Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?


    Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

    Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

    Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

    Зачем оно нужно


    Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

    Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.

    Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.

    Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.



    Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.



    Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.



    Как оно работает


    Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.

    Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.



    Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.

    Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

    Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.



    Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.

    Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.


    Если последнее предложение вас взбудоражило..
    Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде этого. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.


    Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.

    На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.

    Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.

    Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.



    Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек.

    Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.
    Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.

    Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.

    Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.



    Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.



    Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.

    Где оно работает


    Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.
    Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.

    Ещё больше картинок
    Микросхема серии Si86xx — цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами

    Микросхема серии Si860x — цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами

    Микросхема серии Si88xx — цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC-контроллером


    Кроме цифровых изоляторов выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.
    Ещё больше картинок
    Микросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключа

    Микросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входе

    Микросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунта

    Микросхема серии Si890x — изолированный АЦП

    Share post
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 44

      +1
      Спасибо вам за статью, было очень познавательно, я прям загорелся полез смотреть сие микросхемы, но к несчастью по данным компела ADUM-ы всеж таки дешевле и все еще дешевле оптрона ничего не придумали…
        +2
        Адумы могут ещё и питание через себя передавать, некоторые модели. До 100-150 мА. А это супер удобно для создания автономных блоков.
        Минус — жарят с торцов гигагерцами. Надо следить, чтобы с торцов ничего чувствительного не стояло.
          0
          Согласен с вами, насчет питания, про торцы к сожалению не знал, но спасибо за информацию!
            +3
            у них в даташите это написано и даже нарисовано. Я проверял — жарят.
              0
              Действительно, если смотреть на цифровые изоляторы с DC/DC-преобразователем, то ADUMы, в отличие от Si88xx, имеют встроенный трансформатор.
              Второй подход менее универсален, но отдельный трансформатор решает распространенную проблему с нагревом (это основной плюс) и снижает уровень излучаемых помех.
          +1
          все еще дешевле оптрона ничего не придумали…

          здесь арифметика простая:
          • однонаправленный цифровой изолятор дороже оптрона, замена будет иметь смысл только если нужно улучшить характеристики
          • если нужно развязать несколько параллельных каналов, то один цифровой изолятор выходит дешевле нескольких оптронов

            +3
            Ну-ка, навскидку, оптрон на 100 МГц, и чтобы дешевле.
            Лет 10 назад начали применять силабсы взамен адумов, и горя не знаем.
            Оптроны, например, тошибовские TLP521, применяем для низкочастотных сигналов. Ещё минус оптронов — жрут как лошади по 5мА на канал как минимум
              0
              силабсы какие модели используете? хочу даташиты почитать
                +2
                Я, конечно, не в курсе какие микросхемы стоят у MrYuran, но с навигацией по докам я могу помочь.

                Однонаправленные изоляторы:



                Выбираете подходящую микросхему, например Si8631BB-B-IS — изолятор на 2.5 кВ, два прямых и три обратных канала, скорость до 150 Мбит/сек, низкий уровень на всех выходах по умолчанию и т.д.
                Далее переходите сюда и на вкладке Documentation ищете подходящую pdf-ку

                двунаправленные изоляторы


                Даташит тут

                для прямой замены оптрона


                Выбираете какой нравится и кликаете здесь на подходящую pdf-ку

                со встроенным DC/DC-контроллером


                Даташит на двухканальные здесь, на четырехканальные здесь
            0
            Бывает еще пьезотрансформаторы.
            Для передачи мощности используют пару электродвигатель-электрогенератор.
              0
              Оптроны же однонаправленные? одностороннее согласование уровней только возможно?
                +2
                они ещё и медленные. и жрутЬ много.
                  0
                  Двустороннее — двумя оптронами :)
                    +1
                    и ещё пару корпусов логики на обвязку. И тележку.
                  0
                  Можно сделать два чипа с интегральными индукторами и расположить их друг над другом через слой диэлектрика. Индукторы должны быть совмещены.
                    +1
                    Из спортивного интереса вопрос: можете в двух словах сказать как двунаправленные изоляторы работают? Там хитрая симметричная схема или просто два отдельных однонаправленных изолятора и обвязка для их работы?
                      +1
                      второе
                      точнее, двунаправленный приёмопередатчик.
                      минус их в том, что если канал не используется, заземлять можно только ОДНУ сторону (вход), если заземлить обе, а ещё лучше, к разным точкам подключить, такое начнётся!
                      Это касается и не изолированных двунаправленных преобразователей.
                        +1
                        Двунаправленный канал для шины I2C не может работать, если будет являться просто парой однонаправленных и подключенных в противоположных направлениях однонаправленных каналов. Как только на один из входов подадут лог. 0, он пройдет сначала в нужном направлении (приемнику), а потом мгновенно вернется передатчику через изолятор подключенный в обратном направлении. На обоих направлениях канала установится лог.0, канал «защелкнется» и шина I2C/SMBus перестанет работать.

                        Поэтому на одном из направлений двунаправленного канала (см. side A) устанавливается т.н. антизащелкивающая схема.

                          0
                          Эта схема устанавливается на всех изоляторах и именно она заводится, когда на землю сажают оба конца.
                          А без изоляции есть дедовский метод.

                          image
                            –1
                            Так как I2C выходы всегда (по спецификации) с открытым коллектором, может быть достаточно подтянуть линии к наименьшему напряжению на шине, т.е. оставить левую треть этой схемы.
                            0
                            Не понял… В устройствах, в которых заявлен аппаратный I2C (например PIC18F258) тоже эта схема стоит?
                              0
                              она там не стоит, её снаружи можно приделать.
                                0
                                А в каких случаях её надо приделывать?

                                Я просто работаю сейчас активно над проектом с I2C и всё пытаюсь свести количество подводных камней к минимуму, но литературы не много, конечно…
                        0
                        А ещё, серия для развязки SPI называется СПИЗОЛЯТОР.
                        Не удержался.
                          –1
                          СПИ, мой ЗОЛЯТОР, усни,
                          В доме погасли огни…

                          Что-то и меня понесло, так сказать, «по мотивам» :)
                          +1
                          Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

                          Могу добавить реле для аналоговой гальванической разрядки. Про эту идею даже написал статью на тогда еще Хабре "Летающий конденсатор".
                            0
                            Познавательно, но не совсем уместно.
                            Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.
                              0
                              Как правило, изоляцию аналогового сигнала провести сложнее, чем цифрового.

                              Но способ с летающим конденсатором может использоваться в том числе и для изоляции цифрового сигнала. Конденсатор точно также передаст уровень «цифры».
                              Проблема только в скорости передачи, в случае «цифры» способ годится для достаточно медленных сигналов, но все определяется емкостью конденсатора, временными характеристиками считывающего устройства и быстродействием реле.

                              Что касается изоляции между двумя независимыми электрическими цепями, то это условие полностью соблюдено. Конденсатор заряжается от одной цепи и переносит свой заряд (уровень сигнала, цифрового или аналогового) на другую цепь. Заряда вполне достаточно для считывания значения (аналогового или цифрового). После считывания сигнала конденсатор вновь «возвращается» на базу для принятия нового значения.

                              Способ достаточно экзотический, но в каких-то случаях может быть применен. Для того и написал, чтобы люди знали, и в случае необходимости использовали.
                                +1
                                Не просто сложнее, а сильно сложнее.
                                В основном последняя тенденция — в изолированных ОУ аналоговый сигнал перемалывают в частоту (импульсы), передают цифровым способом через барьер, а затем восстанавливают.
                                  0
                                  а зачем в цифру? про модуляцию все забыли чтоли?
                                  0
                                  Для невысоких частот, прекрасно справляется трансформатор, можно разделить спектр фильтрами и наделать несколько каналов передачи диапазонов, если нужно высокие частоты а ля видеосигнал, в старых, добрых, теплых «аналоговых» цветных телевизорах использовалась «звуковая» линия задержки, чем не гальваническая развязка?
                                  Все зависит от спектра и наличия необходимости передавать постоянную составляющую (сигнал который не изменяется продолжительное время, достаточного для насыщения конденсаторов/индуктивностей).
                              0
                              так usb 2.0 чем-то можно изолировать или нет?
                                0
                                ADUM4160, но стоит прилично
                                  0
                                  Low and full speed data rate: 1.5 Mbps and 12 Mbps :(
                                    0
                                    Да, на high-speed вряд-ли в ближайшее время кто-то сделает. Адумка блокирует работу на high-speed.
                                  +1
                                  А зачем?
                                  По опыту, убить USB с простыми диодными сборками в канале (их кто только не делает, главное выбирать с терминатором) невозможно, если специально не стараться.
                                  Не, если у вас фаза окажется на разъёме, тогда да, но тут можно другими путями защититься.
                                    +1
                                    типовые применения: медицинская техника, сверхчувствительные схемы, аудиофилия
                                  0
                                  А чем посоветуете «гальванически развязать» analog audio line-out?
                                    +2
                                    трансформатор 1:1
                                    0
                                    Самая давно известная гальваническая развязка это трансформатор. Единственный недостаток — не передает сигнал на постоянном токе. Это обходится преобразованием постоянного тока в переменный. Но главное достоинство это возможность гальванической развязки на высоких и сверх высоких напряжениях. Я видел и работал с такими устройствами на напряжениях 200 -300 Кв. Конечно можно сделать такую систему и не оптических элементах или световодах, но это достаточно сложные системы.
                                      0
                                      10 кВ == 1 см сухого воздуха.
                                      300 кВ == 30 см сухого воздуха == метр любого воздуха.
                                      Два тут обычного светодиода с модуляцией (от солнца) хватит. А можно и лазер…

                                      А есть же и стекло.
                                        0
                                        В том то и дело что сухого. Да еще при разном атмосферном давлении, да еще пыль…
                                        Насчет лазера я писал. Но я настраивал такую систему перед каждой работой, трансформаторная работала без настройки.
                                      0
                                      Точности ради, на картинке с оптроном выходной сигнал стоило бы показать в обратной полярности — кое-кого может смутить неизменная полярность на выходе. :)
                                        0
                                        Точности ради, стоило ещё немного объективнее сравнить изоляторы разных производителей, но от рекламного поста SiLabs такого ожидать, конечно, не приходится.

                                      Only users with full accounts can post comments. Log in, please.