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.
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.
ВидыТакая 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.
Индуктивная развязкаДля 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.
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 развязка цепей, которые связаны с одной стороны со светодиодом, а с другой – с фототранзистором.
Диодная оптопараВ 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.
Транзисторная оптопараТакие 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Если последнее предложение вас взбудоражило..
Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде этого. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.
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.
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 картинок
Микросхема 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 картинок
Микросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключа
Микросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входе
Микросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунта
Микросхема серии Si890x — изолированный АЦП
к Фредерик Досталь Скачать PDF
Многие электронные схемы требуют гальванической развязки. Трансформаторы обычно используются для обеспечения этого электрического разделения. Многочисленные различные топологии используются для передачи электроэнергии через трансформатор. Одним из широко используемых типов схем, особенно для малой мощности примерно 50 Вт или менее, является обратноходовой преобразователь.
На рис. 1 показана схема простого обратноходового преобразователя. Пока переключатель S1 включен, обратноходовой преобразователь накапливает энергию в сердечнике трансформатора T1. Когда S1 выключен, энергия, запасенная в сердечнике, высвобождается на выходе через вторичную обмотку T1 через безынерционный диод D1.
Рис. 1. Схема обратноходового преобразователя.
На рис. 1 видно, что помимо силового тракта требуется канал обратной связи, показанный зеленым цветом. Он используется для точной регулировки выходного напряжения. К сожалению, этот путь обратной связи довольно сложен, поскольку и здесь сигнал обратной связи должен передаваться через гальваническую развязку. Для этого используются оптопары или модули цифровой развязки типа ADuM319.0 используются. Сигнал обратной связи также может восприниматься на первичной стороне, и в этом случае гальваническая развязка пути обратной связи не требуется.
Гальванически развязанная обратноходовая цепь с небольшими размерами может быть легко построена с использованием преобразователя на безоптической платформе продуктов, предлагаемой Analog Devices. На рисунке 2 показан LT8301 с входным напряжением до 42 В и максимальным током переключения 1,2 А. В схеме, показанной на рисунке 2, не видно пути обратной связи от выходного напряжения обратно к импульсному стабилизатору на первичной стороне. Однако существует скрытый внутренний путь обратной связи через трансформатор. Во время выключения ключа первичной стороны измеряется напряжение, которое отражается обратно через первичную обмотку трансформатора. Это позволяет получить точную информацию о состоянии выходного напряжения на первичной стороне.
Рис. 2. Очень компактный и простой в использовании обратноходовой преобразователь с безоптическим преобразователем LT8301.
Помимо этого решения с гальванической развязкой, существует еще один умный способ построить гальванически развязанную обратную цепь. Эта технология показана на рис. 3. Она известна как преобразователь iso-buck.
Рисунок 3. Изо-понижающий преобразователь, построенный на MAX17681.
Основное различие между обычным обратноходовым преобразователем и изо-понижающим преобразователем заключается в конденсаторе C BUCK , между первичной обмоткой трансформатора и землей. В MAX17681 первичная обмотка трансформатора управляется полумостом. Это означает, что MAX17681 имеет переключатель верхнего и нижнего плеча. В безоптическом обратноходовом преобразователе (рис. 2) есть только один переключатель, который находится между первичной обмоткой трансформатора и землей.
Изо-понижающий преобразователь можно рассматривать как простой понижающий преобразователь со связанным индуктором и, таким образом, генерируемым изолированным напряжением. Синяя линия на рис. 3 обозначает понижающий преобразователь. Напряжение на С BUCK соответствует регулируемому напряжению этого встроенного понижающего преобразователя.
Ни одна из этих концепций импульсного стабилизатора с гальванической развязкой не требует обратной связи по сигналу с оптопарой. Каковы преимущества каждого решения?
Безоптический преобразователь (рис. 2) не требует большого шунтирующего конденсатора на первичной стороне (C BUCK ) и управляется одним переключателем. Изо-понижающий преобразователь имеет то преимущество, что дополнительно имеет точно регулируемое напряжение на первичной стороне. Это также может быть использовано в системе, например, для питания электроники устройств первичной цепи. Оно должно быть установлено таким образом, чтобы при использовании имеющегося трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации желаемое гальванически развязанное напряжение В Генерируется OUT2 .
Фредерик Досталь
Фредерик Досталь — эксперт по управлению питанием с более чем 20-летним опытом работы в этой отрасли. После изучения микроэлектроники в Эрлангенском университете, Германия, он присоединился к National Semiconductor в 2001 году, где работал инженером по полевым приложениям, приобретая большой опыт внедрения решений по управлению питанием в проекты клиентов. Во время работы в National он также провел четыре года в Фениксе, штат Аризона (США), работая над импульсными источниками питания в качестве инженера по приложениям. В 2009, он присоединился к Analog Devices, где с тех пор занимал различные должности, работая над линейкой продуктов и европейской технической поддержкой, и в настоящее время привносит свои обширные знания в области проектирования и приложений в качестве эксперта по управлению питанием. Фредерик работает в офисе ADI в Мюнхене, Германия.
Эта статья является частью TechXchange : Изучение технологии цифрового изолятора
Загрузите эту статью в формате PDF.
Сегодня во многих новых конструкциях абсолютно необходима гальваническая развязка между двумя или более частями оборудования или между двумя критическими секциями одного продукта или системы. Если вы еще не делали этого раньше, вы можете ускориться, прежде чем продолжить. Это означает изучение основ гальванической развязки, причин ее использования и знакомство со способами ее достижения.
В этой статье дается определение гальванической развязки, объясняются ее преимущества, а затем обобщаются наиболее распространенные способы ее реализации. И это раскрывает новый подход к обеспечению гальванической развязки с помощью специальных ИС.
Спонсорские ресурсы:
Знакомство с гальванической развязкой
Гальваническая развязка — это процесс проектирования оборудования или систем с отдельными источниками питания, чтобы они не обменивались питанием и не взаимодействовали каким-либо образом. Идея состоит в том, чтобы питание постоянного тока (и/или переменного тока) было отдельным и независимым. Одна система электроснабжения не должна влиять на другую. В то же время обычно необходимо полностью изолированно передавать сигналы мониторинга и управляющие данные между ними.
Энергоизоляция достигается за счет того, что две физические секции находятся на достаточном расстоянии друг от друга. И это обычно реализуется путем НЕ соединения 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 помогают защитить пользователей и специалистов по обслуживанию от ударов, низковольтные цепи от высокого напряжения, а в некоторых случаях защищают от молнии.
Примеры оборудования, требующего гальванической развязки, включают программируемые логические контроллеры (ПЛК) в заводских инструментах и оборудовании, источники бесперебойного питания (ИБП), моторные приводы, промышленные роботы, зарядные устройства, инверторы и иногда преобразователи постоянного тока. И есть растущая потребность в автомобильных приложениях.
TI. com — это самый простой способ поиска и покупки оригинальных деталей TI по самым низким ценам в Интернете.
{}»>Купить на TI.com
Внедрение гальванической развязки
Для реализации гальванической развязки используется широкий спектр методов. Пожалуй, самым старым и до сих пор самым эффективным является трансформатор. Он работает, позволяя своим двум обмоткам передавать данные, сообщения и коды посредством магнитных полей между первичной и вторичной обмотками. Между первичной и вторичной обмотками постоянного тока нет.
Рисунок 1 показан пример основного источника питания, используемого в системе, требующей изоляции. SN6501-Q1 — это драйвер генератора, который вырабатывает сигнал переключения для трансформатора. Трансформатор обеспечивает соотношение витков для получения желаемого выходного напряжения и идеальную изоляцию, полученную за счет только магнитной связи между входом и выходом. Регулятор с малым падением напряжения (LDO) очищает выпрямленный сигнал и устанавливает желаемое выходное напряжение.
Оптопары или оптоизоляторы — еще одно почти идеальное устройство для передачи данных с разумной скоростью. Поток данных о напряжении управляет светодиодом внутри оптоизолятора. Фототранзистор улавливает свет на расстоянии нескольких миллиметров. Выход транзистора полностью изолирован от входа. Изоляция очень полная.
Одним из лучших методов изоляции является использование конденсаторов. Они блокируют постоянный ток, но пропускают переменный ток, что делает их и их варианты чрезвычайно эффективными. Другими устройствами, участвующими в создании гальванической развязки, являются специальные компоненты, такие как датчики Холла и даже механические реле.
Современная гальваническая развязка
Лучший способ обеспечить необходимую гальваническую развязку в наши дни — использовать продукты, специально предназначенные для этой цели. Примеры включают специальные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), используемые для отправки изолированных данных измерения тока и напряжения, когда это необходимо системе.
Дифференциальные усилители контролируют напряжение на чувствительном резисторе, чтобы обеспечить показания тока. Обычно в этом приложении требуется два источника питания (рис. 2, слева) . Однако наличие второго запаса делает продукт больше, тяжелее и дороже.
Компания Texas Instruments разработала линейку усилителей и АЦП с однополярным питанием, чтобы решить эту проблему. Изолированный усилитель AMC3301 (рис. 2, справа) включает в себя полностью интегрированный преобразователь постоянного тока для подачи второго напряжения питания. Изоляция обеспечивается емкостной связью внутри ИС. AMC3301 соответствует правилам безопасности изоляции высокого напряжения для сертификации UL 1577 до 4250 В среднеквадратичного значения и DIN VDEV 0884-11 для пикового напряжения до 6000 В.
Для предоставления изолированных данных измерений и управления можно использовать два типа изолирующих устройств — изолированный усилитель и изолированный модулятор. Оба являются типами с однополярным питанием, и каждый содержит внутренний дельта-сигма (ΔΣ) АЦП.
Контролируемый аналоговый сигнал отправляется на микросхему, усиливается, а затем оцифровывается АЦП. АЦП генерирует последовательный битовый поток, который проходит через встроенный емкостной изолирующий барьер. Этот последовательный битовый поток затем отправляется на фильтр нижних частот, который создает напряжение, пропорциональное входному сигналу. В этот момент восстановленный сигнал постоянного тока может быть снова оцифрован в другом АЦП, возможно, в обычном системном микроконтроллере 9.0006
В качестве опции можно использовать изолированный модулятор, такой как AMC1305/06 от TI. Он принимает отслеживаемый сигнал тока или напряжения и усиливает его перед оцифровкой в более быстром ΔΣ АЦП. АЦП посылает свой сигнал через внутренний емкостной изолирующий барьер на выход. Этот сигнал представляет собой серию битов, представляющих напряжение внутри устройства. Внешний фильтр нижних частот генерирует пропорциональный аналоговый сигнал, который можно снова оцифровать для цифровой обработки сигнала.