För att byta last i växelströmskretsar har kretsar som använder kraftfulla fälteffekttransistorer nyligen använts alltmer. Denna klass av enheter representeras av två grupper. Den första gruppen inkluderar isolerade grindbipolära transistorer - IGBT. Den västra förkortningen är IGBT.

Den andra, den mest många, inkluderade traditionella fälteffekttransistorer (kanal). Denna grupp inkluderar också KP707 -transistorerna (se tabell 1), på vilka lastomkopplaren för 220 volt -nätet är monterad.

Det primära AC -nätet är en mycket farlig sak i alla avseenden. Därför finns det många kretslösningar för att undvika direkt nätverkslasthantering. Tidigare användes isoleringstransformatorer för dessa ändamål, nu ersätts de av en mängd olika optokopplare.

Optiskt isolerad transistoromkopplare

Schemat, som redan har blivit typiskt, visas i figur 1.


Detta schema gör det möjligt att galvaniskt isolera styrkretsarna och den primära kretsen på 220 volt. En optokopplare TLP521 används som avkopplingselement. Du kan använda andra importerade eller inhemska transistoroptokopplare. Kretsen är enkel och fungerar enligt följande. När spänningen vid ingångarna är noll, lyser inte optokopplings -LED: n, optokopplartransistorn är stängd och shuntar inte porten till kraftfulla kopplingstransistorer. På deras portar finns det således en öppningsspänning som är lika med stabiliseringsspänningen för zenerdioden VD1. I detta fall är transistorerna öppna och arbetar i tur och ordning, beroende på spänningens polaritet vid en given tidpunkt. Antag att det finns ett plus vid utgångsstiften i krets 4 och ett minus vid plint 3. Därefter kommer lastströmmen att flöda från terminal 3 till terminal 5, genom lasten till terminal 6, sedan genom den interna skyddsdioden på transistorn VT2, genom den öppna transistorn VT1 till terminal 4. När matningsspänningens polaritet ändras, ändras lastströmmen kommer att flöda genom dioden på transistorn VT1 och den öppna transistorn VT2. Kretselementen R3, R3, C1 och VD1 är inget annat än en transformatorlös strömförsörjning. Motståndet R1 är märkt för en ingångsspänning på fem volt och kan ändras efter behov.

Hela kretsen är gjord i form av ett funktionellt komplett block. Kretselementen är monterade på ett litet U-format kretskort som visas i figur 2.


Själva brädet är fixerat på en 56x43x6 mm aluminiumplatta, som är den primära kylflänsen, med en skruv. Kraftfulla transistorer VT1 och VT2 är också fästa på den genom värmeledande pasta och glimmerisolerande packningar med skruvar med bussningar. Hörnhål borras i både brädan och plattan och tjänar vid behov för att fästa enheten till en annan kraftfullare kylfläns.

Denna artikel kommer att fokusera främst på den optiska isoleringen av en analog signal. Ett budgetalternativ kommer att övervägas. Det fokuserar också på hastigheten på kretsdesignen.

Analoga signalavkopplingsmetoder

En liten översikt. Det finns tre huvudmetoder för galvanisk isolering av en analog signal: transformator, optisk och kondensator. De två första har funnit störst nytta. Idag finns det en hel klass enheter som kallas isolationsförstärkare eller isolerade förstärkare. Sådana anordningar sänder en signal med hjälp av dess omvandling (kretsen innehåller en signalmodulator och demodulator).

Figur 1. Allmän krets för isoleringsförstärkare.

Det finns enheter för överföring av en analog spänningssignal (ADUM3190, ACPL-C87) och specialiserade enheter för anslutning direkt till en ström shunt (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). I den här artikeln kommer vi inte att överväga dyra enheter, men vi listar några av dem: iso100, iso124, ad202..ad215, etc.

Det finns också en annan klass av enheter - avkoppling av optiska förstärkare med linjär feedback (Linear Optocoupler); dessa enheter inkluderar il300, loc110, hcnr201. Funktionsprincipen för dessa enheter är lätt att förstå genom att titta på deras typiska anslutningsschema.

Bild 2. Typisk krets för avkoppling av optiska förstärkare.

För mer information om avkopplingsförstärkare kan du läsa: AJ Peyton, W. Walsh "Analog Electronics on Op Amps" (kapitel 2), även dokumentet AN614 "Ett enkelt alternativ till analoga isoleringsförstärkare" från silikonlaboratorier kommer att vara användbart, där är en bra jämförelsetabell. Båda källorna finns tillgängliga på Internet.

Speciella mikrokretsar för optisk signalisolering

Nu till saken! Låt oss först jämföra tre specialiserade mikrokretsar: il300, loc110, hcnr201. Ansluten på samma sätt:

Fig. 3. Testkrets för il300, hcnr201 och loc110.

Skillnaden är bara i betygen för il300, hcnr201 R1, R3 = 30k, R2 = 100R, respektive för loc110 10k respektive 200R (jag valde olika betyg för att uppnå maximal hastighet, men samtidigt inte gå utöver de tillåtna gränserna till exempel strömmen för den utsändande dioden). Nedan visas oscillogrammen som talar för sig själva (nedan: blå - insignal, gul - utgång).

Bild 4. Oscillogram för il300 övergående process.

Bild 5. Oscillogram för den övergående processen hcnr201.

Bild 6. Oscillogram för den övergående processenloc110.

Låt oss nu överväga mikrokretsen ACPL-C87B (ingångssignalområdet 0..2V). Ärligt talat har jag tjatat med henne länge. Jag hade två mikrokretsar tillgängliga, efter att jag fick ett oväntat resultat på den första hanterade jag den andra mycket noggrant, särskilt vid lödning. Jag samlade allt enligt schemat som anges i dokumentationen:

Bild 7. Typiskt schema förACPL— C87 från dokumentationen.

Resultatet är detsamma. Jag lödde keramiska kondensatorer direkt nära kraftbenen, bytte op-amp (testade det naturligtvis på andra kretsar), byggde om kretsen etc. Vad är den verkliga fångsten: utsignalen har betydande fluktuationer.

Bild 8. Oscillogram över den övergående processenACPL— C87.

Trots att tillverkaren lovar att ljudnivån för utsignalen är 0,013 mVrms och för alternativet "B" är noggrannheten ± 0,5%. Vad är problemet? Möjligen ett fel i dokumentationen, eftersom det är svårt att tro på 0,013 mVrms. Oklar. Men låt oss titta i kolumnen Testvillkor / Anteckningar mittemot Vout Noise och i Fig. 12 i dokumentationen:

Bild 9. Beroende av brusnivån på insignalens storlek och utgångsfiltrets frekvens.

Här blir bilden lite tydligare. Tydligen säger tillverkaren att vi kan kväva dessa ljud genom ett lågpassfilter. Tack för tipset (ironiskt). Varför gjorde de bara allt på ett så listigt sätt. Mest troligt är det klart varför. Nedan visas graferna utan och med ett utgående RC -filter (R = 1k, C = 10nF (τ = 10µS))

Bild 10. Oscillogram över den övergående processenACPL— C87 utan och med utgångsfilter.

Optokopplare för allmänna ändamål för signalavkoppling

Låt oss nu komma till den roliga delen. Nedan är diagrammen jag hittade på internet.

Fig. 11. Typiskt schema för optisk isolering av en analog signal på två optokopplare.

Bild 12. Typiskt schema för optisk isolering av en analog signal på två optokopplare.

Bild 13. Typiskt schema för optisk isolering av en analog signal på två optokopplare.

Denna lösning har både fördelar och nackdelar. Fördelen är den högre isoleringsspänningen, nackdelarna är att två mikrokretsar kan skilja sig avsevärt i parametrar, därför rekommenderas förresten att använda mikrokretsar från samma sats.

Jag satte ihop denna krets på ett 6n136 -chip:

Bild 14. Oscillogram för avkopplingens övergående process vid 6N136.

Det fungerade, men långsamt. Jag försökte samla på andra mikrokretsar (som sfh615), det visar sig, men också långsamt. Jag behövde vara snabbare. Dessutom fungerar kretsen ofta inte på grund av de framväxande självoscillationerna (i sådana fall sägs ACS vara instabil))) Det hjälper till att öka värdet på kondensatorn C2 fig. sexton.

En vän rådde en inhemsk optokopplare AOD130A... Resultatet i ansiktet:

Bild 15. Oscillogram för avkopplingens övergående process på AOD130A.

Och här är diagrammet:

Fig. 16: Isolationsdiagram för AOD130A.

En potentiometer behövs (RV1 eller RV2), beroende på om utsignalen är mindre eller mer än ingången. I princip var det möjligt att bara sätta en RV = 2k i serie med R3 = 4,7k, eller till och med lämna bara RV2 = 10k utan R3. Principen är klar: kunna justera runt 5k.

Signaltransformator avkopplingsmikrokrets

Låt oss gå vidare till transformatorversionen. ADUM3190 mikrokretsen i två versioner för 200 och 400 kHz (jag har ADUM3190TRQZ för 400), det finns också en mikrokrets för en högre isolationsspänning ADUM4190. Observera att fodralet är det minsta av alla - QSOP16. Utgångsspänning Eaout från 0,4 till 2,4V. I min mikrokrets är utmatningsspänningen cirka 100 mV (ses i oscillogrammet i fig. 18). I allmänhet fungerar det bra, men personligen är jag inte helt nöjd med utspänningsområdet. Samlad enligt schemat från dokumentationen:

Bild 17. ADUM3190 schematisk från dokumentation.

Några oscillogram:

Bild 18. Oscillogram för den övergående processen ADUM3190.

Resultat

Sammanfatta. Enligt min åsikt det bästa alternativetär ett diagram för inhemsk ADO130A (var har de precis fått dem?!). Och slutligen en liten jämförelsetabell:

Chip	tr + fördröjning (av oscil.), μs	tf + fördröjning. (av oscil.), μs	Blöja. spänning, V	Spänning isolering, V	Buller (Oscill.) MVp-s.	Pris ** per styck, s (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	nd	500
6N136	10	8	0-3*	2500	15	50
AOD130A	2	3	0.01-3*	1500	10	90
ADUM3190T	2	2	0.4-2.4	2500	20	210

* - ungefär (enligt den sammansatta kretsen med optimering för hastighet)

** - genomsnittspris till lägsta.
Yaroslav Vlasov

P.S. AOD130A producerad av OJSC Proton (med logotypen graverad i ett svart fodral) är bra. Gamla (90 -talet i ett brunt fodral) är inte lämpliga.

Av flera senaste inlägg att döma skulle det vara trevligt att täcka vad galvanisk isolering är och varför det behövs. Så:

Galvanisk isolering- överföring av energi eller signal mellan elektriska kretsar utan elektrisk kontakt mellan dem.

Låt oss nu använda exempel :)

Exempel 1. Nätverk

Oftast talar de om galvanisk isolering i förhållande till elnätet, och här är varför. Tänk dig att du tar tag i en tråd från ett uttag med handen. Din "anslutning" när det gäller el ser ut så här:

Och, ja, läckströmmen i tofflorna är tillräckligt för att du ska känna "chocken" när du rör vid "fas" -tråden i nätverket. Om tofflorna är torra, är ett sådant "slag" vanligtvis ofarligt. Men om du står barfota på ett fuktigt golv kan konsekvenserna bli fruktansvärda.

Det är en helt annan sak om en transformator finns i kretsen:

Om du rör vid en av transformatorns terminaler kommer strömmen inte att flöda genom dig - den har helt enkelt ingenstans att flöda, den andra terminalen på transformatorn hänger i luften. Om du naturligtvis tar tag i båda terminalerna på transformatorn, och den ger ut tillräckligt med spänning, kommer den att slå och så vidare.

Så, i detta fall ger transformatorn galvanisk isolering. Förutom transformatorn finns det också ett gäng olika sättöverför en signal utan att skapa elektrisk kontakt:

• Optisk: optokopplare, fiberoptik, solpaneler
• Radio: mottagare, sändare
• Ljud: högtalare, mikrofon
• Kapacitiv: genom en mycket liten kondensator
• Mekanisk: motorgenerator
• Du kan fortfarande tänka dig

Exempel 2. Oscilloskop

Det finns ett rakt megaklassiskt sätt att spränga en halv krets. Forumet har till och med en motsvarande. Faktum är att många människor glömmer att oscilloskopet (och mycket annan utrustning) är ansluten till jord. Så här ser hela bilden ut när oscilloskopet är anslutet till en krets som drivs direkt från elnätet:

Kom ihåg - så snart du ansluter något till kretsen blir det en del av kretsen! Detta gäller även för olika mätutrustningar.

Det korrekta sättet att mäta till något i en sådan krets är att ansluta det genom en 220-> 220 avkopplingstransformator:

Färdiga transformatorer 220-> 220 är ganska svåra att hitta. Därför kan du använda de så kallade flip-flopsna. En växling är två transformatorer, till exempel 220-> 24, avstängda i serier så här:

Hur det ser ut i praktiken har du förmodligen sett i:

Växlar är ännu bättre än en enda 220-> 220 transformator.

• De ger hälften av kapacitansen mellan inlopp och utlopp
• Den mellersta delen kan jordas, och det är därför mycket bra att filtrera bort brus från nätverket.
• Du kan slå på 3 transformatorer, och sedan kan du få 440 eller 110 volt

Naturligtvis, ju högre spänning vid transformatorns utgång, desto mindre strömflöde och desto bättre.

Låt

För länge sedan skrev jag till och med ner en låt om ämnet galvanisk isolering. Låten är under spoilern.

Sång, text och förklaringar

Jag spelade in denna minisång när jag höll på med olika ljudelektronik. En tovarisch gjorde en tubgitarrpryla och tänkte att transformatorn som förvandlar 220 till 220 är helt värdelös, slängde den ur kretsen som han betalade för. Jag tyckte att det var ganska ett tema för en metallminisång.

Hej Oldfag! Din webbläsare stöder inte html5! Uppdatering!

Du satte inte anodtransformatorn
Drivs direkt från nätverket
Det fanns ett batteri under mina fötter
Och du tog tag i gitarren med handen

Strömmen genomborrar den dödliga kroppen
Förgängliga köttvridningar
Du kan inte öppna handen
Du är ensam och ingen kan hjälpa

Rivning och brännande
Elektroner pressar ditt hjärta
Kommer det att slå eller dö ut?
Säkerhet, kom ihåg, framför allt annat.

Förresten, förutom kopplingen i den här lilla låten, finns det ytterligare två goda råd:

• Ja, allt arbete med nätspänning måste utföras av minst två personer.
• När han chockar komprimeras handen, därför är det först bättre att röra enheterna med höger hand.

Slutsats

Naturligtvis slutar temat för avvecklingen inte där. Till exempel är det mycket svårt att överföra snabba signaler genom en växling. Men om detta - lite senare.

International Rectifier - en utvecklare och tillverkare av kraftelektronik sedan 1947 - producerar ett stort utbud av optiska reläer för alla typer av applikationer. De mest populära av dem kan grovt delas in i följande grupper:

• Snabbt agerande (PVA, PVD, PVR);

• Generell mening (PVT);

• Lågspänning medeleffekt (PVG, PVN);

• Högspänning kraftfull (PVX).

PVA33: snabbt relä
för signalväxling

AC -reläserie PVA33 - enda stolpe, normalt öppen. Designad för allmänna ändamål att byta analoga signaler.

Funktionsprincipen för anordningen är följande (fig. 1). Spänningen som appliceras på reläets ingång får en ström att flöda genom galliumarsenid -LED (GaAlAs), vilket leder till en intensiv glöd av den senare. Ljusflödet faller på en integrerad fotovoltaisk generator (FGG), vilket skapar en potentialskillnad mellan grinden och utgångsbrytarens källa, och överför därigenom den senare till ett ledande tillstånd. Power MOS -transistorer (HEXFET - patenterad IR -teknik) används som utgångsbrytare. Således uppnås fullständig galvanisk isolering av ingångskretsarna från utgångskretsarna.

Ris. ett.

Fördelarna med en sådan lösning i jämförelse med konventionella elektromekaniska reléer och vassreläer är en signifikant ökning av livslängd och hastighet, minskning av effektförluster och minimering av dimensioner. Dessa fördelar gör att vi kan förbättra kvaliteten på de utvecklade produkterna för olika tillämpningar, till exempel inom signalmultiplexering, automatisk testutrustning, datainsamlingssystem och andra.

Spänningsnivån som reläet i denna serie kan växla ligger i intervallet från 0 till 300 V (toppvärde) för både växelström och likström. I detta fall bestäms miniminivån (vid konstant ström) av kanalmotståndet hos utgångstransistorerna, som i genomsnitt är cirka 1 Ohm (max upp till 20 Ohm).

Enhetens dynamiska egenskaper bestäms av på-av-tiden, som är cirka 100 μs. Således kan reläets garanterade kopplingsfrekvens nå 500 Hz eller mer.

Maximalfrekvensen för den kopplade signalen beror huvudsakligen på frekvensegenskaperna för de använda transistorerna och för MOS -switchar når hundratals kilohertz. Reläer levereras i 8-stifts DIP-paket och finns i två alternativ: genomgående hål och ytmontering.

PVT312: telekommunikationsrelä
generell mening

Fotoelektriskt relä PVT312, enpolig, normalt öppen, kan användas med både likström och växelström.

Detta solid state -relä är speciellt utformat för telekommunikationsapplikationer. Reläserie PVT312L(suffix "L") använda aktiva strömbegränsande kretsar för att motstå övergående strömspänningar. PVT312 finns i ett 6-stifts DIP-paket.

Ansökan: telekommunikationsnycklar, triggers, allmänna system växlande.

Anslutningsdiagram kan vara av tre typer (bild 2). I det första fallet är två nycklar i mikrokretsen anslutna i serie. Detta gör att den resulterande kretsen kan växla växelspänning på grund av symmetri. Ett sådant schema kallas "A" -typ inkludering. Typ "B" skiljer sig åt genom att endast en av de två knapparna i mikrokretsen används. Detta gör det möjligt att växla en högre, dock endast likström. I den tredje versionen (typ "C") är tangenterna anslutna parallellt och ökar därmed det högsta möjliga strömvärdet.

Ris. 2.

PVG612: lågspänningsrelämedium
effekt för växelström

Fotoelektriska reläserier PVG612 - unipolära normalt öppna halvledarreläer. Kompakta enheter PVG612 -serien används för isolerad omkoppling av strömmar upp till 1 A med spänningar från 12 till 48 V AC eller DC.

Reläer av denna typ är intressanta genom att de kan växla relativt stora (för av denna typ enheter) växlande strömmar samtidigt som hastigheten på MOSFET -lösningar bibehålls.

PVDZ172N: lågspänningsmedium
effekt för likström

Reläer i denna serie (fig. 3), till skillnad från de som beskrivs ovan, är avsedda att endast koppla strömmar med konstant polaritet med en kraft upp till 1,5 A och spänning upp till 60 V. Dessa reläer används till exempel för styrning av belysning enheter, motorer, värmeelement, etc.. d.

Ris. 3.

PVDZ172N Finns som normalt öppna, enpoliga versioner i 8-stifts DIP-paket.

Andra möjliga tillämpningar: ljudutrustning, nätaggregat, datorer och kringutrustning.

PVX6012: för tung last

För stora lågfrekventa belastningar erbjuder IR ett fotoelektriskt relä PVX6012(fig. 4) (enpolig, normalt öppen). Enheten använder en utmatningsnyckel baserad på bipolär transistor med isolerad grind (IGBT), vilket gjorde det möjligt att erhålla ett lågt spänningsfall i on-state och låga förlustströmmar i stängt tillstånd med tillräcklig hög hastighet arbete (7 ms - på / 1 ms - av).

Ris. 4.

PVX6012 kommer i ett 14-stifts DIP-paket som intressant nog bara använder fyra stift för att ge enheten bättre kylning.

Viktiga tillämpningar inkluderar: testutrustning; industriell kontroll och automatisering; byte av elektromekaniska reläer; byte av kvicksilverreläer.

PVI: fotoisolator för extern
stora strömknappar

Enheter i denna serie är inte reläer i ordets rätta bemärkelse. Det vill säga att de inte kan byta flöden av stor energi med hjälp av små. De ger bara galvanisk isolering av ingång från utgång, därav deras namn - fotoelektrisk isolator (fig. 5).

Ris. fem.

Varför behöver du sådana "underrapporterade"? Faktum är att enheter i PVI -serien genererar elektriskt isolerade konstant tryck vilket är tillräckligt för att direkt driva portarna till MOSFET och IGBT med hög effekt. Faktum är att det är ett optorelä, men utan en utgångsbrytare, som utvecklaren kan använda en separat transistor som är lämplig för den när det gäller effekt.

PVI: er är idealiska för applikationer som kräver högström och / eller högspänningsomkoppling med optisk isolering mellan styrkretsar och högeffektbelastningskretsar.

Dessutom isolatorserien PVI1050N innehåller två samtidigt styrda utgångar, vilket gör det möjligt att ansluta dem i serie eller parallellt för att ge ett högre värde för styrströmmen (MOS) eller ett högre värde för styrspänningen (IGBT). Således kan i själva verket en utsignal på 10 V / 5 µA erhållas vid seriekoppling och 5 V / 10 µA vid parallellkoppling.

De två PVI1050N-utgångarna kan också användas separat, förutsatt att potentialskillnaden mellan utgångarna inte överstiger 1200 V (DC) .Ingång-utgångsisolering är 2500 V (rms).

Enheter i denna serie finns i 8-stifts DIP-paket och används för att organisera styrning av kraftfulla laster, spänningsomvandlare etc.

PVR13: dubbel snabbrelä

Huvuddragen i denna serie är närvaron av två oberoende reläer i ett hus (fig. 6), som var och en kan slås på som "A", "B" eller "C" (för en förklaring av typerna, se beskrivningen av PVT312 ovan). Maximal kopplingsspänning 100 V (DC / AC), ström 300 mA. Annars är detta relä nära PVA33 när det gäller tillämpning och egenskaper och är också avsett för att växla analoga signaler med medelhög frekvens (upp till hundratals kilohertz).

Ris. 6.

Finns i 16-stifts DIP-paket med genomgående hål.

De viktigaste egenskaperna hos IR -optoelektroniska reläer presenteras i tabell 1.

Bord 1. Parametrar för IR -optoelektroniska reläer

Egenskaper	PVA33	PVT312	PVG612N	PVDZ172N	PVX6012
Ingångskarakteristika
Minsta styrström, mA	1…2	2	10	10	5
Max. styrström för att vara i stängt tillstånd, mA	0,01	0,4	0,4	0,4	0,4
Kontrollera strömområde (strömbegränsning krävs!), MA	5…25	2…25	5…25	5…25	5…25
Maximal omvänd spänning, V	6	6	6	6	6
Utgångskarakteristika
Arbetsspänningsområde, V	0…300	0…250	0…60	0 ... 60 (konstant)	280 (fil) / 400 (dc)
Maximal kontinuerlig lastström vid 40 ° C, A	0,15	-	-	1,5	1
En anslutning. (inlägg eller variabel)	-	0,19	1	-	-
I samband (snabb.)	-	0,21	1,5	-	-
Med anslutning. (snabb.)	-	0,32	2	-	-
Maximal impulsström, A	-	-	2,4	4	upprepa inte. 5 A (1 sek)
Öppet motstånd, inte mer, Ohm	24	-	-	0,25	-
En anslutning.	-	10	0,5	-	-
I samband	-	5,5	0,25	-	-
Med anslutning.	-	3	0,15	-	-
Motstånd i stängt tillstånd, inte mindre, MOhm	10000	-	100	100	-
Starttid, inte mer. Fröken	0,1	3	2	2	7
Avstängningstid, inte mer, ms	0,11	0,5	0,5	0,5	1
Utgångskapacitans, inte mer, pF	6	50	130	150	50
Spänningshastighet, inte mindre, V / μs	1000	-	-	-	-
Övrig
Dielektrisk styrka "input-output", V (RMS)	4000	4000	4000	4000	3750
Isolationsmotstånd, ingång-utgång, 90 VDC, Ohm	1012	1012	1012	1012	1012
Kapacitans "input-output", pF	1	1	1	1	1
Maximal kontaktlödningstemperatur, ° С	260	260	260	260	260
Arbetstemperatur, ° С	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85
Lagringstemperatur, ° С	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100

Tillämpningar av IR -optoelektroniska reläer

Kontrollsystem. Ett av de brådskande problemen i ACS -gränssnitten är organisationen av kommunikationen mellan styrningen och den omkopplade kretsen med tillförlitlig galvanisk isolering. Det vill säga att det är nödvändigt att organisera överföringen av information (till exempel en signal till ett ställdon) utan elektrisk kontakt. En av de första anordningarna av detta slag var elektromekaniska reläer, i vilka information överfördes med hjälp av ett magnetfält. Förekomsten av mekaniska delar ledde dock till kontaktbågar och låg hastighet för sådana system.

Användningen av signalöverföring genom ljusflödet (optoelektroniska reläer) i ACS -gränssnitten (fig. 7), jämfört med elektromekaniska omkopplare, ger högre indikatorer när det gäller tillförlitlighet, kopplingshastighet, hållbarhet och bättre vikt och dimensioner; och fördelen i jämförelse med elektroniska omkopplare är frånvaron av en gemensam punkt och ömsesidigt inflytande av kretsar under omkoppling.

Ris. 7.

Närvaron av en galvanisk isolering i styrsystemet är sedan dess en av switchens viktiga egenskaper låter dig skapa separata kontrollflöden, vilket i sin tur gör det möjligt att tillhandahålla elektrisk oberoende information och exekutiva zoner i systemet. Optisk galvanisk isolering isolerar mikroelektronisk styrutrustning från högström- och högspänningskretsar för kringutrustningsenheter, vilket leder till en ökning av bullerimmunitet, livslängd och sänkning av priset på sådan utrustning.

Ris. åtta.

En annan nödvändig funktion i mätutrustning är omkoppling av driftlägen (mätområde, förstärkning, typ av anslutning, etc.), som tidigare utfördes mekaniskt. Till exempel, för att mäta spänning, är en voltmeter ansluten till kretsen parallellt, medan för att mäta ström måste mätutrustningen vara seriellt ansluten till kretsen. I vissa enheter var det nödvändigt att använda en annan ingång för att implementera en sådan omkopplare, mekaniskt byta mätledning. Detta är ganska obekvämt vid frekventa ändringar i den uppmätta parametern, därför kan användningen av optoelektroniska reläer effektivt lösa det här problemet, vilket ökar enhetens användbarhet avsevärt.

Å andra sidan beror behovet av att använda ett optiskt relä i datainsamlingssystem ofta på den stora sannolikheten för skada på de känsliga ingångskretsarna för mätutrustning (analog-till-digital och frekvensomformare). Sådan oönskad effekt kan uppstå till exempel i samband med ledarnas långa längd från primäromvandlaren till mätelementet, vilket bidrar till induktion av elektrostatisk störning. Dessutom kan både övergående processer under till- och frånkoppling av utrustningen och fel i användningen, till exempel närvaron av en insignal med stor amplitud när matningsspänningen går förlorad, ha en betydande inverkan.

Alla dessa faktorer leder till nödvändigheten av att använda galvanisk isolering. Ett exempel är reläerna i PVT312L-serien med en inbyggd krets för undertryckande av aktiv krusning, som effektivt kan användas i enheter kopplade till långa ledare eller som arbetar under svåra elektromagnetiska förhållanden (trådbundna miljöövervakningssystem för företag, industriella mätomvandlare).

Telekommunikation. Användningen av ett optiskt relä inom kommunikationsområdet är också en lovande riktning. Det finns flera unika funktioner som du kan dra nytta av fördelarna med ett optorelä att implementera. Detta inkluderar galvanisk isolering mellan modemet och telefonlinjen för att förhindra skador från elektrostatiska (inklusive blixtar) urladdningar; implementering av specifika funktioner för telefonutrustning (puls- och tonuppringning, anslutning och bestämning av linjetillståndet), etc.

Slutsats

Under de senaste åren har det funnits en trend mot en stadig ökning av efterfrågan på IR -optoelektroniska reläer. De viktigaste konsumenterna av solid-state-reläer är våra lands industrijättar-instrumenttillverknings- och transportföretag, stora statliga företag Rostelecom, Rosatom, Russian Railways. Tillverkarna värdesätter bekvämlighet och hög specifikationer IR -reläer för industriella tillämpningar.

Å andra sidan ökar kraven på tillförlitligheten för elektronisk utrustning från militär- och rymdindustrin ständigt. Frågan är mycket aktuell, vilket kräver specifika tekniska lösningar som minskar utrustningsfel under drift. Ingen av experterna tvivlar på att halvledarreläer kan förbättra tillförlitligheten hos specialutrustad utrustning.

Galvanisk isolering. Optokopplare krets

VAD ÄR OPTOCOUPLER

Optokopplare, även känd som en optokopplare, är en elektronisk komponent som överför elektriska signaler mellan två isolerade elektriska kretsar med infrarött ljus. Som isolator kan optokopplaren förhindra att höga spänningar passerar genom kretsen. Överföringen av signaler genom ljusbarriären sker med hjälp av en IR -LED och ett ljuskänsligt element, såsom en fototransistor, är grunden för optokopplingsstrukturen. Optokopplare finns i olika modeller och interna konfigurationer. En av de vanligaste är en IR-diod och en fototransistor tillsammans i ett 4-poligt paket, som visas i figuren. Vissa parametrar får inte överskridas under drift. Dessa maxvärden används tillsammans med graferna för att korrekt utforma driftsläget. På ingångssidan har den infraröda emitterande dioden en viss maximal framåtström och spänning som överstiger vilket leder till förbränning av det utsändande elementet. Men en signal som är för liten kommer inte att få den att lysa och kommer inte att tillåta pulsen att överföras vidare längs kretsen. Fördelar med optokopplare möjligheten att tillhandahålla galvanisk isolering mellan ingång och utgång; för optokopplare finns det inga grundläggande fysiska eller konstruktionsrestriktioner för att uppnå godtyckligt höga spänningar och avkopplingsmotstånd och godtyckligt liten genomströmningskapacitet; möjligheten att genomföra kontaktlös optisk styrning av elektroniska objekt och den resulterande variationen och flexibiliteten hos designlösningar för styrkretsar; enkelriktad spridning av information genom den optiska kanalen, ingen återkoppling från mottagaren till sändaren; bred frekvensbandbredd hos optokopplaren, ingen sidobegränsning låga frekvenser; förmågan att överföra via en optokopplingskrets, både en pulssignal och en konstant komponent; möjligheten att styra optokopplarens utsignal genom att agera på den optiska kanalens material och den resulterande möjligheten att skapa en mängd olika sensorer, liksom en mängd olika enheter för överföring av information; möjligheten att skapa funktionella mikroelektroniska enheter med fotodetektorer, vars egenskaper, när de belyses, ändras enligt en komplex förutbestämd lag; immunitet hos optiska kommunikationskanaler mot effekterna av elektromagnetiska fält, vilket gör dem immuna mot störningar och informationsläckage, och utesluter också ömsesidig störning; fysisk och designteknologisk kompatibilitet med andra halvledare och elektroniska enheter. Nackdelar med optokopplare betydande energiförbrukning på grund av behovet av dubbel omvandling av energi (el - ljus - el) och låg effektivitet för dessa övergångar; ökad känslighet hos parametrar och egenskaper för effekterna av ökad temperatur och penetrerande strålning; tillfällig försämring av optokopplingsparametrar; en relativt hög nivå av inneboende brus, liksom de två tidigare nackdelarna, på grund av särdragen i lysdiodernas fysik; komplexiteten i genomförandet återkopplingar orsakad av elektrisk frånkoppling av ingångs- och utgångskretsarna; konstruktiv och teknisk ofullkomlighet i samband med användningen av hybrid icke -plan teknik, med behovet av att kombinera flera separata kristaller från olika halvledare placerade i olika plan i en enhet. Användning av optokopplare Som element i galvanisk isolering används optokopplare: för att ansluta utrustningsenheter, mellan vilka det finns en betydande potentialskillnad; för att skydda ingångskretsarna för mätanordningar från störningar och upphämtning. Ett annat viktigt tillämpningsområde för optokopplare är optisk, kontaktlös styrning av hög- och högspänningskretsar. Lansering av kraftfulla tyristorer, triacs, kontroll av elektromekaniska reläanordningar. Byta strömförsörjning. Skapandet av "långa" optokopplare (enheter med en utökad flexibel fiberoptisk ljusguide) öppnade en helt ny riktning för användning av produkter inom optronic -teknik - kommunikation över korta avstånd. Olika optokopplare används också i radiotekniska moduleringsscheman, automatisk förstärkningskontroll och andra. Påverkan genom den optiska kanalen används här för att föra kretsen till det optimala driftläget, för kontaktlös omstrukturering av läget. Möjligheten att ändra egenskaperna hos den optiska kanalen under olika yttre påverkan på den gör det möjligt att skapa en hel serie optokopplingssensorer: sådana är fukt- och gassensorer, sensorer för närvaron av en viss vätska i volymen, sensorer för renheten på ett föremåls yta och hastigheten på dess förflyttning. Mångsidigheten hos optokopplare som element i galvanisk isolering och kontaktlös kontroll, mångfalden och uniken hos många andra funktioner är anledningen till att optokopplarens tillämpningsområden har blivit datorer, automatisering, kommunikation och radioutrustning, automatiserade system kontroll, mätutrustning, kontroll- och regleringssystem, medicinsk elektronik, anordningar för visuell visning av information. Mer om olika typer läs optokopplare i detta dokument.

elwo.ru

Galvanisk isolering: principer och schema

Galvanisk isolering är principen för elektrisk isolering av den aktuella kretsen i förhållande till andra kretsar som finns i en enhet och förbättrar teknisk prestanda. Galvanisk isolering används för att lösa följande uppgifter:

1. Uppnå oberoende signalkedja. Den används vid anslutning av olika enheter och enheter, säkerställer oberoende av den elektriska signalkretsen med avseende på de strömmar som uppstår vid anslutning av olika typer av enheter. Oberoende galvanisk koppling löser problemen med elektromagnetisk kompatibilitet, minskar påverkan av störningar, förbättrar signal-brusförhållandet i signalkretsar och ökar den faktiska mätnoggrannheten för pågående processer. Galvanisk isolering med isolerade in- och utgångar underlättar instrumentkompatibilitet med olika enheter med komplexa parametrar för den elektromagnetiska miljön. Flerkanalig mätinstrument har grupp- eller kanalisolering. Isolering kan vara enkel för flera mätkanaler eller kanal för kanal för varje kanal oberoende.
2. Överensstämmelse med kraven i nuvarande GOST 52319-2005 för elektrisk säkerhet. Standarden reglerar isolationsmotståndet i elektrisk styr- och mätutrustning. Galvanisk isolering betraktas som en av en uppsättning åtgärder för att garantera elektrisk säkerhet, bör fungera parallellt med andra skyddsmetoder (jordning, spännings- och strömbegränsande kretsar, säkerhetsanordningar, etc.).

Avkoppling kan tillhandahållas olika metoder och tekniska medel: galvaniska bad, induktiva transformatorer, digitala isolatorer, elektromekaniska reläer.

Galvaniska isoleringslösningsdiagram

Under konstruktionen av komplexa system för digital behandling av inkommande signaler i samband med funktion i en industriell miljö måste galvanisk isolering lösa följande problem:

1. Skydda datorkretsar från kritiska strömmar och spänningar. Detta är viktigt om driftsförhållandena innebär exponering för industriella elektromagnetiska vågor, det finns svårigheter med jordning etc. Sådana situationer uppstår också vid transport, som har en stor faktor för mänskligt inflytande. Fel kan orsaka fullständigt fel på dyr utrustning.
2. Skydda användare från elektriska stötar. Oftast är problemet relevant för medicintekniska produkter.
3. Minimera de skadliga effekterna av olika störningar. En viktig faktor i laboratorier som utför exakta mätningar, vid konstruktion av precisionssystem, vid metrologiska stationer.

För närvarande används transformator och optoelektroniska avkopplare i stor utsträckning.

Funktionsprincipen för optokopplaren

Optokopplare krets

Den ljusemitterande dioden är förspänd framåt och tar bara emot strålning från fototransistorn. Enligt denna metod utförs den galvaniska anslutningen av kretsar, som är anslutna på ena sidan med en LED och på den andra sidan med en fototransistor. Fördelarna med optoelektroniska enheter inkluderar möjligheten att överföra kommunikation över ett brett område, möjligheten att överföra tydliga signaler vid höga frekvenser och små linjära dimensioner.

Elektriska pulsmultiplikatorer

Ge den nödvändiga nivån av elektrisk isolering, bestå av sändare-sändare, kommunikationsledningar och mottagare.

Pulsmultiplikatorer

Kommunikationslinjen måste tillhandahålla den nödvändiga nivån av signalisolering; i mottagningsanordningarna förstärks pulserna till de värden som är nödvändiga för att starta tyristorerna.

Elektriska avkopplingstransformatorer förbättrar tillförlitligheten installerade system byggd på grundval av sekventiella multikomplexa kanaler om en av dem misslyckas.

Parametrar för multicomplex -kanaler

Kanalmeddelanden består av information, kommando eller svarsignaler, en av adresserna är gratis och används för att utföra systemuppgifter. Användningen av transformatorer ökar tillförlitligheten för driften av system monterade på grundval av seriella multicomplex -kanaler och säkerställer driften av enheten vid fel på flera mottagare. På grund av användningen av flerstegs överföringskontroll på signalnivån tillhandahålls indikatorer för hög brusimmunitet. I det allmänna driftsättet är det tillåtet att skicka meddelanden till flera konsumenter, vilket underlättar initial initialisering av systemet.

Den enklaste elektriska enheten är ett elektromagnetiskt relä. Men den galvaniska isoleringen baserad på denna enhet har en hög tröghet, relativt stora dimensioner och kan endast förse ett litet antal konsumenter med en stor mängd energiförbrukning. Sådana nackdelar förhindrar att reläet används i stor utsträckning.

Galvanisk isolering av push-pull-typen gör det möjligt att avsevärt minska mängden använt elektrisk energi i fullastningsläge, vilket förbättrar enheternas ekonomiska prestanda.

Push-pull-frikoppling

På grund av användningen av galvaniska isolatorer är det möjligt att skapa moderna automatiska kontroll-, diagnostik- och övervakningssystem med hög säkerhet, tillförlitlighet och driftsstabilitet.

plast-product.ru

Galvanisk isolering. Vem om inte en optokopplare?

Det finns något sådant inom elektronik som galvanisk isolering. Dess klassiska definition är överföring av energi eller en signal mellan elektriska kretsar utan elektrisk kontakt. Om du är nybörjare kommer den här formuleringen att verka väldigt allmän och till och med mystisk. Om du har ingenjörserfarenhet eller bara kommer ihåg fysiken väl, så har du troligtvis redan tänkt på transformatorer och optokopplare.

Artikeln under snittet ägnas åt olika sätt galvanisk isolering av digitala signaler. Vi kommer att berätta varför det alls behövs och hur tillverkare implementerar en isoleringsbarriär "inuti" moderna mikrokretsar.

Tal, som redan nämnts, kommer att fokusera på isolering av digitala signaler. Vidare i texten menar vi under den galvaniska isoleringen överföring av en informationssignal mellan två oberoende elektriska kretsar.

Varför behövs det

Det finns tre huvuduppgifter som löses genom att koppla bort en digital signal.

Det första jag tänker på är skydd mot höga spänningar. Faktum är att galvanisk isolering är ett säkerhetskrav för de flesta elektriska apparater. Låt mikrokontrollern, som naturligtvis har en liten matningsspänning, ställa in styrsignalerna för en effekttransistor eller annan högspänningsanordning. Detta är mer än en vanlig uppgift. Om det inte finns någon isolering mellan föraren, vilket ökar styrsignalen när det gäller effekt och spänning, och styrenheten, riskerar mikrokontrollern att helt enkelt brinna ut. Dessutom är ingång-utgångsenheter vanligtvis anslutna till styrkretsar, vilket innebär att en person som trycker på "sätt på" -knappen enkelt kan stänga kretsen och få ett slag på flera hundra volt. Så, den galvaniska isoleringen av signalen tjänar för att skydda människor och utrustning.
Lika populärt är användningen av IC: er med en isoleringsbarriär för gränssnitt elektriska kretsar med olika matningsspänningar. Allt är enkelt här: det finns ingen "elektrisk anslutning" mellan kretsarna, så signalen, de logiska nivåerna för informationssignalen vid in- och utgången på mikrokretsen kommer att motsvara strömförsörjningen på "ingången" och "utgången" kretsar.
Galvanisk isolering används också för att förbättra systemens immunitet. En av de viktigaste källorna till störningar i radioelektronisk utrustning är den så kallade gemensamma ledningen, ofta är detta enhetens kropp. Vid överföring av information utan galvanisk isolering ger den gemensamma tråden den totala potentialen hos sändaren och mottagaren som är nödvändig för överföring av informationssignalen. Eftersom den vanliga ledningen vanligtvis fungerar som en av strömstolparna, leder anslutning av olika elektroniska enheter till den, särskilt strömkablarna, till kortvarigt impulsljud. De elimineras genom att ersätta den "elektriska anslutningen" med en isoleringsbarriäranslutning.

Hur fungerar det

Traditionellt är galvanisk isolering baserad på två element - transformatorer och optokopplare. Om vi ​​utelämnar detaljerna, gäller det förstnämnda för analoga signaler, och det senare för digitalt. Vi överväger bara det andra fallet, så det är vettigt att påminna läsaren om vem en optokopplare är.För att överföra en signal utan elektrisk kontakt används ett par av en ljussändare (oftast en LED) och en fotodetektor. Den elektriska signalen vid ingången omvandlas till "ljuspulser", passerar genom det ljusöverförande skiktet, tas emot av fotodetektorn och omvandlas tillbaka till en elektrisk signal.

Optokopplingsisolering har vunnit enorm popularitet och har varit den enda digitala signalisoleringstekniken i flera decennier. Men med utvecklingen av halvledarindustrin, med integrationen av allt och alla, uppträdde mikrokretsar som implementerar en isoleringsbarriär på bekostnad av andra, mer modern teknik... Digitala isolatorer är mikrokretsar som tillhandahåller en eller flera isolerade kanaler, som var och en "övertar" optokopplaren när det gäller hastighet och noggrannhet för signalöverföring, när det gäller immunitet mot störningar och oftast när det gäller kostnad per kanal.

Isoleringsbarriären för digitala isolatorer tillverkas med olika tekniker. Det välkända företaget Analog Devices använder en pulstransformator som ett hinder i digitala isolatorer ADUM. Inuti mikrokretshuset finns två kristaller och en pulstransformator gjord separat på en pollimidfilm. Sändarkristallen genererar två korta pulser på informationssignalens framsida och en puls på informationssignalens sönderfall. En pulstransformator tillåter, med en liten fördröjning, att ta emot pulser på sändarkristallen, genom vilken den omvända omvandlingen utförs.

Den beskrivna tekniken används framgångsrikt vid implementering av galvanisk isolering, är på många sätt överlägsen optokopplare, men har ett antal nackdelar i samband med transformatorns känslighet för störningar och risken för distorsion vid arbete med korta ingångspulser.

En mycket högre nivå av immunitet mot störningar tillhandahålls i mikrokretsar, där en isoleringsbarriär implementeras på kondensatorer. Användningen av kondensatorer eliminerar DC -kopplingen mellan sändaren och mottagaren, vilket motsvarar galvanisk isolering i signalkretsar.

Om den sista meningen exciterar dig .. Om du känner en brinnande lust att skrika att det inte kan finnas någon galvanisk isolering på kondensatorerna, rekommenderar jag att du besöker trådar som denna. När din ilska avtar märker du att all denna kontrovers går tillbaka till 2006. Som ni vet kommer vi inte tillbaka dit, som 2007. Och isolatorer med kapacitiv barriär har producerats under lång tid, används och fungerar perfekt.

Fördelarna med kapacitiv avkoppling är hög energieffektivitet, små dimensioner och motstånd mot yttre magnetfält. Detta gör att du kan skapa billiga integrerade isolatorer med hög tillförlitlighet. De tillverkas av två företag, Texas Instruments och Silicon Labs. Dessa företag använder olika tekniker för att skapa kanalen, men i båda fallen används kiseldioxid som dielektrikum. Detta material har en hög dielektrisk hållfasthet och har använts vid tillverkning av mikrokretsar i flera decennier. Som ett resultat är SiO2 enkelt integrerat i en kristall, och ett dielektriskt lager med flera mikrometer tjockt är tillräckligt för att ge en isolationsspänning på flera kilovolt. På en (Texas Instruments) eller båda (Silicon Labs) kristaller, som är placerade i en digital isolatorfodral, är kondensatorplattor placerade. Kristallerna är anslutna genom dessa kuddar, så informationssignalen går från mottagaren till sändaren genom en isoleringsbarriär. Även om Texas Instruments och Silicon Labs använder mycket liknande teknik för att integrera en kapacitiv barriär på ett chip använder de helt andra principer för överföring en informationssignal.

Varje isolerad kanal på Texas Instruments representerar en relativt komplext schema.

Låt oss överväga dess "nedre halva". Informationssignalen matas till RC-kretsar, från vilka korta pulser tas utmed insignalens fram- och baksida, och signalen återställs av dessa pulser. Detta sätt att passera den kapacitiva barriären är inte lämpligt för långsamt varierande (lågfrekventa) signaler. Tillverkaren löser detta problem genom att duplicera kanaler - kretsens "nedre hälft" är en högfrekvent kanal och är avsedd för signaler från 100 Kbps. Signaler med en frekvens under 100 Kbps behandlas på "övre halvan" av kretsen. Insignalen är pre-PWM modulerad med en stor klockfrekvens, den modulerade signalen appliceras på isoleringsbarriären, signalen återvinns från pulser från RC-kretsarna och demoduleras ytterligare. Beslutskretsen vid utgången på den isolerade kanalen "bestämmer" från vilken "halva" signalen ska appliceras på mikrokretsens utsignal.

Såsom framgår av Texas Instruments isolator -kanaldiagram använder både LF- och HF -kanalerna differentiell signalöverföring. Låt mig påminna läsaren om dess väsen.

Differentialöverföring är ett enkelt och effektivt sätt att skydda mot vanligt brus. Ingångssignalen på sändarsidan "delas" upp i två signaler V + och V- invers till varandra, vilka påverkas lika av vanligt interferens av olika slag. Mottagaren subtraherar signalerna, och som ett resultat elimineras störningen Vsp.

Differentialöverföring används också i digitala isolatorer från Silicon Labs. Dessa mikrokretsar har en enklare och mer tillförlitlig struktur. För att passera genom den kapacitiva barriären utsätts insignalen för högfrekvent OOK (On-Off Keyring) modulering. Med andra ord kodas en "en" av informationssignalen av närvaron av en högfrekvenssignal och en "noll"-av frånvaron av en högfrekvenssignal. Den modulerade signalen passerar genom ett par kondensatorer utan distorsion och återställs på sändarsidan.