Оптронная развязка: Развязка гальваническая – что это такое?

Оптоэлектронные изоляционные решения

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Короткие оптические линии

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

 

Компания «ЭФО» осуществляет поставку всего спектра микросхем с оптической развязкой компании Broadcom. Для получения технической консультации и приобретения компонентов пройдите по ссылке.

Гальваническая развязка аналогового сигнала – Робомехс

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

Способы развязки аналогового сигнала

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

Рис.1. Общая схема изолирующих усилителей.

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

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

Рис.2. Типовая схема для развязывающих оптических усилителей.

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

Специальные микросхемы оптической развязки сигнала

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

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

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

Рис.4. Осциллограмма переходного процесса il300.

Рис.5. Осциллограмма переходного процесса hcnr201.

Рис.6. Осциллограмма переходного процесса loc110.

Теперь рассмотрим микросхему ACPL-C87B (диапазон входного сигнала 0.

.2В). Честно говоря с ней я провозился достаточно долго. У меня в наличии было две микросхемы, после того как получил неожиданный результат на первой, со второй обращался очень аккуратно, особенно при пайке. Собирал всё по схеме, указанной в документации:

Рис.7. Типовая схема для ACPL—C87 из документации.

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

Рис.8. Осциллограмма переходного процесса ACPL—C87.

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

12 документации:

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

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

Рис.10. Осциллограмма переходного процесса ACPL—C87 без и с выходным фильтром.

Применение оптопар общего назначения для развязки сигнала

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

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

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

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

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

Я собрал эту схему на микросхеме 6n136:

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

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

Один знакомый посоветовал отечественную оптопару

АОД130А. Результат на лицо:

Рис.15. Осциллограмма переходного процесса развязки на АОД130А.

А вот и схема:

Рис.16: Схема развязки на АОД130А.

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

Микросхема трансформаторной развязки сигнала

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

Рис.17. Схема ADUM3190 из документации.

Немного осциллограмм:

Рис.18. Осциллограмма переходного процесса ADUM3190.

Итоги

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

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

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

**- цена средняя по минимальным.
Ярослав Власов

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

 

Использование гальванического разделения цепей для улучшения электромагнитной совместимости

Введение

Электронные системы часто работают в условиях сложной электромагнитной обстановки. Причем это обстоятельство не всегда очевидно: например, проложенный рядом с оборудованием силовой кабель, о наличии которого никто не догадывается, может доставить серьезные неприятности. Прикосновение человека к прибору с плохо обеспеченным защитным заземлением может привести к электростатическому разряду. Сильный грозовой разряд способен вывести из строя входные каскады устройства, если провода, соединяющие компоненты системы, имеют достаточно большую длину.

Стандартные способы защиты устройства от таких нежелательных случаев хорошо известны. К ним относится применение TVS-диодов во всех входных каскадах, в т.  ч. на вводе шин питания, экранирование и заземление корпуса, экранирование сигнальных проводов. Мы рассмотрим влияние гальванического разделения цепей на электромагнитную совместимость (ЭМС). Этот способ защиты не так хорошо известен, и им нередко незаслуженно пренебрегают.

 

Гальваническое разделение цепей

На рис. 1 показана упрощенная структурная схема электронного устройства без гальванического разделения цепей. На входах и на шине питания установлены защитные TVS-диоды, корпус заземлен. Поскольку современные TVS-диоды имеют очень малую паразитную емкость, их можно подключать к сигнальным линиям с высокоскоростными сигналами. Они способны защитить систему от импульсов мощностью несколько киловатт и длительностью всего несколько пикосекунд.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема электронного устройства без гальванического разделения цепей

Другими словами, эти диоды при превышении порогового напряжения замыкают входную цепь накоротко на землю, удерживая на входе безопасное напряжение. При этом они могут в течение короткого времени длительностью несколько микросекунд (напомним, что стандартный испытательный импульс имеет форму 8/20 или 10/1000) проводить токи величиной несколько сотен ампер. Такие замечательные свойства диодов позволяют хорошо защищать схему от повреждения, но в то же время создают проблемы для помехоустойчивости из-за протекания большого импульсного тока по общей земле.

В значительной степени решить эту проблему можно за счет гальванического разделения цепей. Упрощенная структурная схема устройства с гальваническим разделением цепей показана на рис. 2. В данном случае входные тракты системы и ее питание отделены от центральной части системы гальваническим барьером. Обе части системы имеют разное заземление. Входная часть системы использует «плавающее» заземление ISO GND. Между этими землями существует паразитная емкость, представляющая собой сумму всех паразитных емкостей между изолированными частями.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема устройства с гальваническим разделением цепей

При воздействии всплесков напряжения на входную часть системы это напряжение прикладывается и к изолирующему барьеру. Через проходную емкость этого барьера и паразитную емкость между землями короткие пики напряжения и тока проходят в изолированную часть системы. Избавиться от этого эффекта нельзя, но уменьшить его вполне возможно. Для этого между землями необходимо включить высоковольтный конденсатор С_ISO как это показано на рис. 2.

Рис. 3. Эффект от включения конденсатора С_ISO

Эффект от включения конденсатора С_ISO, иллюстрируется на рис. 3, на котором показаны результаты симулирования в случае приложения к входу электростатических разрядов с формой импульса10/100 и амплитудой 8 кВ (рис. 3а) и амплитудой 4 кВ (рис. 3б). Как и следовало ожидать, дополнительный конденсатор уменьшает амплитуду импульса и «заваливает» его фронт. Причем чем больше емкость этого конденсатора, тем более выражен данный эффект.

Не менее интересны и результаты сравнения неизолированной и изолированной системы при протекании быстрого переходного процесса во входной линии. Результаты моделирования для этого случая при импульсе напряжения 1 кВ показаны на рисунке 4. В этом случае эффект применения конденсатора С_ISO также предсказуем — заметно уменьшается амплитуда тока и длительность его протекания. Более подробно ознакомиться с результатами испытаний и с обсуждением того, как влияет емкость и сопротивление изоляционного барьера, можно, например, в [1–2].

Рис. 4. Результаты моделирования при импульсе напряжения 1 кВ

В любом случае следует иметь в виду, что использование гальванического разделения входных цепей системы от ее центральной части заметно снижает влияние всплесков перенапряжений, возникающих на входе из-за быстрых переходных процессов, электростатических разрядов и мощных помех. Причем чем меньше значение проходной емкости, тем больше эффект от применения гальванической развязки.

Введение дополнительного конденсатора СISO помогает уменьшить влияние внешних воздействий. Выбор величины емкости зависит от условий эксплуатации. В рассмотренных выше случаях (рис. 3–4) емкость конденсатора СISO по-разному влияла на изменение во времени токов и напряжений, протекающих через TVS-диоды, что объясняется разными условиями проведения испытаний на стойкость к электростатическому разряду и к переходным процессам на входных сигнальных линиях.

 

Практическое использование гальванического разделения цепей

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

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

Рис. 5. Структурная схема ISOW784x

Приведем основные параметры ISOW784x:

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

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

Заметим, что никакое гальваническое разделение цепей не означает полного разделения частей. Проходные емкости собственно развязки, особенно малогабаритного встроенного трансформатора DC/DC-преобразователя, и паразитные емкости платы создают токовый контур, который представляет собой антенну, излучающую помехи. Причем чем выше скорость передачи данных и больше площадь токовой петли из паразитных емкостей, тем больше величина излучаемых помех. На эти обстоятельства следует обратить внимание при разработке топологии платы и постараться уменьшить паразитные емкости между двумя частями системы.

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

Решением этой проблемы может стать емкость, образованная слоями печатной платы (stitching capacitance). На рис. 6 показан пример формирования такой емкости на четырехслойной печатной плате. Изолированные части системы размещаются на верхнем и нижнем слоях, емкость образуется с помощью слоев земли и питания. В данном случае величина емкости составила 30 пФ. Подробный расчет, создаваемой таким образом емкости, изложен в [4].

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

 

Виды гальванической развязки

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

• оптронная развязка;
• трансформаторная развязка;
• КМОП.

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

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

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

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

Например, в [4] среди прочих характеристик рассматривается важный параметр — стойкость к изменению синфазного напряжения (common-mode transient immunity, CMTI). Сравнивается реакция на изменение синфазного напряжения оптронной развязки HCPL‑4506 (с CMTI = 20 кВ/мкс) и развязки Si8712A (с CMTI свыше 50 кВ/мкс), производимой по КМОП-технологии. Как и следовало ожидать, результаты сравнительных испытаний показали, что Si8712A значительно меньше реагирует на изменение синфазного напряжения, чем HCPL‑4506.

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

Рис. 7. Схема HCPL-450 с паразитными емкостями

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

Литература

1. How to use isolation to improve ESD, EFT and surge immunity in industrial systems // www. ti.com
2. 2. High-voltage reinforced isolation: Definitions and test methodo-logies // www.ti.com
3. 3. Have Your Cake and Eat It, Too: Overcoming Conflicting Isolation and EMC Standards // www.electronicdesign.com
4. 4. Low-Emission Designs with ISOW7841 Integrated Signal and Power Isolator // www.electronicdesign.com
5. 5. Isolator vs. Optocoupler Technology // www.silabs.com

гальваническая развязка, пассивная, Пружинное соединение

Измерительный преобразователь/усилитель с гальванической развязкой; Ток, аналоговый;

Банковский перевод: счет на оплату формируется после оформления заказа или отправки заявки в произвольной форме на электронную почту info@euro-avtomatika. ru. Специалист свяжется с вами для уточнения деталей.

