды развязок, в том числе и емкостная развязка. Эта схема представляет собой систему, в которой между цепями отсутствуют связи через ток, землю и другие элементы. В этом случае передача данных электрических цепей осуществляется с помощью переменного электрического поля. Изоляция цепей происходит за счет диэлектрика, расположенного между конденсаторными пластинами. Качество развязывающего конденсатора определяется свойствами диэлектрика, размером обкладок и расстоянием между ними. Данный вид изоляции обладает повышенной энергетической эффективностью, устройства на его основе отличаются незначительными размерами, способны передавать электроэнергию и не реагируют на внешние электромагнитные поля. Нормальная работа устройств обеспечивается разделением частоты сигнала и помех. Таким образом, емкость оказывает рабочему сигналу совсем небольшое сопротивление, а для помех создает преграду. Помимо уже перечисленных, существует электромеханический вариант развязки. Вопрос для чего он нужен, практически не возникает, поскольку устройства на этой основе широко применяются в электротехнике. Основой таких приборов служит реле, соединяющее электрические цепи в результате каких-либо изменений входных данных. В итоге они оказываются развязанными, а сама система получила название релейной. Наиболее ярким примером является схема электромагнитного реле. Эти приборы нужны для защиты электроустановок и в различных автоматических системах. Они разделяются на реле постоянного и переменного тока. Основным элементом считается якорь, которые под действием электромагнита и пружины осуществляет замыкание и размыкание контактов. electric-220.ru Принцип изоляции электрической цепи от других цепей в одном устройстве называется гальваническая развязка или изоляция. С помощью такой изоляции осуществляется передача сигнала или энергии от одной электрической цепи к другой, без прямого контакта между цепями. Гальваническая развязка дает возможность обеспечения независимости цепи сигналов, так как образуется независимый токовый контур сигнальной цепи от других контуров, в цепях обратной связи и при измерениях. Для электромагнитной совместимости гальваническая развязка является оптимальным решением, так как увеличивается точность измерений, повышается защита от помех. Чтобы понять принцип работы гальванической развязки, рассмотрим, как это реализуется в конструкции трансформатора. Первичная обмотка электрически изолирована от вторичной обмотки. Между ними нет контакта, и не возникает никакого тока, если, конечно, не считать аварийный режим с пробоем изоляции или виткового замыкания. Однако разность потенциалов в катушках может быть значительной. В результате, если даже вторичная обмотка будет связана электрически с корпусом устройства, а значит и с землей, то все равно на корпусе не возникнет паразитных токов, которые были бы опасны для работников и оборудования. Такая изоляция электрических цепей обеспечивается различными методами с применением всевозможных электронных элементов и деталей. Например, трансформаторы, конденсаторы и оптроны способны осуществлять передачу электрических сигналов без непосредственного контакта. Участки цепи взаимодействуют через световой поток, магнитное или электростатическое поле. Рассмотрим основные виды гальванической изоляции. Для построения трансформаторной (индуктивной) развязки необходимо применить магнитоиндукционный элемент, который называется трансформатором. Он может быть как с сердечником, так и без него. При развязке трансформаторного вида применяют трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице. Первичная катушка трансформатора соединяется с источником сигнала, вторичная – с приемником. Для развязки цепей по такой схеме можно применять магнитомодуляционные устройства на основе трансформаторов. При этом напряжение на выходе, которое имеется на вторичной обмотке трансформатора, будет напрямую зависеть от напряжения на входе устройства. При таком методе индуктивной развязки существует ряд серьезных недостатков: Развитие электронных и информационных технологий полупроводниковых элементов в настоящее время повышает возможности проектирования развязки с помощью оптоэлектронных узлов. Основу таких узлов развязки составляют оптроны (оптопары), которые выполнены на основе тиристоров, диодов, транзисторов и других компонентов, чувствительных к свету. В оптической части схемы, которая связывает приемник и источник данных, носителем сигнала выступают фотоны. Нейтральность фотонов дает возможность выполнить электрическую развязку выходной и входной цепи, а также согласовать цепи с различными сопротивлениями на выходе и входе. В оптоэлектронной развязке приемник не оказывает влияние на источник сигнала, поэтому есть возможность модулирования сигналов широкого диапазона частот. Важным преимуществом оптических пар является их компактность, которая позволяет их применение в микроэлектронике. Оптическая пара состоит из излучателя света, среды, проводящей световой поток, и приемника света, который преобразует его в сигнал электрического тока. Сопротивление выхода и входа в оптроне очень велико, и может достигать нескольких миллионов Ом. Принцип действия оптрона довольно простой. От светодиода выходит световой поток и направляется на фототранзистор, который воспринимает его и осуществляет дальнейшую работу в соответствии с этим световым сигналом. Более подробно работа оптопары выглядит следующим образом. Входной сигнал поступает на светодиод, который излучает свет по световоду. Далее световой поток воспринимается фототранзистором, на выходе которого создается перепад или импульс электрического тока выхода. В результате выполняется гальваническая изоляция цепей, которые связаны с одной стороны со светодиодом, а с другой – с фототранзистором. В этой паре источником светового потока является светодиод. Такая пара может применяться вместо ключа и работать с сигналами частотой в несколько десятков МГц. При необходимости передачи сигнала источник подает на светодиод питание, в результате чего излучается свет, попадающий на фотодиод. Под действием света фотодиод открывается и пропускает через себя ток. Приемник воспринимает появление тока как рабочий сигнал. Недостатком диодных оптопар является невозможность управления повышенными токами без вспомогательных элементов. Также к недостаткам можно отнести их малый КПД. Такие оптические пары имеют повышенную чувствительность, в отличие от диодных, а значит, являются более экономичными. Но их скорость реакции и наибольшая частота соединения оказывается меньше. Транзисторные оптические пары обладают незначительным сопротивлением в открытом виде, и большим в закрытом состоянии. • Без вывода базы.• С выводом базы. Без вывода базы коллекторный ток будет напрямую зависеть от тока светодиода, но транзистор будет иметь длительное время отклика, так как цепь базы всегда открыта. В случае с выводом базы есть возможность увеличить скорость реакции подключением вспомогательного сопротивления между эмиттером и базой транзистора. Тогда возникает эффект, при котором транзистор не переходит в состояние проводимости до тех пор, пока диодный ток не достигнет значения, необходимого для падения напряжения на резисторе. • Широкий интервал напряжений развязки (до 0,5 кВ). Это играет большую роль в проектировании систем ввода информации.• Гальваническая развязка может функционировать с высокой частотой, достигающей нескольких десятков МГц.• Компоненты схемы такой развязки имеют незначительные габаритные размеры. При отсутствии гальванической изоляции наибольший ток, который проходит между цепями, может ограничиться только малыми электрическими сопротивлениями. В результате это приводит к возникновению выравнивающих токов, которые причиняют вред элементам электрической цепи и работника, которые случайно прикасаются к незащищенному электрооборудованию. electrosam.ru Очень часто в электрических устройствах возникает необходимость исключить электрическую связь между высоким силовым напряжением и низким напряжением цепей управления. Иными словами, необходимо выполнить защиту низковольтных устройств от напряжения силовых цепей в сотни, а то и тысячи вольт. Технически это означает, что в данной системе или электрическом устройстве необходимо исключить протекание тока по общим цепям. Отсутствие тока означает наличие большого омического сопротивления между общими проводами двух устройств, что равнозначно разрыву цепи. Эту задачу решает гальваническая развязка – устройство, исключающее гальваническую связь между электрическими устройствами. Представим себе обычный промышленный электрический двигатель. В условиях производства большая часть двигателей имеет рабочее питающее напряжение выше 200В, что опасно для персонала. Поэтому подача питающего напряжения на обмотки, т.е. включение двигателя, производится при помощи дополнительных устройств, коммутирующих силовые цепи. С другой стороны, коммутаторы также должны управляться, например, кнопкой, и при этом гальваническая развязка защищает оператора от поражения опасным напряжением. Сами по себе коммутирующие устройства, например, контакторы и пускатели, являются устройствами, в которых конструкция исключает электрический контакт между входом (контакты катушки электромагнита) и выходом (силовая контактная группа пускателя). Связь между ними осуществляется только через механическое взаимодействие магнитного поля с конструктивными элементами пускателя, благодаря чему высокое напряжение питания двигателя не попадает на пульт управления. Есть и другие варианты технического решения гальванической развязки. В первую очередь это трансформаторы. С их помощью легко решается гальваническая развязка по питанию. Особенно широкое применение получил этот способ в электрорадиотехнике бытового назначения. Дело в том, что напряжение питания бытовых приборов опасно для человека. Например, при отсутствии гальванической развязки между бытовой электросетью и платой обработки телевизионного сигнала, опасный для жизни потенциал будет находиться на всех металлических элементах конструкции телевизора, а доступ до «телевизионных внутренностей» вполне доступен домашним «самоделкиным». Вопрос защиты от электрического напряжения для таких устройств решается просто: на входе бытового прибора между ним и электросетью ставится трансформатор. Его первичная обмотка включается в сеть, а вторичная подает индуктированный в ней ток для питания телевизора. Вот здесь и проявляется одна из полезных особенностей трансформатора – с его помощью реализуется гальваническая развязка аналогового сигнала, что широко используется в различных устройствах. С развитием силовых полупроводниковых приборов широкое распространение получили коммутирующие устройства – оптотиристоры - с оптронным (световым) каналом управления. Входная (управляющая) цепь оптрона содержит лампочку или светодиод, которые включаются при подаче сигнала управления. Световой поток попадает на светочувствительный управляющий электрод тиристора, который включает силовую цепь анод-катод. При этом обеспечивается 100% отсутствие гальванической связи вход-выход. Другой вариант оптронных устройств представляют собой оптотранзисторы, которыми легко решается гальваническая развязка аналогового сигнала, например, в датчиках измерительных приборов. Использование гальванических развязок в технике имеет значительно больший спектр решаемых задач, чем освещено в этой статье. Современные технологии постоянно пополняют список таких устройств для инженерного применения. fb.ru Статья посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Кратко расскажу зачем оно нужно и как производители реализуют изоляционный барьер в современных интегральных микросхемах. Плюс бонус — гайд по гальванической развязке от SiLabs.
Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции именно цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями. Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.
Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт. Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники. Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно. Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер. Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал. Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий. Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал. Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование. Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами. Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке. Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров. На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер. Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала. Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему. Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек. Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.
Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы. Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть. Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается. Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика. Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала. Если позволите, добавлю небольшой гайд по продукции SiLabs-а: * Микросхемы серии Si86xx (известны также как Si84xx) — однонаправленные цифровые изоляторы Ещё есть изоляторы малыши Si80xx в QSOP-ах. Все на 1кВ. * Микросхемы серии Si860x (известны также как Si840x) — двунаправленные цифровые изоляторы для шины I2C и т.п. * Микросхемы серии Si87xx — цифровые изоляторы на посадочное место оптрона * Микросхемы серии Si88xx — со встроенным DC/DC * Микросхемы серии Si823x — двухканальные драйверы силовых транзисторов (+ Si824x, заточенные под аудиоусилители) * Микросхемы серии Si826x — одноканальные драйверы на посадочное место оптодрайверов * Микросхемы серии Si8920 — гальваноразвязанные АЦП * Микросхемы серии Si890x — изолированные усилители токового шунта we.easyelectronics.ru Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, в качестве которого может использоваться корпус. Обычно он служит одним из полюсов электропитания, поэтому подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к тому, что при коммутациях сильноточных цепей на нем «наводятся» кратковременные импульсные помехи. В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами — источником и приемником информации — должен быть один общий потенциал, в качестве которого и выступает общий провод. В результате помехи, возникающие при коммутациях сильноточных цепей и распространяющиеся через корпус, неизбежно будут вызывать сбои в работе электронных устройств. Эффективным методом борьбы с такого рода помехами является гальваническая развязка источников помех и устройств, на работу которых помехи оказывают вредное влияние. Для этого осуществляют раздельное питание силовых и слаботочных устройств, устройств выработки управляющих сигналов и исполнительных. В идеальном случае каждое из устройств должно иметь собственный ИВЭП. Рис. 2.39. Схема гальванической развязки информационных цепей: 1 — светодиод; 2 — фотодиод Помимо борьбы с помехами, гальваническая развязка обеспечивает решение еще одной проблемы — совместной работы устройств, находящихся под разными потенциалами, так как простое электрическое соединение цепей таких устройств приведет к их выгоранию. Однако при этом возникает проблема передачи информационных сигналов между разными устройствами. Для ее разрешения применяют различные способы гальванической развязки информационных цепей. Использование оптронной развязки позволяет эффективно решать проблему передачи цифровой информации. Как это было показано в параграфе 1.2, оптрон содержит пару «светодиод—фотодиод», которая обеспечивает передачу сигнала через оптическое излучение. Поскольку оптическое излучение электрически нейтрально, оно не подвержено влиянию электромагнитных помех. Входные и выходные цепи при этом электрически никак не связаны, т.е. гальванически развязаны (рис. 2.39). Оптронную развязку используют главным образом при передаче цифровой информации. Передаче двух цифровых уровней (единицы и нуля) соответствует либо включенное, либо отключенное состояние светодиода. В затемненном состоянии ток через фотодиод практически отсутствует. При облучении фотодиода светодиодом происходит генерация фототока, который в отличие от обычного прямого тока диодов является обратным и направлен от катода к аноду. Ток фотодиода преобразуется в цифровые уровни обычно с помощью транзистора. При отсутствии фототока, а значит, и базового тока транзистор закрыт. Появление фототока вызывает ток базы транзистора, достаточный для того, чтобы ввести транзистор в насыщение. Таким образом, транзистор работает в ключевом режиме (см. параграф 3.3) и обеспечивает формирование цифровых уровней. Кроме пар «светодиод—фотодиод» в оптронах используются также пары «светодиод—фототранзистор» и «светодиод—фототиристор». Для оптронной развязки выпускают также готовые