Самовывоз с нашего склада:
По адресу: Московская область, Люберецкий район, п. Томилино, мкр. Птицефабрика, стр. лит. А, офис 109. Мы есть на Яндекс.Карты.

Доставка до двери
Осуществляется курьерской службой или транспортной компанией (на Ваш выбор).
Мы работаем с ведущими транспортными компаниями и доставляем заказы во все регионы России и Казахстана.

Доставка до терминала
Транспортной компании в Москва – БЕСПЛАТНО.

Гальваническая развязка для осциллографа. И не только … :: АвтоМотоГараж

Приобретя современный осциллограф, сразу появилось множество интересных задач по измерениям. Изначально, ещё года три назад, хотелось протестировать бензогенератор и посмотреть, что там с синусоидой, и сравнить её с формой сигнала домашней сети. В то время у нас был советский осциллограф С1-55. Но лезть осциллографом в сеть, и просто так проверять нельзя, так как корпус прибора соединён с землёй. Значит, измерения необходимо проводить через гальваническую развязку. Иначе может быть беда. В лучшем случае, из негативных последний, что-нибудь сгорит, в худшем — шарахнет (и этот результат сложно предсказуем, можно и «ласты» склеить). Сейчас у нас осциллограф другой, намного современнее. Возможно, вышеуказанные измерения данный прибор предусматривает и без гальванической развязки, но рисковать ни им, ни собой не хочется. Так вот, чтобы обезопасить себя, осциллограф и подопытные устройства в будущем, мы займёмся изготовлением гальванической развязки.

Да начала немного теории. Гальваническая развязка это передача энергии и сигналов без электрического контакта между цепями. Основная цель гальванической развязки это защита оборудования и людей от поражения электрическим током. Бывает несколько видов гальванической развязки:

• Трансформаторные;
• Оптические: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи;
• Радио: приемники, передатчики;
• Звуковые: громкоговоритель, микрофон;
• Ёмкостные: через конденсатор любой ёмкости;
• Механические: мотор-генератор, реле.

В данной статье мы рассмотрим изготовление развязки трансформаторного вида, его ещё называют индуктивный. Это самый надёжный и простой способ решить вопрос развязкой по питанию, так как первичная и вторичная обмотки электрически изолированы друг от друга. То есть между ними нет контакта по которому мог бы пройти электрический ток (если только это не аварийный трансформатор, где присутствует пробой изоляции и имеется межвитковое замыкание). Передача электроэнергии осуществляется только при помощи индукции. Рассмотрим какими же достоинствами и недостатками обладает данный вариант исполнения гальванической развязки.

Достоинства:

• Гарантированное электрическое изолирование от сети электропитания при сохранении передачи энергии и сигналов.
• Простота изготовления. В случае необходимости, что для радиолюбителя, что для профессионала не возникнет ни каких сложностей при создании подобного устройства.
• Как гальваническая развязка она выполняет свои функции на все сто процентов.
• Конструкция имеет достаточно надёжное исполнение и при правильной эксплуатации очень долгий срок службы.

Что из недостатков стоит отметить, и насколько они для нашей задачи будут именно недостатками:

• Масса-габаритные характеристики. Если гальваническую развязку не предполагается таскать с собой, то этим параметром можно смело пренебречь.
• Трансформаторная развязка может работать только с переменным напряжением. Да, это именно так, и с этим не поспоришь. В нашем случае это то, что надо. Поэтому для нас это не принципиально.
• Качество и форма сигнала с выхода передаётся на вход. Тут тоже для нашего случая можно найти положительный момент. Развязав гальванически сеть и измерительную часть прибора, мы можем безопасно выполнять измерения промышленной электросети. Данный момент подробно разберём ниже или в другой статье.
• Частота модуляции гальванической развязки ограничивает частоту пропускания. Этот факт для нашего применения тоже не создаёт проблем.
  Так что нет тут для нашего случая недостатков.

 

Теперь перейдем к вариантам изготовления трансформаторной гальванической развязки. Покупку готового трансформатора или устройства намеренно не рассматриваем, так как это до банальности просто. Первый вариант изготовления. В зависимости от требуемой мощности гальванической развязки, подбираем соответствующий трансформатор. Для самоуспокоения, что мощности будет достаточно, рассчитываем параметры магнитопровода трансформатора. Расчёт можно выполнить при помощи онлайн калькулятора, перейдя по ссылке: Расчет трансформатора с броневым магнитопроводом. После рассчитываем количество витков в первичной и во вторичной обмотках. В этом же калькуляторе это с лёгкостью можно сделать. Далее наматываем обе обмотки. И в завершении, если требуется, оформляем устройство в корпус.

Второй вариант изготовления чуть проще, берётся готовый трансформатор. При помощи того же калькулятора выполняем расчёт вторичной обмотки для отдачи напряжения 220 вольт. Так же, здесь рассчитываем габаритную мощность магнитопровода. Если расчёт удовлетворяет, то удаляем вторичную обмотку и наматываем новую. В этом случае рекомендую намотать количество витков вторичной обмотки процентов на пять – восемь больше расчётного. Это на случай погрешности при вычислениях. Если что, лишнее можно будет отматать. После корректировки напряжения во вторичные обмотки, цель можно считать достигнутой.

Третий вариант изготовления гальванической развязки будет самый простой. Ничего мотать и рассчитывать (за исключением габаритной мощности) не придётся. О нём здесь расскажем в подробностях по ходу изготовления этого устройства. Для начала нам потребуется два совершенно одинаковых трансформатора. Принцип построения устройства заключается в том, что оба трансформатора включаются друг на встречу другу вторичными обмотками. Эта схема в кругах радиолюбителей именуется как перевертыши.

Трансформаторы мы добудем из блоков питания от какого-то телекоммуникационного оборудования.

Вскрываем корпуса. Один из них будет корпусом нашего устройства. Внутри блока питания кроме самого трансформатора больше ничего нет. 

Замеряем габаритные характеристики магнитопровода и выполняем расчёт габаритной мощности. Мощности в этих трансформаторах достаточно, каждый может отдать 150 ватт.

Теперь демонтируем все детали и элементы. Параллельно прикидываем как лучше разместить два трансформатора в одном корпусе.

Если разместить два трансформатора на одной плоскости, то это будет неправильным решением, так как в нижних частях передней и задней панелей не получится установить разъёмы и органы управления прибором. Поэтому решено один из трансформаторов закрепить вверх ногами. Для этого вырезаем две планки и подготавливаем места для сварки.

Далее приступаем к разработке функционала устройства. Отсюда будут формироваться его передняя и задняя панели. Составляем схему устройства. 

 

Схема готова, теперь займёмся изготовлением передней и задней панелей. Передняя панель будет сделана из отдельного элемента, который в последствии установим на прибор. В задней — сделаем два отверстия для предохранителей и ещё выточим одно прямоугольное, для установки выходного сетевого разъёма. Процесс изготовления элемента передней панели и примерка её компонентов.

Разметка передней панели.

Для охлаждения устройства с боку крышки корпуса предусмотрим большое отверстие, которое закроем специальной решёткой от вентилятора блока питания компьютера.

Вентиляционное отверстие готово. Далее в основании корпуса с передней части мы полностью вырезали металл. Оставив только маленькие уголки, за которые будет крепиться новая передняя панель. После этого мы принялись за изготовление самой передней панели.

Примеряем детали корпуса друг к другу.

Переднюю панель будем крепить при помощи четырёх втяжных заклёпок.

Вид с обратной стороны корпуса.

Как и полагается, все детали красим.

Настал момент сборки.

На заднюю панель установлены сетевые разъёмы и предохранители.

В одном месте, где крепиться трансформатор винтом, зачищаем краску для хорошего контакта с массой корпуса.

Далее вставляем в отверстия винты для крепления первого трансформатора и готовим к монтажу резиновые ножки.

Ножки устройства наклеены.

Теперь готовим к монтажу переднюю панель.

Прикладываем элемент панели к корпусу и вставляем заклёпки.

После монтажа элемента передней панели в неё устанавливаем выключатели и разъёмы.

Далее приступаем к доработке и установке китайских индикаторов. Их планируем установить два. Верхний будет показывать напряжение на выходе гальванической развязки, он будет большим. А нижний будет показывать напряжение на выходе вторичной обмотки первого трансформатора. Этот индикатор будет маленький. Для нашей конструкции применены окошки от больших дисплеев, они здесь более гармонично смотрятся. В связи с этим индикатор из оригинального корпуса нужно извлечь и установить в новое окошко.

Теперь готовим к сборке и установке нижний дисплей.

Органы управления, разъёмы и дисплеи установлены.

Далее устанавливаем первый трансформатор и осуществляем монтаж проводников от сетевого разъёма до первичной обмотки.

Следующим шагом устанавливаем второй трансформатор и монтируем цепи выходного сегмента гальванической развязки.

Для защиты вторичных обмоток необходимо предусмотреть предохранители. Для этого пришлось сделать печатную плату. Здесь будем использовать автомобильный тип предохранителей. В качестве их держателей, в плату впаяны автомобильные коннекторы.

Теперь нужно подключить нижний индикатор. Поскольку найти вольтметр переменного напряжения на малые значения не удалось, то решено было использовать вольтметр для измерения постоянно напряжения, только включив его через диодный мост.

Но не тут-то было. На этом этапе, при создании нашего устройства начались приключения. Китайский вольтметр постоянного напряжения при подключении его к диодному мосту почему-то напрочь отказывался работать. Он попросту не включался. Сложилось впечатление что вольтметр неисправен. Мы подключили его к лабораторному блоку питания, там он работает. Подключили его обратно к диодному мосту — не работает. Потом задумались, а вдруг он реагирует на то, что питание не совсем чистое и параллельно подпаяли конденсатор. Вольтметр заработал, но снова какая-то мистика. Он показывает завышенное напряжение. Должно быть 18 вольт, а он показывает 23 – 24 вольта. В общем, было еще несколько экспериментов, которые убили вольтметр. Создание устройства прервалось на месяц. Пришлось ждать, когда из китая приедет новый вольтметр. На этот раз я заказал модификацию большего размера. По габаритам ровно такой же, как и вольтметр переменного напряжения. Что самое интересное, и этот вольтметр вел себя точно так же как тот маленький. Он отказывался работать без конденсатора и также врёт на несколько вольт. Показывает больше чем в действительности. Что делать в этом случае мы так и не поняли. На этом эксперименты с подключением вольтметра прекратили, оставив разрешение данного вопроса на неопределенный срок. Пока это совсем не принципиально, главное, что он показывает наличие напряжения на клеммах и этого уже вполне достаточно. Если кто-то сталкивался с подобной ситуацией, напишите нам в чём проблема и как её разрешить?

Собрав окончательно схему и включив прибор возник неподдельный интерес, а какой течёт ток во вторичной обмотке первого трансформатора? Благо дело автомобильные коннекторы позволяют быстро извлечь предохранитель и вместо него установить щупы мультиметра.

Ток во вторичной обмотке составляет 2,7 ампера. Что не так уж и мало.

Теперь проведём замеры выходного напряжения гальванической развязки. Параллельно сравним показания индикатора прибора и мультиметра.

А теперь сравним, что показывает вольтметр, подключённый через диодный мост.

На этом можно работы завершать. Устройство почти готово.

Осталось в крышку корпуса установить декоративную решётку. Её будем крепить при помощи втяжных заклёпок.

Решётка установлена.

Готовим крепёж крышки корпуса.

Всё! Прибор собран!

В завершении этой части статьи подключим осциллограф через гальваническую развязку. Работает. Измерения мы проведём в следующей части. Также будет ещё доработка по части измерения напряжения вторичной обмотки первого трансформатора.

И ещё один момент. Вес гальванической развязки составил 7 кг 930 г. И это без кабеля питания.

 

Гальваническая развязка в картинках / Силовая электроника / Сообщество разработчиков электроники

Судя по нескольким недавним постам, неплохо бы осветить, что такое гальваническая развязка и зачем она нужна. Итак:

Гальваническая развязка — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними.

А теперь, давайте на примерах 🙂

Пример 1. Сеть

Чаще всего о гальванической развязке говорят применительно к сетевому питанию, и вот почему. Представьте себе, что вы ухватились рукой за провод из розетки. Ваше «подключение» с точки зрения электричества выглядит вот так:

И, да, тока утечки тапочек вполне хватит, чтобы вы почувствовали «удар» при прикосновении к «фазовому» проводу сети. Если тапочки сухие, то такой «удар», обычно, безвреден. Но, если вы стоите босяком на влажном полу, последствия могут быть весьма плачевными.

Совсем другое дело, если в схеме присутствует трансформатор:

Если прикоснуться к одному из выводов трансформатора, через вас ток не потечет — ему просто некуда течь, второй вывод трансформатора висит в воздухе. Если, конечно, схватиться за оба вывода трансформатора, и он выдает достаточное напряжение, то долбанет и так.

Итак, в данном случае, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Кроме трансформатора есть еще куча разных способов передать сигнал, не создавая электрического контакта:

• Оптический: оптопары, оптоволокно, солнечные батареи
• Радио: приемники, передатчики
• Звуковой: динамик, микрофон
• Емкостный: через конденсатор очень маленькой емкости
• Механический: мотор-генератор
• Можно еще понавыдумывать

Пример 2. Осциллограф

Есть прямо мега-классический способ взорвать пол-схемы. На форуме даже есть соответствующий топик. Дело в том, что многие забывают, что осциллограф (и многое другое оборудование) соединен с землей. Вот как выглядит полная картина при подключении осциллографа в схему, питающуюся прямо от сети:

Запомните — как только вы что-то подключаете в схему, оно становится частью схемы! Это справедливо и для различного измерительного оборудования.

Правильный способ измерить в что-то в такой схеме — подключить ее через развязывающий трансформатор 220->220:

Перевертыши

Готовые трансформаторы 220->220 найти довольно сложно. Поэтому, можно использовать так называемые перевертыши. Перевертыш — это два трансформатора, к примеру 220->24, выключенные последовательно вот так:

Как это выглядит на практике, вы наверняка видели в прошлой статье:

Перевертыши — это даже лучше, чем один трансформатор 220->220.

• Они обеспечивают вдвое меньшую емкость между входом и выходом
• Среднюю часть можно заземлить, и, таким образом очень неплохо отфильтровать помехи из сети
• Можно включить 3 трансформатора, и тогда можно получить 440 или 110 вольт

Естественно, чем больше напряжение на выходе трансформаторов, тем меньше тока течет и тем лучше.

Песенка

Давным давно я на тему гальванической развязки даже песенку записал. Песенка под спойлером.

Песня, ее текст и объяснения

Эту мини-песенку я записал когда я занимался разной аудио-электроникой. Один товарисч сделал ламповую гитарную примочку и, подумав, что трансформатор который превращает 220 в 220 совершенно бесполезен, выбросил его из схемы, за что и поплатился. Я подумал, что это — вполне себе тема для метальной мини-песенки.

Привет, Олдфаг! Твой браузер не поддерживает html5! Обновись!

Ты не поставил трансформатор анодный
Запитал непосредственно из сети
Под ногой была батарея
А рукой гитару схватил ты

Ток пронзает бренное тело
Извивается бренная плоть
Ты не можешь разжать свою руку
Ты один и никто не может помочь

Разрывая и выжигая
Электроны сжимают сердце твое
Будет биться или утихнет?
Безопасность, запомни, превыше всего.

Кстати, кроме развязки в этой мелкой песенке еще два неплохих совета:

• Да, все работы с сетевым напряжением нужно выполнять как минимум вдвоем.
• Когда бьет током, рука сжимается, поэтому, сначала к приборам лучше прикасаться тыльной стороной правой руки.

Заключение

Естественно, на этом тема развязки не заканчивается. К примеру, через развязку очень сложно передавать быстрые сигнал. Но про это — немного попозже.

Alex_EXE » Гальваническая развязка RS-485

RS-485 – хороший интерфейс, который позволяет строить автоматизированные системы. Максимальная протяжённость линий 1200 метров (без репитеров). Но при объединении различных устройств, расположенных на большом расстоянии и с различными источниками питания, появляется проблема – разность потенциалов. Для её решения актуально использовать полную гальваническую развязку. Ещё, это актуально, когда в одной сети встречаются низковольтные и силовые модули.

Есть специальные микросхемы, например МАХ1480В, которые уже содержат гальваническую развязку помимо преобразователя интерфейса, но, как правило, их цена очень велика. Эта статья посвящена полной гальванической развязке на дискретных элементах.

Схема

Задача следующая: отделить драйвер 485 по сигнальным линиям и по питанию от остальной схемы. Для этого понадобятся 3 оптопары и DC-DC преобразователь, плюс обвязка. В некоторых случаях можно использовать вместо DC-DC преобразователя свободную обмотку трансформатора (соответственно понадобиться её выпрямить и стабилизировать), но в этом случае теряется защита от пробоя при попадании высокого напряжения на линию.

В схеме использованы оптопары COSMO KP1010 и KP1020, их можно заменить на PC817 или на любые другие оптопары схожей конструкцией и частотой работы от 1МГц и более. Преобразователь тестировался с приёмопередатчиком ADM1485, его можно заменить любым другим. DC-DC преобразователь был применён AM1L-0505D-NC, т.к. он был в наличие в магазине и из-за его относительно низкой цены, можно тоже использовать любой другой на 5В, но нужно будет в даташитах посмотреть, какая у него обвязка. Фильтры L1 и L2 (до 37мкГн) служат для уменьшения пульсаций и помех от DC-DC преобразователя.

Замечание: в схеме следует располагать конденсаторы как можно ближе к драйверу 485 и оптопарам, или использовать несколько дополнительных конденсаторов рядом с этими элементами. Дополнительные конденсаторы предотвращают возбуждение оптронов.

В некоторых случаях можно подтянуть линии A и B RS-485 к + и – оптоизолированной части резисторами по 4,7кОм.

В данном случае для объединения модулей достаточно использовать только две линии – A и B. В Интернете встречаются схемы ещё и с объединенной землёй.

Терминальный резистор 120Ом служит для борьбы с наводками и помехами на линии.

Фотография тестирования, больше это, правда, походит на паутину.

Тесты гальванической развязки

Слева преобразователь RS232-RS485. На паянной макетке микроконтроллер тестового модуля со светодиодами. На макетной плате без пайки как раз собрана гальваническая развязка и приёмопередатчик RS485-USART. Справа над макетками замотанный в изоленту с разъёмом от кроны – стабилизатор на 5В. Вверху в куче проводов и цеплялок DC-DC преобразователь, его фото приведено ниже.

DC-DC преобразователь

Сейчас в продаже есть множество специализированных микросхем с встроенной гальванической развязкой, но их цена кусается, более 600р. Применение такой гальванической развязки обойдётся в 2-3 раза дешевле, но она занимает больше места на плате.

В небольших сетях с низковольтными устройствами или с питанием, которое подводиться вместе с 485 применение гальванической развязки необязательно.

Рекомендую добавлять гальваническую развязку в модули сопряжения 485 с компьютером, для защиты его от непредвиденных чрезвычайных происшествий.

Что такое оптопара и как она работает

Автор: Меган Тунг

Оптопара (также называемая оптоизолятором) – это полупроводниковое устройство, которое позволяет передавать электрический сигнал между двумя изолированными цепями. В оптопаре используются две части: светодиод, излучающий инфракрасный свет, и светочувствительное устройство, которое обнаруживает свет от светодиода. Обе части содержатся в черном ящике со контактами для подключения. Входная цепь принимает входящий сигнал, будь то сигнал переменного или постоянного тока, и использует сигнал для включения светодиода.

Фотодатчик – это выходная цепь, которая определяет свет, и, в зависимости от типа выходной цепи, выход будет переменным или постоянным током. Сначала ток подается на оптопару, благодаря чему светодиод излучает инфракрасный свет, пропорциональный току, протекающему через устройство. Когда свет попадает на фотодатчик, проходит ток, и он включается. Когда ток, протекающий через светодиод, прерывается, ИК-луч отключается, в результате чего фотодатчик перестает проводить.

Существует четыре конфигурации оптопар, разница заключается в используемом светочувствительном устройстве.Фототранзистор и Photo-Darlington обычно используются в цепях постоянного тока, а Photo-SCR и Photo-TRIAC используются для управления цепями переменного тока. В оптопаре на фототранзисторе транзистор может быть либо PNP, либо NPN. Транзистор Дарлингтона представляет собой пару из двух транзисторов, в которой один транзистор управляет базой другого транзистора. Транзистор Дарлингтона обеспечивает высокий коэффициент усиления.

Термины оптопара и оптоизолятор часто используются как синонимы, но между ними есть небольшая разница.Отличительным фактором является ожидаемая разница напряжений между входом и выходом. Оптопара используется для передачи аналоговой или цифровой информации между цепями при сохранении гальванической развязки при потенциалах до 5000 вольт. Оптоизолятор используется для передачи аналоговой или цифровой информации между цепями, где разность потенциалов превышает 5000 вольт.

Оптопара может эффективно:

• Устранение электрических помех из сигналов
• Изолируйте низковольтные устройства от высоковольтных цепей.Устройство способно избежать сбоев из-за скачков напряжения (например, из-за передачи радиочастоты, ударов молнии и скачков напряжения в источнике питания).
• Разрешить использование небольших цифровых сигналов для управления более высокими напряжениями переменного тока.

---

Меган Тунг проходит стажировку в Jameco Electronics , посещая Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB). Ее интересы включают фотографию, музыку, бизнес и инженерию.

Фото: учебные пособия по электронике и Autodesk.

Что такое оптопара, оптоизолятор, оптопара »Электроника

Оптопары и оптоизоляторы

используют светодиоды, фотодиоды и фототранзисторы и используются для соединения цепей вместе, но изолируют их электрически.

---

Фототранзистор Включает:
Основы фототранзистора Приложения и схемы Фотодарлингтон Оптопара / оптоизолятор

---

Оптопары можно описать разными именами, включая оптоизолятор и оптопару.

По сути, оптопара или оптопара – это полупроводниковое устройство, которое использует короткий оптический путь или линию связи для передачи сигнала от одной электрической цепи к другой, обеспечивая при этом электрическую изоляцию.

Оптопары или оптопары обычно содержатся в одном корпусе, часто размером с интегральную схему, хотя есть большая степень вариации в зависимости от предполагаемого применения.

Оптопары или оптопары

используются для выполнения множества функций: их можно использовать для связи данных по двум цепям, их можно использовать в оптических кодировщиках, где оптопара обеспечивает средства обнаружения видимых краевых переходов на колесе кодировщика для определения положения и т. Д. ., и их можно использовать во многих других схемах, где необходимы оптические линии связи и переходы.

Они даже являются важным элементом в твердотельных реле, где оптическая связь используется для электрической изоляции входа и выхода, позволяя переключать выход в соответствии с состоянием входа. В результате оптические соединители или оптопары используются в удивительно большое количество схем.

Оптопара

Основы оптопары / оптопары

Оптрон – это компонент, который содержит два элемента, необходимых для оптоизолятора:

• Излучатель света: Излучатель света находится на стороне входа и принимает входящий сигнал и преобразует его в световой сигнал.Обычно излучатель света представляет собой светоизлучающий диод.
• Детектор света: Детектор света в оптроне или оптоизоляторе обнаруживает свет от излучателя и преобразует его обратно в электрический сигнал. Детектор света может быть любым из множества различных типов устройств от фотодиода до фототранзистора, фотодарлингтона и т. Д.

Излучатель и детектор света настроены так, чтобы соответствовать друг другу, имея совпадающие длины волн, так что достигается максимальная связь.

Оптрон также может содержать другие схемы, например, он может включать в себя последовательный резистор для светодиода или даже привод для диода. Оптрон также может включать в себя выходной усилитель.

Хотя оптопара или оптоизолятор обычно рассматриваются как единый интегрированный корпус, можно достичь того же результата, используя отдельные устройства. Однако необходимо учитывать механическое устройство, и это часто делает оптрон, сделанный из отдельных устройств, менее удобным, хотя для оптоизоляторов может возникнуть необходимость в использовании отдельных компонентов для некоторых приложений.

Терминология оптопары / оптопары

Термины «оптопара», «оптопара» и «оптоизолятор» часто используются как взаимозаменяемые в электронной и технической литературе, когда относятся к компонентам, выполняющим одну и ту же функцию.

Строго говоря, существуют различия между терминами оптоизолятор и оптрон. Различие между оптопарой и оптоизолятором заключается в ожидаемой разнице напряжений между входом и выходом:

• Оптрон: Обычно считается, что оптрон используется для аналоговой передачи цифровой информации между цепями, сохраняя при этом электрическую изоляцию при потенциалах до 5000 вольт.
• Оптоизолятор: Оптоизолятор обычно используется в энергосистемах и используется для передачи аналоговой или цифровой информации между цепями, где разность потенциалов превышает 5 000 вольт.

Это приблизительное руководство по различиям между оптопарами и оптоизоляторами. Однако эти термины по-прежнему широко используются как синонимы.

Обозначение оптрона

Символ оптопары, используемый в принципиальных схемах, указывает функцию и внутренние элементы внутри всего компонента.Символ показывает светодиод, который обычно используется как излучатель света. Символ оптрона также показывает приемник, часто фототранзистор или фотодарлингтон, хотя также могут использоваться другие устройства, включая светочувствительные диакеты и т. Д. Соответствующий тип устройства показан внутри символа цепи оптопары.

Обозначение оптопары или схемы оптопары
(версия с фототранзистором)

Оптопары также могут быть изготовлены с использованием других компонентов. Один из форматов, который используется в некоторых приложениях питания переменного тока, – это оптопара, основанная на диакторе.Его можно использовать для запуска симистора для переключения сети или управления углом проводимости (т. Е. Диммирования).

Обозначение фотодиодной схемы

Пакеты оптопары и оптоизолятора

Существует множество различных пакетов, используемых как для оптопар, так и для оптоизоляторов.

Для оптопар, которые используются для более низких напряжений, доступны различные пакеты. Часто оптопары поставляются в небольших корпусах, похожих, но не всегда идентичных знакомым корпусам Dual-In-Line (DIL) IC для обычных компонентов.Также доступны версии SMD, опять же в таких пакетах, как пакеты Small Outline Integrated Circuit (SOIC). Они обеспечивают очень компактные варианты размещения оптронов. Однако убедитесь, что соблюдены все требования к изоляции.

Для оптоизоляторов, работающих при гораздо более высоких напряжениях, доступны различные пакеты. Оптоизоляторы могут быть получены в корпусах самых разных стилей, включая прямоугольники, цилиндры и специальные конфигурации. Эти типы корпусов предназначены для обеспечения более высоких напряжений изоляции, чем те, которые могут быть достигнуты с помощью корпусов DIL и SMD, таких как SOIC.

Технические характеристики оптопары и оптоизолятора

Есть несколько параметров и спецификаций, которые необходимо учитывать при использовании оптопары и оптоизоляторов:

• Коэффициент передачи тока, CTR: Коэффициент передачи тока оптопары – одна из ключевых характеристик. Это отношение тока, протекающего в устройстве вывода, к току на устройстве ввода. CTR будет варьироваться в зависимости от типа оптопары, используемой на выходе, те, которые используют фотодарлингтоны, будут намного выше, чем те, которые используют обычные фототранзисторы.Значения могут находиться в диапазоне от 10% до 2000% – 5000%. Следует отметить, что CTR имеет тенденцию меняться в зависимости от уровня входного тока. Хотя он будет варьироваться в зависимости от устройства, для мужских оптопар он будет максимальным при уровнях входного тока около 10 мА, падающих в обе стороны от этого значения.
• Пропускная способность: Чтобы понять максимальные скорости передачи данных, которые могут быть предъявлены к оптрону, необходимо знать пропускную способность. Для многих оптопар, использующих фототранзисторы, он может быть только в районе 250 кГц, а для тех, кто использует фотодарлингтоны, может составлять десятую часть этого числа.Доступны несколько более быстрых оптопар. Обычно чем ниже CTR, тем быстрее увеличивается и уменьшается время
• Входной ток: Это ток, необходимый для входного передающего устройства – светодиода. Значение используется для расчета последовательного резистора, используемого для ограничения тока.
• Максимальное напряжение выходного устройства: Для оптопар, использующих транзисторы, максимальное значение будет равно V _{CE (max)} для транзистора.Для оптопар, использующих на выходе другие устройства, следует использовать эквивалентный номинал. Также помните, что следует сохранять соответствующую маржу, поскольку никогда не рекомендуется использовать устройства, близкие к их максимальным характеристикам.

Различия между оптопарами и твердотельными реле

Есть много общего между оптопарами / изоляторами и т. Д. И твердотельными реле.

Твердотельные реле используются во многих областях в качестве электронных переключателей для управления питанием переменного или постоянного тока.

В твердотельных реле в качестве основы для работы используется технология оптопары, поскольку они должны обеспечивать высокие уровни сопротивления и изоляции между входными и выходными цепями.

Основное различие между оптопарами и твердотельными переключателями заключается в том, что оптопары и т.п. обычно используются для приложений с низким энергопотреблением. Твердотельные реле используются для гораздо более высоких уровней мощности. Часто твердотельные реле используются для переключения уровней напряжения до сотен вольт и более и уровней тока до десятков ампер и более.

Обычно оптопары содержатся в небольших корпусах ИС либо в виде устройств для поверхностного монтажа, либо в виде полупроводниковых устройств с выводами. Однако твердотельные реле обычно содержатся в гораздо более крупных корпусах, часто требующих прикручивания к радиатору. Они также часто имеют винтовые контакты для обеспечения необходимой пропускной способности по току.

В дополнение к этому твердотельные реле часто содержат дополнительные схемы – они часто представляют собой полный блок схемы. Они могут содержать схему возбуждения светодиода в оптопередатчике, а также могут содержать схему защиты от перенапряжения и переходных процессов на выходе.Для приложений переменного тока некоторые твердотельные реле обеспечивают переключение перехода через нуль для сигналов переменного тока, когда выходное устройство переключается только тогда, когда форма сигнала переменного тока проходит через положение нулевого напряжения. Это снижает электромагнитные помехи, EMI.

Оптопары, оптопары и оптоизоляторы, возможно, используются более широко, чем может показаться на первый взгляд. Их можно использовать по-разному, обеспечивая оптические связи между цепями. Это можно использовать для передачи данных, обеспечения гальванической развязки между цепями или для обнаружения разрыва соединения.Каким бы способом они ни использовались, они обеспечивают неоценимую функцию во многих электронных схемах.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Выбор оптопары и ее использование для изоляции широтно-импульсной модуляции

Оптопара (или оптоизолятор) – это устройство, которое гальванически разделяет цепи и не только отлично развязывает, но и позволяет взаимодействовать с цепями с разными плоскостями заземления или работающими на разных уровни напряжения.Оптопары являются «отказоустойчивыми» в том смысле, что при воздействии на них напряжений, превышающих максимальное номинальное значение, они, как известно, разрываются как разомкнутые цепи. Оптопара обеспечивает эту изоляцию, принимая сигналы, которые он принимает на свой вход, и передавая сигналы с помощью света на свой выход. Оптопара преобразует сигнал на своем входе в инфракрасный световой луч с помощью инфракрасного светоизлучающего диода (LED). Инфракрасный луч проходит через щель внутри корпуса оптопары и попадает в светочувствительное устройство (например,g., фотодиод, фототранзистор и т. д.), который снова преобразует свет в сигнал и отправляет его из оптопары в качестве выходного сигнала. Оптопара имеет воздушный зазор или изолирующее стекло внутри для пересечения луча, поэтому электрическое соединение между входной и выходной сторонами оптопары отсутствует. Обычно используется оптопара ON Semiconductor 4N25 (ранее Fairchild), как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. ON Semi 4N25 – хороший базовый пример, но официально он устарел. Тем не менее, существует множество вариантов оригинального номера детали.(Источник: техническое описание ON Semiconductor) Оптопары

обеспечивают полную гальваническую развязку между цепями на входных и выходных клеммах оптопары. Выход оптопары отражает входной сигнал, и подключение оптопары похоже на работу светодиода, для чего может потребоваться использование токоограничивающего резистора (см. Техническое описание оптопары). Хотя оптопары ограничены частотой, на которой они могут работать (которая в основном зависит от типа фоторецептора внутри), оптопары обеспечивают защиту от перенапряжения, переходных процессов высокого напряжения и могут использоваться для устранения шума за пределами рабочего диапазона оптопары.Кажется, что оптопары лучше всего использовать в цифровой среде, однако можно использовать оптопары для выделения сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако скорость оптрона является ключевым моментом; минимальная ширина импульса ШИМ должна быть больше, чем скорость переключения оптопары. Но как вы извлекаете эту информацию из таблицы данных оптопары?

Проще говоря, частота ШИМ (F _PWM ) (Гц) связана с максимальным числом шагов, которое должна достигать оптопара.Возможно, лучше всего сначала провести некоторые расчеты, чтобы поэкспериментировать с возможностями на бумаге, что более эффективно, чем угадывать и покупать оптопары, чтобы увидеть, работают ли они.

Быстрый расчет может быть выполнен, если вы знаете частоту ШИМ (F _PWM ), а также время нарастания (t _R ) и время спада (t _F ) оптопары: F _PWM = 2 / n (t _R + t _F ), где n – количество дискретных шагов, которые может выдержать оптрон.Решить относительно n:

n = 2 / [F _PWM (t _R + t _F )]

, и у вас есть количество шагов, которое оптопара должна поддерживать, на основе заданного времени нарастания и спада в таблице данных оптопары.

Пример 1: 4N25

Списки 4N25 включаются и выключаются только при 2 мкс и 10 мкс (макс.). Решив для n, вы обнаружите, что при частоте ШИМ 2 кГц оптопара 4N25 может видеть максимум 83 шага. Если вы не захотите снизить частоту вашего ШИМ до гораздо более низкой частоты, количество шагов, которые сможет разрешить оптопара 4N25, будет недостаточным.Однако 4-битная ШИМ дает 16 шагов (2 ⁴ = 16), и поскольку 4N25 может достигать до 83 шагов, эти параметры могут работать вместе. Но если вы хотите работать с более высокой частотой или разрешением, лучше подойдет высокоскоростной оптрон.

Пример 2: FOD8012A

Давайте посмотрим на более дорогостоящую оптопару, такую ​​как ON Semi FOD8012A, у которой t _R и t _F вместе 13 нс, с тем же ШИМ 2 кГц. Решение для n дает нам 7 692 шага.Следовательно, эта оптопара может разрешить 7 692 шага от ШИМ, работающего на частоте 2 кГц. Если у вас есть 10-битный ШИМ, который имеет 1024 шага (2 ¹⁰ = 1024), эта высокоскоростная оптопара будет излишней, поскольку оптопара может обрабатывать более 7000 шагов на этой частоте ШИМ 2 кГц. Дело в том, что следующим шагом является поиск более дешевой оптопары и повторный расчет, пока вы не найдете оптопару с наименьшей стоимостью, но все еще значительно превышающую ваше разрешение ШИМ на вашей конкретной частоте. (Мне всегда казалось, что «цена» – это «спецификация», но производители не любят так думать.В качестве альтернативы вы можете увидеть, что если вы увеличите частоту ШИМ до 20 кГц, вы получите 769 шагов от Fairchild FOD8012A. После нескольких итераций вычислений вы начинаете понимать, что может сработать.

Имейте в виду, что оптопары сильно различаются во многих отношениях, в том числе по характеристикам устройств от производителя к производителю. Выше показан эскиз того, как сузить выбор перед тестированием оптопары в вашей схеме.

Приложения

Оптопары

используются в регуляторах питания, в качестве защиты входов микропроцессоров и других чувствительных устройств, а также во многих других приложениях.Оптопары также интегрируются в другие устройства, такие как переключатели и реле (и продаются как изолированные переключатели и изолированные реле) для использования в измерениях, контрольно-измерительных приборах, промышленном управлении и испытательном оборудовании.

Рис. 2. Vishay VOR2142 – это твердотельное реле с оптической развязкой и пиковым напряжением нагрузки 400 В. Корпус оптопары выглядит как типичная интегрированная микросхема (слева). (Источник: vishay.com.)

Использование оптопары

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Опишите основные области применения оптронов:
• Понимать конструкцию схем оптопары
• • Использование текущего коэффициента передачи (CTR).
• • Расчет значений компонентов для оптронов.
• Изучите требования к типичному применению оптопары.
• • Перемещение по горизонтали.
• • Изоляция входа / выхода.
• • Управление сильноточными нагрузками.
• • Защита от обратной ЭДС.

Существует множество различных приложений для схем оптопары, поэтому существует много различных требований к конструкции, но базовая конструкция оптопары, обеспечивающей изоляцию, например, между двумя цепями, просто включает выбор соответствующих значений резисторов для двух резисторов R1 и R2, показанных на Инжир.5.2.1.

В этом примере показана оптопара PC817, изолирующая цепь с помощью логики HCT через затвор инвертора Шмитта 7414. Инвертор Шмитта на выходе выполняет несколько функций; он обеспечивает соответствие выходного сигнала техническим характеристикам напряжения и тока HCT, а также обеспечивает очень быстрое время нарастания и спада для выхода и корректирует инверсию сигнала, вызванную работой фототранзистора в режиме общего эмиттера. Каждое семейство логики (например, типы LSTTL или CMOS) может иметь разные уровни логического напряжения и разные требования к входному и выходному току, а оптопары могут обеспечить удобный способ сопряжения двух схем с разными логическими уровнями.Что необходимо, так это гарантировать, что R1 создает соответствующий уровень тока из входной цепи для правильного управления светодиодной стороной оптопары, а R2 создает соответствующие уровни напряжения и тока для питания выходной цепи через инвертор.

Рис. 5.2.1 Простой интерфейс оптопары для HCT

Проектирование интерфейсов оптопары

Основная цель интерфейса оптопары – полностью изолировать входную цепь от выходной цепи, что обычно означает наличие двух полностью отдельных источников питания, один для входной цепи и один для выходной.В этом простом примере входные и выходные источники питания, скорее всего, будут одинаковыми по напряжению и току, поэтому интерфейс просто обеспечивает изоляцию без каких-либо значительных сдвигов в уровнях напряжения или тока.

При выборе подходящих значений для R1 значение резистора ограничения тока устанавливается для получения правильного прямого тока (I _F ) через инфракрасный светодиод в оптопаре. R2 – нагрузочный резистор для фототранзистора, и номиналы обоих резисторов будут зависеть от ряда факторов.

Коэффициент передачи тока

Ток в каждой половине цепи связан с коэффициентом передачи тока или CTR, который представляет собой просто отношение выходного тока к входному (I _C / I _F ), обычно выраженное в процентах. У каждого типа оптопары будет диапазон значений CTR, указанных в техническом описании производителя. Значение CTR также зависит от ряда факторов, в первую очередь от типа оптопары, простые типы могут иметь значение CTR от 20% до 100%, в то время как специальные типы, такие как те, которые используют конфигурацию транзистора Дарлингтона для их выходной фототранзистор может иметь значение CTR в несколько сотен процентов.Кроме того, CTR любого конкретного устройства может значительно отличаться от типичного значения этого устройства на величину до +/- 30%. Производители обычно указывают диапазон значений CTR для различных выходных напряжений коллектора фототранзистора (V _C ) и различных температур окружающей среды (T _A ). CTR также будет меняться с возрастом оптопары, поскольку эффективность светодиодов уменьшается с возраст (более 1000 часов работы). Поскольку можно ожидать, что CTR оптопары со временем уменьшится, на практике обычно выбирают значение для I _F несколько ниже максимального, чтобы намеченные характеристики могли быть достигнуты в течение предполагаемого срока службы схемы.

Хотя в этом примере описывается конструкция простого интерфейса, соединяющего две логические схемы HCT, разница между достигнутыми здесь результатами и результатами, необходимыми для любого другого оптопара, заключается в том, что аналогичные вычисления могут быть выполнены, просто используя данные, соответствующие другим напряжениям и токам и другим оптопарам. .

Расчет номиналов резистора оптопары

Рис. 5.2.2 Зависимость CTR от прямого тока для PC817

Начало процесса проектирования – определение условий входа и выхода, которые должна соединить оптопара.Типичные оптопары могут выдерживать входные и выходные токи от нескольких микроампер до десятков миллиампер. На рынке имеется множество оптопар, и, чтобы найти наиболее подходящие для конкретной цели, следует изучить каталоги поставщиков и спецификации производителей.

Однако в этом случае популярная оптопара PC817 от Sharp будет использовать напряжения и токи, доступные от логики HCT. Предполагая, что один выход HCT питает только эту оптопару, напряжение логической 1 составляет около 4.Можно предположить 9В.

Выходной ток, доступный от затвора HCT для управления входом оптопары, ограничен 4 мА, что довольно мало для управления оптопарой. Тогда PC817 должен быть способен выдавать необходимый выходной сигнал при таком низком входном токе.

График на рис. 5.2.2 показывает, что CTR для PC817 с прямым (входным) током I _F 4 мА будет примерно от 80 до 150%, допуская ± 30% для всех переменных, упомянутых выше). В идеале оптопара должна в этом случае действовать так, как если бы она была невидимой, то есть затвор HCT, подключенный к выходу оптопары, должен видеть доступный ток до 4 мА, как если бы он был подключен к выходу другого затвора HCT.Следовательно, выходной ток PC817 также должен быть в идеале около 4 мА, с прямым током (I _F ), управляющим входным светодиодом при 4 мА (при условии 100% CTR).

Найдя приблизительное значение для CTR, которое предполагает, что условия входа и выхода должны быть одинаковыми, при 4 мА следующая задача – вычислить значения R1 и R2.

Используя данные в таблице 5.2.1 и предполагая, что входной сигнал на выходе затвора HCT составляет от 4,9 В до 5 В, можно рассчитать подходящее значение сопротивления для R1 на рис.5.2.3.

Рис. 5.2.3 Оптрон с HCT на HCT

Прямое напряжение через инфракрасный светодиод при прямом токе всего 4 мА должно быть около 1,2 В

5 В – 1,2 В = 3,8 В будет развиваться через R1

Следовательно, R1 = 3,8 В ÷ 4 мА = 950 Ом

Использование следующего более высокого номинала резистора R1 = 1 кОм

График зависимости CTR от I _F на рис. 5.2.2 показывает, что в идеале CTR для PC817 будет около 115% при прямом токе 4 мА, что предполагает, что выходной ток опто должен быть около 4 мА x 115. % = 4.6 мА

Для насыщения фототранзистора и создания логического 0 (менее 0,2 В) на выходе R2 должен развивать напряжение от 4,9 до 5 В при прохождении тока 4,6 мА (при условии 115% CTR).

Следовательно,

R2 должен быть не менее 5 В ÷ 4,6 мА = 1087 Ом или R2 = 1,2 кОм (следующее предпочтительное значение).

Рис. 5.2.4a Выход при R2 = 1,2 кОм

Если используется значение, превышающее 1,2 кОм, увеличение этого значения на несколько кОм может обеспечить максимальный размах напряжения на выходе, однако увеличение этого значения снижает скорость, с которой оптопара может реагировать на быстрые изменения напряжения из-за сочетание нагрузки с высоким сопротивлением и высокой емкости перехода фототранзистора, что приводит к округлению формы выходного сигнала, что можно увидеть, сравнив формы сигналов на рис.5.2.4 а и б.

Обе представленные формы сигналов были получены с одним и тем же входом, прямоугольной формы с частотой 2 кГц, но с двумя разными значениями R2: 1,2 кОм на рис. 5.2.4a и 10 кОм на рис. 5.2.4b.

Эффект округления времени нарастания импульсов хорошо виден на рис. 5.2.4b. Также на более высоких частотах заметно уменьшается амплитуда выходного сигнала. Поэтому для достижения наилучших характеристик значение R2 должно быть как можно ниже, но выше 1 кОм.

Рис.5.2.4b Выход с R2 = 10 кОм

Характеристики схемы оптопары, показывающей результат использования рассчитанных значений, показаны на рис. 5.2.4. Также обратите внимание на эффект использования инвертора Шмитта 74HCT14 на выходе; любое округление прямоугольных импульсов исключается, и хотя выход оптопары падает только до 0,18 В, когда фототранзистор насыщается, выход затвора Шмитта фактически изменяется между + 5 В и 0 В.

Добавление инвертора Шмитта также повторно инвертирует форму выходного сигнала, которая была инвертированной версией формы входного сигнала на коллекторе фототранзистора.

Конечно, есть более полезные приложения для оптопары, чем просто изолировать одну логическую ИС от другой. Распространенная проблема – это управление нагрузкой с выходного порта компьютера. Компьютеры дороги и легко повреждаются из-за ошибок, допущенных при подключении их к внешним схемам. Проблема уменьшается, если внешняя цепь полностью изолирована от компьютера, а оптопара, такая как PC817, является дешевым и эффективным (при условии отсутствия серьезных ошибок пользователя) решением.

Рис. 5.2.5 Цепь привода двигателя PC817

Цепь привода двигателя PC817

На рис. 5.2.6 показан типичный пример, в котором требуется управлять двигателем 12 В постоянного тока, требующим тока 40 мА от логической схемы (или типичного порта компьютера), которая может поддерживать только несколько мА тока при 5 В или меньше.

Поскольку ток, доступный через типичные порты ввода / вывода компьютера, может составлять всего несколько мкА, поскольку линии компьютерных портов обычно предназначены для управления логическим входом какого-либо типа, вход в эту схему управления двигателем осуществляется через вентиль инвертора Шмитта HCT, который требуется только входной ток 1 мкА, при этом двигатель 12 В 40 мА управляется транзистором 2N3904.Инфракрасный светодиод оптопары получает ток около 4 мА через резистор 1 кОм с выхода IC1. Поскольку CTR PC817 составляет около 115%, фототранзистор может выдавать около 9 мА, поскольку питание на выходе фототранзистора теперь берется от источника питания двигателя 12 В. Это больше, чем минимум 5 мА, необходимый для перехода 2N3904 в режим насыщения. Важно, чтобы транзистор был полностью насыщен, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность в 2N3904 до минимума, поэтому, хотя ток транзистора (I _CE ) составляет 40 мА, он будет только около 0.3 В на насыщенном транзисторе, поэтому рассеиваемая мощность на транзисторе будет 0,3 В x 40 мА = 12 мВт, а максимальная рассеиваемая мощность для 2N3904 составляет 1,5 Вт. Хотя этот базовый интерфейс позволяет только включать или выключать двигатель, его можно легко адаптировать, изменив IC1, чтобы включить управление скоростью с широтно-импульсной модуляцией либо с компьютера, либо с аппаратного обеспечения, созданного, как описано в модуле генераторов 4.6.

Этот простой интерфейс имеет еще одну функцию безопасности; диод D1, подключенный к двигателю, будет эффективно предотвращать любые неприятные всплески обратной ЭДС, генерируемые индуктивной нагрузкой (двигателем), от повреждения интерфейса.

Видео цепи привода двигателя

Начало страницы

Изолятор

против технологии оптопары – Silicon Labs

Из этих номиналов только максимальное рабочее напряжение изоляции (VIORM) подразумевает гарантию на время. Все остальные характеристики действительны только для нулевого времени. Другими словами, эти характеристики не гарантируются в течение всего срока службы продукта, а только для одного случая кратковременного (обычно 1 секунда или 1 минута) напряжения.Изолирующие устройства состоят из диэлектрика, который является изолирующим барьером, который обеспечивает способность выдерживать напряжение. Все диэлектрики подвержены старению; это подразумевает срок службы, в течение которого действительны характеристики выдерживаемого напряжения.

Старение происходит в основном из-за разрушения диэлектрика из-за тепловых и / или электрических полей. Для конкретного диэлектрика это определяется характерным материалом и производственными свойствами (примеси, дефекты и т. Д.). Старение – это необратимый процесс, и в момент усталости или разрушения диэлектрика через диэлектрик протекает лавинный ток, вызывая необратимое повреждение диэлектрика.Срок службы высоковольтной изоляции означает, что по истечении этого периода ее диэлектрические свойства больше не могут быть гарантированы.

Количество и тип диэлектрика, используемого в конструкции изолятора, определяют его характеристики и срок службы. Silicon Labs использует диоксид кремния (SiO2) для изоляции, потому что это наиболее часто используемый диэлектрик в полупроводниковой промышленности. Уровень дефектов у него один из самых низких среди всех диэлектриков, что гарантирует длительный срок службы продукта.SiO2 также является одним из доступных диэлектриков высочайшего качества и имеет порог пробоя 1000 В / мкм по сравнению с ~ 50 В / мкм для формовочной смеси, используемой в оптронах для изоляции. Кроме того, SiO2 является одним из наиболее стабильных диэлектриков при изменении температуры и влажности и является неорганическим материалом, а не органическим компаундом для форм. Благодаря SiO2 в качестве изоляционного материала изоляционные продукты Silicon Labs обладают лучшими в отрасли стойкостью по сравнению с оптопарами.

Все производители изоляционных материалов предоставляют эту информацию о сроке службы; когда истекает срок действия этой информации, устройства больше не могут работать как изоляторы. Во всех случаях режим отказа – это резистивное короткое замыкание между двумя (когда-то изолированными) землями изолирующего устройства – короткое замыкание между входом и выходом. Этот механизм отказа не зависит от способа соединения и применим ко всем изоляторам; это фундаментальное диэлектрическое свойство. Для примера см. Отчеты о сроке службы высокого напряжения от следующих производителей: Avago: App Note AN1074, Texas Instruments App Note SLLA 197.

Для измерения высоковольтного срока службы диэлектриков важно понимать, как старение диэлектрика физически объясняется и характеризуется различными моделями, такими как E-модель, 1 / E-модель, комбинация двух или других менее известных моделей. Е-модель является наиболее консервативной, математическая формулировка которой приведена ниже. В нем говорится, что время до отказа (TF) имеет обратную экспоненциальную зависимость от приложенного электрического (или E) поля в соответствии с уравнением 1:

.

ln (TF) = (ΔHo / Kb * T) – Ψ * E ( Уравнение 1 )

где:

• TF – наработка прибора на отказ
• ΔHo – энтальпия пробоя диэлектрика (также называемая энергией активации, которая зависит от используемых диэлектрических материалов и технологии процесса)
• Kb – постоянная Больцмана
• T – температура
• E – электрическое поле через изолирующий барьер, определяемое отношением приложенного напряжения напряжения (Vrms) к толщине изолирующего барьера
• Ψ – параметр ускорения поля.Это также зависит от свойств диэлектрического материала.

Методика временного пробоя диэлектрика (TDDB) используется для оценки продолжительного рабочего напряжения изолятора. Он начинается с измерения наработки на отказ для данных устройств при сильно ускоренных напряжениях. Затем эти данные экстраполируются на рабочее напряжение или длительное номинальное напряжение продукта, чтобы определить его срок службы. В методологии, используемой Silicon Labs для определения характеристик диэлектрика с помощью E-модели, температура является постоянной (в худшем случае использовалась Tj, равная 150 ° C), а толщина изоляционного барьера является постоянной для данного продукта.Таким образом, уравнение сводится к форме Уравнения 2:

TF = exp (-B * V) ( Уравнение 2 )

где:

• B – постоянная величина для данного тестируемого продукта / устройства
• В – приложенное напряжение.

При нанесении на логарифмически нормальный график, как показано на рисунке 6, экспоненциальная зависимость, ожидаемая в E-модели, математически представлена ​​прямой линией. Примечание. Не все производители изоляторов используют E-модель. Решение Silicon Labs использовать E-модель основано на том факте, что это наиболее распространенная и консервативная модель.

Стандартная методология TDDB использовалась для расчета ожидаемого срока службы. Испытания на пробой проводились при различных напряжениях. Затем результаты были нанесены на график распределения Вейбулла для экстраполяции необработанных данных на частоту отказов 10 ppm. Это означает, что при указанных значениях времени до отказа только 10 ppm тестируемых устройств вышли бы из строя. Это чрезвычайно низкая частота отказов, и поэтому заявленные сроки службы очень консервативны. Эти значения 10 ppm были использованы для построения графика зависимости времени до отказа (TTF) TDDB отнапряжение, как показано ниже. Среднее время наработки на отказ (MTTF) также показано на графике TDDB ниже.

Оптопары и гальваническая изоляция на основе кремния – как они работают? – Аналоговые – Технические статьи

Гальваническая развязка – необходимая форма защиты всей электроники, взаимодействующей с людьми или другими цепями, от возможных событий высокого напряжения в диапазоне от десятков вольт до киловольт. Изоляция как форма защиты требует, чтобы связь между двумя цепями происходила через изоляционный или изолирующий барьер, который предотвращает прямое протекание тока между цепями.

За последние несколько десятилетий технология, используемая для изоляции цепей, перешла от оптической к кремниевой, но чем эти технологии действительно отличаются?

Как работает оптопара?

Оптопара, показанная на рисунке 1, состоит из входного светодиода, приемного фотодетектора и выходного драйвера. Схема драйвера и схемы светодиодов обычно создаются с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS), при этом изоляция или изолирующий барьер обычно состоит из формовочного компаунда.И для входа, и для выхода изолятора оптопары требуются отдельные источники напряжения, подключенные через выводы анода и коллектора, и отдельные заземления, обычно подключаемые к контактам катода и эмиттера, чтобы поддерживать изоляцию сигналов между входом и выходом.

Рисунок 1: Оптопара с распиновкой

Обмен данными внутри оптопары происходит, когда примененный логический вход CMOS генерирует ток на стороне входа, который затем создает пропорциональный выход светодиода для передачи через барьер из литьевого компаунда к принимающему фотодетектору и выходу.

Изоляционные характеристики оптопары определяются комбинацией светодиода, формовочной массы, используемой между входом и выходом, и расстоянием через формовочную смесь. Поскольку формовочная смесь является ключевым фактором прочности изоляционного барьера, ее качество играет важную роль в сроке службы, надежности и производительности оптопары.

Органы по стандартизации

, включая Underwriters Laboratories (UL) и Verband der Elektrotechnik (VDE), определяют параметры оптопары, и эти рейтинги конкретно определяют «расстояние через изоляцию», чтобы учесть изменения формовочного компаунда во время производства, а также испытания частичного разряда для выявления дефектов формовочного компаунда, которые может снизить производительность изоляции в условиях стресса.Стандарты оптопар исторически не включали данные о надежности в течение всего срока службы или нагрузочные испытания под высоким напряжением для длительно приложенных высоких напряжений, и, таким образом, их стабильные долгосрочные характеристики и надежность могут значительно различаться.

Как работает изолятор на основе силикона?

Технология изоляции на основе кремния основана на технологии CMOS и состоит из двух отдельных микросхем интегральной схемы (ИС) – входной цепи и выходной цепи – соединенных через соединительные провода для передачи данных, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Поперечное сечение конструкции цифрового изолятора

Как входная, так и выходная стороны цифрового изолятора, как показано на рисунке 3, требуют отдельных источников напряжения (VCC1, VCC2) и отдельных заземлений (GND1, GND2) для поддержания развязки сигналов между входом и выходом.

Обмен данными внутри цифрового изолятора происходит при подаче на цифровой вход транзисторно-транзисторной логики или логики CMOS. Входной сигнал в цифровом виде преобразуется в частотную область, а затем проходит через высоковольтный емкостной барьер и через соединительный провод к ИС на приемной стороне.

Рисунок 3: Цифровой изолятор со схемой контактов

Изолятор схемы цифрового изолятора может быть либо одинарным, либо двойным емкостным барьером из диоксида кремния (SiO2), который в силу своей конструкции может выдерживать чрезвычайно высокие напряжения. Поскольку изоляционный барьер изготовлен из материала с высокой диэлектрической прочностью (см. Таблицу 1) и производится на строго контролируемой фабрике по производству полупроводниковых пластин, а не на сборочной линии, вариации от детали к детали маловероятны, а ключевыми факторами, влияющими на характеристики изоляции, являются изоляция технологии и дизайн.В официальном документе «Обеспечение качества и надежности изоляции сигналов высокого напряжения» исследуется, как этот производственный процесс обеспечивает надежность, защиту от ударов и усиленную изоляцию, эквивалентную двум уровням базовой изоляции в одном корпусе.

Материалы изолятора	Диэлектрическая прочность
Воздух	~ 1 В среднекв. / Мкм
Эпоксидные смолы	~ 20 В среднекв. / Мкм
Смеси для форм с диоксидом кремния	~ 100 В среднекв. / Мкм
Полиимид	~ 300 В среднекв. / Мкм
SiO 2	~ 500 В среднекв. / Мкм

Таблица 1: Сравнение диэлектриков

Характеристики изоляции кремниевых цифровых изоляторов определяются серией высоковольтных испытаний, проводимых органами по отраслевым стандартам, такими как UL, Международная электротехническая комиссия и VDE.Испытания аналогичны испытаниям для определения номинальных характеристик оптопары, как показано в таблице 2, с дополнительными высоковольтными испытаниями и требованиями к характеристикам материалов. Из-за дополнительных условий испытаний на устойчивость и надежность при высоком напряжении можно публиковать данные о надежности за срок службы.

	Тема	VDE 0884-11 Емкостные и магнитные цифровые изоляторы		IEC 60747-5-5 Оптопары
		Базовая изоляция	Армированная изоляция	Только усиленная изоляция
1	Макс.напряжение изоляции от импульсных перенапряжений, В IOSM	Испытательное напряжение = В IOSM x 1.3	Испытательное напряжение В IOSM x 1,6	Мин. 10 кВ
			Мин. 10 кВ
2	Испытательное напряжение частичного разряда, В ПД (М)	1,5 x V IORM	1.875 x V IORM	1,875 x V IORM
3	Рабочее напряжение, В ИОРМ	На основе анализа TDDB	На основе анализа TDDB	На основе теста PD
4	Мин.номинальный срок службы	20 лет x 1,3 (коэффициент надежности)	20 лет x 1,875 (коэффициент безопасности	Не определено
5	Частота отказов за весь срок службы	1000 частей на миллион	1 стр. / Мин	Не определено
6	Разрешенные изоляционные материалы	SiO 2 и тонкопленочный полимер	SiO 2 и тонкопленочный полимер	Не ограничено

Таблица 2: Сравнение условий испытания оптопары / испытания цифрового изолятора

Теперь вы должны иметь некоторое представление о различиях между оптической изоляцией и изоляцией на основе кремния, а также о роли материалов, производства и даже стандартных испытаний.Хотя и оптопара, и изоляторы на основе кремния являются проверенными средствами защиты цепей, реальная проблема при выборе наилучшего решения для изоляции для вашей конструкции будет зависеть от ваших проектных целей: надежность, срок службы и характеристики изолятора – все это играет роль в правильной технологии. выбор.

Дополнительные ресурсы:

Что такое оптоизолятор? – Sunpower UK

Что такое оптоизолятор?

Оптоизолятор – это электронное устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой через короткий оптический путь передачи, обеспечивая при этом электрическую изоляцию между двумя цепями.Оптоизолятор передает высокое напряжение с одной стороны цепи на другую без прямого электрического контакта.

Устройства преобразуют электрическую энергию в луч света с помощью светоизлучающего диода, а затем направляют свет на датчик света, такой как фотодиод или фототранзистор, который преобразует оптическую энергию обратно в электрическую энергию. Это изолирует две цепи, предотвращает скачки напряжения и снижает шум и помехи, связанные с коммуникационными соединениями.

Оптоизоляторы широко используются в источниках питания, системах управления и мониторинга, связи и других системах для безопасного электрического соединения одной секции схемы с другой, предотвращая при этом прямой контакт и воздействие высокого напряжения на сторону более низкого напряжения.

Базовая конструкция оптоизолятора

Типичный оптоизолятор состоит из светодиодного светодиода ближнего инфракрасного диапазона, фотодатчика, такого как фотодиод, фототранзистор или фототранзистор Дарлингтона, закрытого канала и источника питания.Два компонента обычно заключены в непрозрачный кожух, который предотвращает влияние внешнего света на излучаемый луч, и размещены в корпусе, похожем на ИС или транзистор с дополнительными выводами.

Существуют разные виды оптоизоляторов в зависимости от светочувствительного устройства и конфигурации. Два распространенных типа:

• Фотодиод: в качестве источника света используются светодиоды, а в качестве датчиков света – кремниевые фотодиоды.
• Фототранзистор: используется в качестве фототранзистора в качестве светового датчика

Рисунок 1: Типы оптоизоляторов

Основные операции оптоизолятора

Напряжение от первичной цепи подается на источник питания для создания луча света ближнего инфракрасного диапазона, который проходит через закрытый канал до тех пор, пока не попадет на фотодатчик, который преобразует оптическую энергию в электрическую.Поскольку светодиод и фототранзистор или фотодиод разделены и не имеют прямого электрического соединения, устройство обеспечивает изоляцию двух секций цепи, позволяя передавать электрическую энергию от одной секции к другой.

Как только свет светодиода попадает на фототранзистор, он начинает проводить электричество в зависимости от состояния и продолжительности света. Оптоизоляторы выпускаются в самых разных стилях, включая цилиндры, прямоугольники и другие специальные конфигурации.Они разработаны, чтобы обеспечить изоляцию более высоких напряжений, чем может выдержать SMD- и DIP-корпус оптопары.

Оптопары и оптоизоляторы иногда используются как взаимозаменяемые; однако оптопары выдерживают напряжения примерно до 5000 В, а оптоизоляторы выдерживают напряжения более 5000 В.

Параметры и характеристики оптоизоляторов:

• Коэффициент передачи тока, CTR: соотношение между токами светодиода и датчика
• Напряжение изоляции: максимальное гарантированное напряжение между светодиодом и датчиком освещенности
• Линейность
• Максимальное напряжение выходного устройства
• Входной ток
• Пропускная способность

Факторы, влияющие на работу оптоизолятора

Потенциал пробоя снаружи оптоизолятора зависит от таких факторов, как температура, влажность, расстояние, барометрическое давление, тип и концентрация загрязняющих веществ в воздухе.Поэтому устройства подвержены влиянию влажности и, в частности, более высоких напряжений около 50 000 постоянного тока. Высокая влажность воздуха может привести к возникновению дуги вокруг изолятора или вдоль поверхности печатной платы, что приведет к образованию токопроводящего пути и возможному короткому замыканию вокруг оптоизолятора.

К преимуществам оптоизоляторов можно отнести:

• Обеспечивает электрическую и физическую изоляцию двух участков цепи и, следовательно, безопасность
• Сведение к минимуму восприимчивости к шуму и электромагнитным помехам, а также уменьшение помех, например, от электрических помех
• Сравнительно небольшой и недорогой
• Возможность ограничения напряжения в нескольких цепях
• Обеспечить изоляцию

Недостатки оптоизоляторов

• Имеют ограничения и не могут использоваться в некоторых электрических системах
• На него влияют такие факторы, как влажность, загрязнение воздуха и атмосферное давление, каждый из которых может вызвать искрение и нарушить изоляцию.