микросхемы, содержащие ту или иную оптронную пару, а также транзисторные каскады, обеспечивающие не только формирование двух цифровых уровней напряжения, но и необходимую нагрузочную способность. На основе оптронной развязки выполняют передачу цифровой информации между гальванически развязанными электронными устройствами в сложных системах обработки информации. Очень важная функция оптронной развязки — обеспечение взаимосвязи между датчиками и исполнительными устройствами технологической системы и аппаратурой управления технологическими процессами, в основе которой, как правило, используется микропроцессорное вычислительное устройство (параграф 4.4). Через оптронную развязку осуществляется прием входной информации с датчиков релейного типа (имеющих два устойчивых состояния) и ввод ее в цифровое устройство управления — программируемый логический контроллер, а также выдача управляющих команд на исполнительные механизмы. При этом разность потенциалов, под которыми находятся контроллер и технологическая система, может достигать 500 В. Рис .2.40. Схема релейной развязки Релейная развязка широко применяется при коммутации сильноточных цепей управления исполнительными механизмами. Наиболее часто используется подача силового питания на исполнительное устройство (рис. 2.40). Если допустимый ток, протекающий через замкнутые контакты реле, недостаточен для обеспечения тока нагрузки, применяют двухтактную релейную развязку, в которой контакты первого реле замыкают цепь обмотки второго сильноточного реле. Последнее может иметь питание от сети переменного тока 220 В и коммутировать трехфазное напряжение. Такие мощные электромагнитные реле, называемые пускателями, обеспечивают коммутацию электродвигателей и других сильноточных исполнительных устройств. Промышленные контроллеры, как правило, содержат набор специальных модулей, выполненных на основе электромагнитных реле и обеспечивающих гальваническую развязку контроллера и сильноточных управляющих цепей. Рис. 2.41. Схема трансформаторной гальванической развязки Трансформаторная развязка применяется при передаче аналоговых сигналов. Как известно, через трансформатор можно передавать импульсные сигналы, поэтому схема трансформаторной развязки (рис. 2.41) должна содержать устройства преобразования медленно изменяющихся сигналов в импульсный и обратно. Эту функцию выполняют модулятор, стоящий во входной цепи, и демодулятор, устанавливаемый в выходной цепи. Модулятор обеспечивает преобразование входного напряжения в последовательность импульсов, огибающая которых повторяет форму медленно изменяющегося входного напряжения Uвх. Импульсный сигнал передается через развязывающий импульсный трансформатор, после чего становится гальванически развязанным с цепью входного сигнала. Демодулятор обеспечивает обратное преобразование импульсного сигнала в медленно изменяющийся выходной сигнал Uвых. megalektsii.ru Гальваническая развязка необходима для гальванического разделения измерительной и интерфейсной части устройства с целью предотвращения попадания помех на измерительное оборудование. Классической реализацией гальванической развязки является применение оптронов, но оптрон характеризуется потреблением большого тока, поэтому наиболее оптимальным является применение новейших микросхем гальванической развязки фирмыAnalogDevicesADUM14xx. Для реализации данного устройства применим микросхемы ADUM1400 (четыре канала с односторонней проводимостью) иADUM1402(две пары разнонаправленных каналов). Основные параметры: Напряжение питания: от 4,5В до 5,5В или от 2,7В до 3,6В Максимальная скорость: 90Мбит/с Потребляемый ток от 2,8мА (при скорости до 2 Мбит/с) до 100мА (при 90Мбит/с) Задержка: 32нс DC/DCпреобразователь предназначен для получения необходимых уровней напряжения питания для измерительной части устройства, а также для гальванической развязки измерительной части по “питанию” и “земле”. При выборе конкретной микросхемыDC/DCпреобразователя необходимо в первую очередь рассчитать максимальный ток нагрузки данного элемента, а для этого просуммируем входные токи элементов, которые подключаются кDC/DCпреобразователю. Полученный результат сведём в таблицу: Микросхема AD407 AD622 AD780 AD7895 78L12 78L05 ADUM1400 (10Mbs) ADUM1402 (10Mbs) Входной ток, мА 0,5 1,5 1 4 5*2 5 3,5 7 Итого суммарный потребляемый ток составляет: 32,5 мА Следовательно, необходимо подобрать такой DC/DCпреобразователь, который обеспечивает выходной ток не менее 33 мА, а ещё лучше с небольшим запасом. Среди множества подобных устройств остановимся на микросхеме P10CU0515ZфирмыPeakElectronics. Основные параметры: Мощность: 2Вт Входное напряжение: 5В Выходное напряжение: ±15В Максимальный выходной ток: ±67мА Температурный диапазон: от -40 до +85С Тип корпуса: SIP Среди аналогов подобного устройства можно выделить микросхему TMH0515DфирмыTraco, выходной ток которой равен ±65мА при более узком температурном диапазоне. Продукцию фирмы Tracoотличает высокая надёжность и соответственно более высокая цена. Кварцевый генератор необходим для создания основного тактирующего сигнала для всего устройства. В нашем устройстве будем использовать микросхему HOSONICHD-21C Основные параметры: Резонансная частота: 10 Мгц Точность настройки: 100 Напряжение питания: 5В Выход: HCMOS/TTL Ток нагрузки: 20мА Рабочая температура: 0-70 C Микросхема FIFOв данном устройстве используется для временного хранения данных, поступающих от АЦП (через ПЛИС) с целью их последующей передачи на интерфейсISA. Остановим свой выбор на микросхеме асинхронного буфераFIFOCY7C419 фирмыCypress. Основные параметры: Организация: 256x9 Тип памяти: двухпортовая Частота чтения/записи: 50 МГц Ток потребления: 35 мА Напряжение питания: 5В Наличие признаков: Буфер пуст Буфер полон Возможность перевода выходов FIFOв третье состояние Так как данная фирма обладает широким ассортиментом совместимых между собой микросхем, то при необходимости не возникнет проблем с увеличение объёма буфера FIFO. В качестве аналога данного устройства можно привести микросхему SN74ACT7814 фирмыTexasInstrumentsс организацией 64х18 и хотя данная микросхема более удобна для нас с точки зрения организации, но она имеет недостаток, а именно 56-ти выводной корпус, против 26-ти выводного у микросхемыCypress. Необходимо также отметить, что для реализации поставленной задачи нам потребуется использовать две микросхемы CY7C419, чтобы обеспечить требуемую длину слова данных. studfiles.net Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.
Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями. Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов. Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт. Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники. Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно. Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер. Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал. Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий. Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал. Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование. Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами. Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке. Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров. На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер. Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала. Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему. Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек. Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.
Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы. Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть. Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается. Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика. Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала. Конец. Надеюсь было интересно. habr.comГальваническая развязка. Кто, если не оптрон? Применение микросхем гальванической развязки
Гальваническая развязка - применение и принцип действия
Принцип действия
Трансформаторная (индуктивная) развязка
Гальваническая развязка оптоэлектронного типа
Принцип действия емкостной развязки
Работа электромеханической развязки
Гальваническая развязка часть 1. Виды и работа. Особенности
Принцип действия
Виды
Индуктивная развязка
Оптоэлектронная развязка
Диодная оптопара
Транзисторная оптопара
Управляющие токи для транзисторной пары выше выходного тока диодной пары. Транзисторные оптроны можно применять разными способами:
Такой вид гальванической изоляции (оптоэлектронной) обладает некоторыми преимуществами:
Зачем нужна гальваническая развязка?
Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?
// это копия статьи, размещенной вчера на geektimes.ru. Возможно это будет интересно и читателям электроникса.Зачем оно нужно
Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.Как оно работает
Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.Где оно работает
Теперь о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер. Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания. Кроме того выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.
Использование гальванической развязки — МегаЛекции
4.6 Элемент гальванической развязки
4.7 Dc/dc преобразователь
4.8 Кварцевый генератор
4.9 Микросхема fifo
Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон? / Хабр
Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны. Зачем оно нужно
Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.Как оно работает
Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.Где оно работает
Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер. Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.Ещё больше картинокМикросхема серии Si86xx — цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами Микросхема серии Si860x — цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами Микросхема серии Si88xx — цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC-контроллером Кроме цифровых изоляторов выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.Ещё больше картинокМикросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключаМикросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входеМикросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунтаМикросхема серии Si890x — изолированный АЦП
интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''
Поделиться с друзьями: