Вступ

Гальванічна розв'язка (ізоляція), зазвичай звана просто розв'язкою, є способом, відповідно до якого окремі частини електричної системи можуть мати різні потенціали землі. Двома найбільш поширеними причинами створення розв'язки є безпека від збоїв у продуктах промислового класу, і там, де потрібен провідний зв'язок між пристроями, кожне з яких має власне джерело живлення.

Методи розв'язки харчування

Трансформатори

Найбільш поширеною формою розв'язки є використання трансформатора. При проектуванні схеми стабілізації живлення, де потрібна розв'язка, ізолююча частина конструкції пов'язана з необхідністю підвищення/зниження рівня напруги і не розглядається як окрема частина системи. У випадку, якщо необхідно ізолювати всю електричну систему (наприклад, для багатого автомобільного обладнання, що тестує, потрібно, щоб джерела живлення були ізольовані від мережі змінного струму), для створення необхідної ізоляції послідовно з системою може бути встановлений трансформатор 1:1.

Малюнок 1 - Асортимент SMD трансформаторів

Конденсатори

Менш поширеним методом створення розв'язки є використання послідовно включених конденсаторів. Через можливість протікання сигналів змінного струму через конденсатори, цей метод може бути ефективним способом ізоляції частин електричної системи від мережі змінного струму. Цей метод менш надійний, ніж з трансформатором, оскільки у разі несправності трансформатор розриває ланцюг, а конденсатор закорочує. Одна з цілей створення гальванічної розв'язки від мережі змінного струму полягає в тому, щоб у разі несправності користувач перебував у безпеці від працюючого необмеженого джерела струму.

Рисунок 2 – Приклад використання конденсаторів для створення розв'язки

Методи ізоляції сигналів

Оптоізолятори

Коли потрібно, щоб між двома частинами схеми з різними потенціалами землі проходив сигнал, популярним рішенням є оптоізолятор (оптопара). Оптоізолятор є фототранзистором, який відкривається («включається»), коли внутрішній світлодіод знаходиться під напругою. Світло, що випромінюється внутрішнім світлодіодом, є шляхом проходження сигналу, і, таким чином, ізоляція між потенціалами землі не порушується.

Рисунок 3 - Схема типового оптоізолятора

Датчик Холла

Іншим методом передачі між електричними системами з роздільними потенціалами землі є використання датчика, заснованого на ефекті Холла. Датчик Холла детектує індукцію неінвазивно і вимагає прямого контакту з досліджуваним сигналом і порушує ізолюючий бар'єр. Найбільш поширене використання індукційної інформації, що проходить, через ланцюги з різними потенціалами землі - це датчики струму.

Малюнок 4 - Датчик струму, що використовується для вимірювання струму через провідник

Висновок

Гальванічна розв'язка (ізоляція) - це поділ електричних систем/підсистем, в яких може протікати не постійний струм, які можуть мати різні потенціали землі. Розв'язку можна розділити на основні категорії: живлення та сигналу. Існує кілька способів досягнення розв'язки, і в залежності від вимог до проекту деякі методи можуть бути кращими за інші.

Практичний приклад

Рисунок 5 – Схема проекту PoE (Power over Ethernet, живлення через Ethernet) на основі контролера TPS23753PW

На схемі вище кілька трансформаторів і оптоізолятор використовуються для створення імпульсного джерела живлення, який використовується в пристроях Ethernet PD (Powered Device, пристрій живлення). Рознім J2 має внутрішні магніти, які ізолюють всю систему від джерела PoE. T1 і U2 ізолюють джерело живлення (ліворуч від червоної лінії) від стабілізованого виходу 3,3 (праворуч від червоної лінії).

Гальванічна розв'язка. Оптронна розв'язка схема

ЩО ТАКЕ OPTOCOUPLER

Optocoupler, також відомий як оптрон, є радіоелектронним компонентом, який передає електричні сигнали між двома ізольованими електричними ланцюгами за допомогою інфрачервоного світла. Як ізолятор, оптрон може запобігти проходженню високої напруги ланцюгом. Передача сигналів через світловий бар'єр відбувається за допомогою ІЧ-світлодіода та світлочутливого елемента, наприклад, фототранзистора, є основою структури оптрона. Оптрони доступні в різних моделях та внутрішніх конфігураціях. Один із найбільш поширених - ІЧ-діод і фототранзистор разом у 4-вивідному корпусі, показаний на малюнку. Певні параметри не повинні перевищуватись у процесі експлуатації. Ці максимальні значення застосовуються разом із графіками, щоб правильно спроектувати режим роботи. На вхідній стороні інфрачервоний випромінюючий діод має деякий максимальний прямий струм і напруга, перевищення якого призведе до згоряння випромінюючого елемента. Але й занадто малий сигнал не зможе змусити його світитися, і не дозволить передати імпульс далі по ланцюгу. Переваги оптронів можливість забезпечення гальванічної розв'язки між входом та виходом; для оптронів не існує будь-яких принципових фізичних або конструктивних обмежень по досягненню скільки завгодно високих напруг і опорів розв'язки і скільки завгодно малої прохідної ємності; можливість реалізації безконтактного оптичного управління електронними об'єктами та обумовлені цим різноманітність та гнучкість конструкторських рішень керуючих ланцюгів; односпрямованість поширення інформації по оптичному каналу, відсутність зворотної реакції приймача на випромінювач; широка частотна смуга пропускання оптрона; відсутність обмеження з боку низьких частот; можливість передачі оптронного ланцюга, як імпульсного сигналу, так і постійної складової; можливість управління вихідним сигналом оптрона шляхом впливу на матеріал оптичного каналу і можливість створення різноманітних датчиків, а також різноманітних приладів для передачі інформації; можливість створення функціональних мікроелектронних пристроїв із фотоприймачами, характеристики яких при освітленні змінюються за складним заданим законом; несприйнятливість оптичних каналів зв'язку до впливу електромагнітних полів, що обумовлює їхню захищеність від перешкод та витоку інформації, а також виключає взаємні наведення; фізична та конструктивно-технологічна сумісність з іншими напівпровідниковими та радіоелектронними приладами. Недоліки оптронів значна споживана потужність, обумовлена ​​необхідністю подвійного перетворення енергії (електрика – світло – електрика) та невисокими ККД цих переходів; підвищена чутливість параметрів та характеристик до впливу підвищеної температури та проникаючої радіації; тимчасова деградація параметрів optocoupler; щодо високий рівень власних шумів, зумовлений, як і два попередні недоліки, особливостями фізики світлодіодів; складність реалізації зворотних зв'язків, викликана електричною роз'єднаністю вхідний та вихідний ланцюгів; конструктивно-технологічне недосконалість, пов'язане з використанням гібридної непланарної технології, з необхідністю об'єднання в одному приладі кількох - окремих кристалів із різних напівпровідників, що розташовуються у різних площинах. Застосування оптронів Як елементи гальванічної розв'язки оптрони застосовуються: для зв'язку блоків апаратури, між якими є значна різниця потенціалів; для захисту вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв від перешкод та наведень. Інша найважливіша сфера застосування оптронів - оптичне, безконтактне керування сильноточними та високовольтними ланцюгами. Запуск потужних тиристорів, симісторів, керування електромеханічними релейними пристроями. Імпульсні блоки живлення. Створення "довгих" оптронів (приладів із протяжним гнучким волоконно-оптичним світловодом) відкрило зовсім новий напрямок застосування виробів оптронної техніки - зв'язок на коротких відстанях. Різні оптрони знаходять застосування і радіотехнічних схемах модуляції, автоматичного регулювання посилення та інших. Вплив оптичним каналом використовується тут для виведення схеми в оптимальний робочий режим, для безконтактної перебудови режиму. Можливість зміни властивостей оптичного каналу при різних зовнішніх впливах на нього дозволяє створити цілу серію оптронних датчиків: такими є датчики вологості та загазованості, датчики наявності в обсязі тієї чи іншої рідини, датчики чистоти обробки поверхні предмета, швидкості його переміщення. Універсальність оптронів як елементів гальванічної розв'язки та безконтактного керування, різноманітність та унікальність багатьох інших функцій є причиною того, що сферами застосування optocoupler стали обчислювальна техніка, автоматика, зв'язкова та радіотехнічна апаратура, автоматизовані системи керування, вимірювальна техніка, системи контролю та регулювання, медична пристрої візуального відображення інформації. Докладніше про різні типи оптронів читайте у цьому документі.

elwo.ru

Гальванічна розв'язка: принципи та схему

Гальванічна розв'язка – принцип електроізоляції ланцюга струму, що розглядається, по відношенню до інших ланцюгів, які присутні в одному пристрої і покращує технічні показники. Гальванічна ізоляція використовується для вирішення наступних завдань:

1. Досягнення незалежності сигнального ланцюга. Застосовується під час підключення різних приладів та пристроїв, що забезпечує незалежності електричного сигнального контуру щодо струмів, що виникають під час з'єднання різнотипних приладів. Незалежний гальванічний зв'язок вирішує проблеми електромагнітної сумісності, зменшує вплив перешкод, покращує показники співвідношення сигнал/шум у сигнальних ланцюгах, підвищує фактичну точність вимірювання процесів, що протікають. Гальванічна розв'язка із ізольованим входом та виходом сприяє сумісності приладів із різними пристроями при складних параметрах електромагнітної обстановки. Багатоканальні вимірювальні прилади мають групову чи канальну розв'язки. Розв'язка може бути єдиною для кількох каналів вимірювання або поканальною для кожного каналу автономно.
2. Виконання вимог чинного ГОСТу 52319-2005 з електробезпеки. Стандарт регламентує стійкість ізоляції в електричному устаткуванні керування та вимірювання. Гальванічна розв'язка розглядається як один із комплексу заходів щодо забезпечення електробезпеки, повинна працювати паралельно з іншими методами захисту (заземлення, ланцюги обмеження напруги та сили струму, запобіжна арматура тощо).

Розв'язка може забезпечуватись різними методами та технічними засобами: гальванічні ванни, індуктивні трансформатори, цифрові ізолятори, електромеханічні реле.

Схеми рішень гальванічної розв'язки

Під час побудови складних систем для цифрової обробки сигналів, що надходять, пов'язаних з функціонуванням у промислових умовах, гальванічна розв'язка повинна вирішувати наступні завдання:

1. Захищати комп'ютерні ланцюги від впливу критичних струмів та напруг. Це важливо, якщо умови експлуатації припускають вплив на них промислових електромагнітних хвиль, існують складності із заземленням і т. д. Такі ситуації трапляються також на транспорті, що має великий фактор людського впливу. Помилки можуть стати причиною повного виходу з ладу дорогого обладнання.
2. Захищати користувачів від ураження електричним струмом. Найчастіше проблема актуальна для приладів медичного призначення.
3. Мінімізації шкідливого впливу різних перешкод. Важливий фактор у лабораторіях, що виконують точні вимірювання, при побудові прецизійних систем на метрологічних станціях.

В даний час широке використання мають трансформаторна та оптоелектронна розв'язки.

Принцип роботи оптрона

Схема оптрона

Світловипромінюючий діод зміщується у прямому напрямку і приймає лише випромінювання від фототранзистора. За таким методом здійснюється гальванічний зв'язок ланцюгів, що мають зв'язок з одного боку зі світлодіодом та з іншого боку з фототранзистором. До переваг оптоелектронних пристроїв відноситься здатність передавати зв'язки у широкому діапазоні, можливість передачі чистих сигналів на більших частотах та невеликі лінійні розміри.

Розмножувачі електричних імпульсів

Забезпечують необхідний рівень електроізоляції, складаються з передавачів-випромінювачів, ліній зв'язку та приймальних пристроїв.

Розмножувачі імпульсів

Лінія зв'язку повинна забезпечувати необхідний рівень ізоляції сигналу, у приймальних пристроях відбувається посилення імпульсів до значень, необхідних для запуску тиристорів.

Застосування електричних трансформаторів для розв'язки підвищує надійність встановлених систем, побудованих на підставі послідовних мультикомплексних каналів у разі виходу одного з них.

Параметри мультикомплексних каналів

Повідомлення каналів складаються з інформаційних, командних або сигналів у відповідь, одна з адрес вільна і використовується для виконання системних завдань. Застосування трансформаторів підвищує надійність функціонування систем, зібраних на основі послідовних мультикомплексних каналів та забезпечує роботу пристрою при виході з експлуатації кількох одержувачів. За рахунок застосування багатоступінчастого контролю передач на рівні сигналів забезпечуються високі показники помехозащищенности. У загальному режимі функціонування допускається надсилання повідомлень кільком споживачам, що полегшує первинну ініціалізацію системи.

Найпростіший електричний пристрій – електромагнітне реле. Але гальванічна розв'язка на основі цього приладу має високу інертність, відносно великі розміри і може забезпечити лише невелику кількість споживачів при великій кількості енергії, що споживається. Такі недоліки перешкоджають широкому застосуванню реле.

Гальванічна розв'язка типу push-pull дозволяє значно зменшити кількість електричної енергії, що використовується в режимі повного навантаження, за рахунок цього покращуються економічні показники використання пристроїв.

Розв'язка типу push-pull

За рахунок використання гальванічних розв'язок вдається створювати сучасні схеми автоматичного управління, діагностики та контролю з високою безпекою, надійністю та стійкістю функціонування.

plast-product.ru

Гальванічна розв'язка. Хто, як не оптрон?

Є в електроніці таке поняття, як гальванічна розв'язка. Її класичне визначення – передача енергії чи сигналу між електричними ланцюгами без електричного контакту. Якщо ви новачок, то це формулювання здасться дуже загальним і навіть загадковим. Якщо ж ви маєте інженерний досвід або просто добре пам'ятаєте фізику, то швидше за все вже подумали про трансформатори та оптрони.

Стаття під катом присвячена різним способам гальванічної розв'язки цифрових сигналів. Розкажемо навіщо воно взагалі потрібне і як виробники реалізують ізоляційний бар'єр «всередині» сучасних мікросхем.

Йдеться, як уже сказано, піде про ізоляцію цифрових сигналів. Далі по тексту під гальванічною розв'язкою розумітимемо передачу інформаційного сигналу між двома незалежними електричними ланцюгами.

Навіщо воно потрібне

Існує три основні завдання, що вирішуються розв'язкою цифрового сигналу.

Першою спадає на думку захист від високої напруги. Справді, забезпечення гальванічної розв'язки – це вимога, що пред'являє техніка безпеки до більшості електроприладів. Нехай мікроконтролер, який має, природно, невелику напругу живлення, задає сигнали, що управляють, для силового транзистора або іншого пристрою високої напруги. Це більш ніж поширене завдання. Якщо між драйвером, який збільшує керуючий сигнал за потужністю і напругою, і пристроєм, що управляє, не виявиться ізоляції, то мікроконтролер ризикує просто згоріти. До того ж, з ланцюгами управління зазвичай пов'язані пристрої вводу-виводу, а значить і людина, що натискає кнопку «включити», легко може замкнути ланцюг і отримати удар у кілька сотень вольт. Отже, гальванічна розв'язка сигналу служить для захисту людини і техніки.
Не менш популярним є використання мікросхем з ізоляційним бар'єром для сполучення електричних кіл з різними напругами живлення. Тут все просто: «електричного зв'язку» між ланцюгами немає, тому сигнал логічні рівні інформаційного сигналу на вході та виході мікросхеми відповідатимуть живленню на «вхідний» та «вихідний» ланцюгах відповідно.
Гальванічна розв'язка також використовується для підвищення стійкості до перешкод систем. Одним із основних джерел перешкод у радіоелектронній апаратурі є так званий загальний провід, часто це корпус пристрою. При передачі інформації без гальванічної розв'язки загальний провід забезпечує необхідний передачі інформаційного сигналу загальний потенціал передавача і приймача. Оскільки зазвичай загальний провід служить одним з полюсів живлення, підключення до нього різних електронних пристроїв, особливо силових, призводить до короткочасних імпульсних перешкод. Вони виключаються під час заміни «електричного з'єднання» на з'єднання через ізоляційний бар'єр.

Як воно працює

Традиційно гальванічна розв'язка будується на двох елементах – трансформаторах та оптронах. Якщо опустити деталі, перші застосовуються для аналогових сигналів, а другі - для цифрових. Для передачі сигналу без електричного контакту використовується пара з випромінювача світла (найчастіше світлодіод) і фотодетектора. Електричний сигнал на вході перетворюється на «світлові імпульси», проходить через світлопропускний шар, приймається фотодетектором і перетворюється назад на електричний сигнал.

Оптронна розв'язка заслужила величезної популярності і кілька десятиліть була єдиною технологією розв'язування цифрових сигналів. Однак, з розвитком напівпровідникової промисловості, з інтеграцією всього і вся, з'явилися мікросхеми, що реалізують ізоляційний бар'єр за рахунок інших, сучасніших технологій. Цифрові ізолятори - це мікросхеми, що забезпечують один або кілька ізольованих каналів, кожен з яких «обганяє» оптрон за швидкістю та точністю передачі сигналу, за рівнем стійкості до перешкод і, найчастіше, за вартістю у перерахунку на канал.

Ізоляційний бар'єр цифрових ізоляторів виготовляється за різними технологіями. Відома компанія Analog Devices у цифрових ізоляторах ADUM як бар'єр використовує імпульсний трансформатор. Усередині корпусу мікросхеми розташовано два кристали і, виконаний окремо на полімідній плівці, імпульсний трансформатор. Кристал-передавач по фронту інформаційного сигналу формує два короткі імпульси, а по спаду інформаційного сигналу - один імпульс. Імпульсний трансформатор дозволяє з невеликою затримкою отримати на кристалі-передавачі імпульси, за якими виконується зворотне перетворення.

Описана технологія успішно застосовується при реалізації гальванічної розв'язки, багато в чому перевершує оптрони, проте має ряд недоліків, пов'язаних з чутливістю трансформатора до перешкод і ризику спотворень під час роботи з короткими вхідними імпульсами.

Набагато вищий рівень стійкості до перешкод забезпечується мікросхемах, де ізоляційний бар'єр реалізується на ємностях. Використання конденсаторів дозволяє виключити зв'язок постійного струму між приймачем і передавачем, що в сигнальних ланцюгах це еквівалентно гальванічної розв'язки.

Якщо остання пропозиція вас схвилювала. Якщо ви відчули пекуче бажання закричати що гальванічної розв'язки на конденсаторах бути не може, то рекомендую відвідати треди на кшталт цього. Коли ваша лють вщухне, зверніть увагу, що всі ці суперечки датуються 2006 роком. Туди, як і 2007, ми, як відомо, не повернемося. А ізолятори з ємнісним бар'єром давно виробляються, використовуються і добре працюють.

Переваги ємнісної розв'язки полягають у високій енергетичній ефективності, малих габаритах та стійкості до зовнішніх магнітних полів. Це дозволяє створювати недорогі інтегральні ізолятори із високими показниками надійності. Вони випускаються двома компаніями – Texas Instruments та Silicon Labs. Ці фірми використовують різні технології створення каналу, проте в обох випадках як діелектрик використовується діоксид кремнію. Цей матеріал має високу електричну міцність і вже кілька десятиліть використовується під час виробництва мікросхем. Як наслідок, SiO2 легко інтегрується в кристал, причому для забезпечення напруги ізоляції величиною в кілька кіловольт достатньо шару діелектрика товщиною в декілька мікрометрів. розташовані майданчики-конденсатори. Кристали з'єднуються через ці майданчики, таким чином інформаційний сигнал проходить від приймача до передавача через ізоляційний бар'єр.

Кожен ізольований канал у Texas Instruments є відносно складною схемою.

Розглянемо її «нижню половину». Інформаційний сигнал подається на RC-ланцюжка, з яких знімаються короткі імпульси по фронту та спаду вхідного сигналу, за цими імпульсами сигнал відновлюється. Такий спосіб проходження ємнісного бар'єру не підходить для повільномінних (низькочастотних) сигналів. Виробник вирішує цю проблему дублюванням каналів - нижня половина схеми є високочастотним каналом і призначається для сигналів від 100 Кбіт/сек. Сигнали з частотою нижче 100 Кбіт/сек обробляються на верхній половині схеми. Вхідний сигнал піддається попередньої ШІМ-модуляції з великою тактовою частотою, модульований сигнал подається на ізоляційний бар'єр, по імпульсах з RC-ланцюжків сигнал відновлюється і надалі демодулюється. Схема прийняття рішення на виході ізольованого каналу "вирішує" з якої "половини" слід подавати сигнал на вихід мікросхеми.

Як видно на схемі каналу ізолятора Texas Instruments, і низькочастотному, і високочастотному каналах використовується диференціальна передача сигналу. Нагадаю читачеві її суть.

Диференціальна передача - це простий та дієвий спосіб захисту від синфазних перешкод. Вхідний сигнал на стороні передавача «поділяється» на два інверсних один одного сигналу V+ і V-, на які синфазні перешкоди різної природи впливають однаково. Приймач здійснює віднімання сигналів і в результаті перешкоди Vсп виключається.

Диференційна передача також використовується у цифрових ізоляторах від Silicon Labs. Ці мікросхеми мають більш просту та надійну структуру. Для проходження через ємнісний бар'єр вхідний сигнал піддається високочастотній OOK (On-Off Keyring) модуляції. Іншими словами, "одиниця" інформаційного сигналу кодується наявністю високочастотного сигналу, а "нуль" - відсутністю високочастотного сигналу. Модульований сигнал проходить без спотворень через пару ємностей та відновлюється на боці передавача.

У цій статті йтиметься в першу чергу про оптичну розв'язку аналогового сигналу. Розглядатиметься бюджетний варіант. Також основна увага приділяється швидкодії схемотехнічного рішення.

Способи розв'язування аналогового сигналу

Невеликий огляд. Існує три основні способи гальванічної розв'язки аналогового сигналу: трансформаторний, оптичний та конденсаторний. Перші два знайшли найбільше застосування. На сьогоднішній день існує цілий клас пристроїв, які називаються ізолюючі підсилювачі або підсилювачі, що розв'язують (Isolated Amplifier). Такі пристрої передають сигнал із засобів його перетворення (у схемі присутній модулятор і демодулятор сигналу).

Рис.1. Загальна схема ізолюючих підсилювачів.

Є пристрої як передачі аналогового сигналу по напрузі (ADUM3190, ACPL-C87), і спеціалізовані, для підключення безпосередньо до струмовому шунту (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). У цій статті ми не розглядатимемо дорогі пристрої, однак перерахуємо деякі з них: iso100, iso124, ad202..ad215 та ін.

Існує також інший клас пристроїв – оптичні підсилювачі, що розв'язують, з лінеарізуючим зворотним зв'язком (Linear Optocoupler) до цих пристроїв відносяться il300, loc110, hcnr201. Принцип дії цих пристроїв легко зрозуміти, подивившись їх типову схему підключення.

Рис.2. Типова схема для оптичних підсилювачів, що розв'язують.

Докладніше про підсилювачі, що розв'язують, ви можете почитати: А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналогова електроніка на операційних підсилювачах» (глава 2), також буде корисний документ AN614 «A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers» від silicon labs, там є хороша Порівняльна таблиця. Обидва джерела є в інтернеті.

Спеціальні мікросхеми оптичної розв'язки сигналу

Тепер до діла! Для початку порівняємо три спеціалізовані мікросхеми: il300, loc110, hcnr201. Підключені за тією самою схемою:

Рис.3. Тестова схема для il300, hcnr201 та loc110.

Різниця тільки в номіналах для il300, hcnr201 R1, R3 = 30k, R2 = 100R, а для loc110 10k і 200R відповідно (я підбирав різні номінали щоб домогтися максимальної швидкодії, але при цьому не вийти за допустимі межі, наприклад, ). Нижче наведено осцилограми, які говорять самі за себе (тут і далі: синій – вхідний сигнал, жовтий – вихідний).

Рис.4. Осцилограма перехідного процесу il300.

Рис.5. Осцилограма перехідного процесу hcnr201.

Рис.6. Осцилограма перехідного процесуloc110.

Тепер розглянемо мікросхему ACPL-C87B (діапазон вхідного сигналу 0.2В). Чесно кажучи з нею, я провозився досить довго. У мене було дві мікросхеми, після того як отримав несподіваний результат на першій, з другої звертався дуже акуратно, особливо при пайці. Збирав все за схемою, зазначеною у документації:

Рис.7. Типова схема дляACPL— C87 із документації.

Результат той самий. Підпаював керамічні конденсатори безпосередньо поблизу ніжок живлення, змінював ОУ (природно перевіряв його на інших схемах), перезбирав схему і т.д. У чому власне проблема: вихідний сигнал має значні флуктуації.

Рис.8. Осцилограма перехідного процесуACPL— C87.

Незважаючи на те, що виробник обіцяє рівень шуму вихідного сигналу 0.013 mVrms і для варіанта B точність ±0.5%. У чому справа? Можлива помилка в документації, оскільки важко віриться в 0.013 mVrms. Незрозуміло. Але подивимося у графу Test Conditions/Notes навпроти Vout Noise і на Рис.12 документації:

Рис.9. Залежність рівня шуму від величини вхідного сигналу та частоти вихідного фільтра.

Тут картина трохи прояснюється. Мабуть, виробник говорить нам про те, що ми можемо задушити ці шуми через ФНЧ. Ну що ж, дякую за пораду (іронічно). Навіщо ось тільки все це так хитро вивернули. Швидше за все зрозуміло навіщо. Нижче наведені графіки без та з вихідним RC фільтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Рис.10. Осцилограма перехідного процесуACPL— C87 без та з вихідним фільтром.

Застосування оптопар загального призначення для розв'язування сигналу

Тепер перейдемо до найцікавішого. Нижче наведено схеми, які я виявив в інтернеті.

Рис.11. Типова схема оптичної розв'язки аналогового сигналу двох оптопарах.

Рис.12. Типова схема оптичної розв'язки аналогового сигналу двох оптопарах.

Рис.13. Типова схема оптичної розв'язки аналогового сигналу двох оптопарах.

Таке рішення має як переваги, і недоліки. До переваг віднесемо більшу напругу ізоляції, до недоліків те, що дві мікросхеми можуть значно відрізнятися за параметрами, тому рекомендується використовувати мікросхеми з однієї партії.

Я зібрав цю схему на мікросхемі 6n136:

Рис.14. Осцилограма перехідного процесу розв'язки на 6N136.

Вийшло, але повільно. Пробував збирати і інших мікросхемах (типу sfh615), виходить, але теж повільно. Мені треба було швидше. До того ж часто схема не працює через автоколивання, що виникають (у таких випадках говорять САР нестійка))) Допомагає збільшення номіналу конденсатора С2 рис. 16.

Один знайомий порадив вітчизняну оптопару АОД130А. Результат в наявності:

Рис.15. Осцилограма перехідного процесу розв'язки на АОД130А.

А ось і схема:

Рис.16: Схема розв'язки АОД130А.

Потенціометр потрібен один (RV1 або RV2) залежно від того, вихідний сигнал буде меншим або більше вхідного. У принципі можна було поставити лише один RV=2k послідовно з R3=4.7k, або взагалі залишити тільки RV2=10k без R3. Принцип зрозумілий: мати можливість підстроювання в районі 5k.

Мікросхема трансформаторної розв'язки сигналу

Перейдемо до трансформаторного варіанта. Мікросхема ADUM3190 у двох варіантах на 200 і 400 кГц (у мене на 400 - ADUM3190TRQZ), також є мікросхема на більш високу напругу ізоляції ADUM4190. Зауважу, корпус найменший із усіх – QSOP16. Вихідна напруга Eaout від 0,4 до 2,4В. У моїй мікросхемі вихідна напруга усунення близько 100мВ (видно на осцилограмі рис. 18). Загалом працює непогано, але особисто мене не зовсім влаштовує вихідний діапазон напруги. Зібрано за схемою документації:

Рис.17. Схема ADUM3190 із документації.

Трохи осцилограм:

Рис.18. Осцилограма перехідного процесу ADUM3190.

Підсумки

Підіб'ємо підсумок. На мій погляд, найкращим варіантом є схема на вітчизняних АДО130А (де вони їх тільки взяли?!). Ну і насамкінець невелика порівняльна таблиця:

Мікросхема	tr+затрим. (по осцил.), Мкс	tf+затрим. (по осцил.), Мкс	Діап. напруж., В	Напруж. ізоляції, В	Шум (по осцил.) МВП-п.	Ціна** 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

*- приблизно (за зібраною схемою з оптимізацією швидкодії)

** - ціна середня за мінімальними.
Ярослав Власов

P.S. АОД130А виробництва ВАТ «Протон» (з гравіюванням їхнього логотипу в чорному корпусі) — добрий. Старі (90-х років у коричневому корпусі) не годяться.

Від інших кіл в одному пристрої називається гальванічна розв'язка чи ізоляція. За допомогою такої ізоляції здійснюється передача сигналу або енергії від одного електричного ланцюга до іншого без прямого контакту між ланцюгами.

Гальванічна розв'язка дає можливість забезпечення незалежності ланцюга сигналів, так як утворюється незалежний струмовий контур сигнального ланцюга від інших контурів, ланцюгах зворотного зв'язку і при вимірюваннях. Для електромагнітної сумісності гальванічна розв'язка є оптимальним рішенням, оскільки збільшується точність вимірів, підвищується захист від перешкод.

Принцип дії

Щоб зрозуміти принцип роботи гальванічної розв'язки, розглянемо, як це реалізується у конструкції.

Первинна обмотка електрично ізольована від вторинної обмотки. Між ними немає контакту, і не виникає жодного струму, якщо, звичайно, не брати до уваги аварійний режим з пробоєм ізоляції або виткового замикання. Однак різниця потенціалів у котушках може бути значною.

Види

Така ізоляція електричних кіл забезпечується різними методами із застосуванням різноманітних електронних елементів та деталей. Наприклад, конденсатори та оптрони здатні здійснювати передачу електричних сигналів без безпосереднього контакту. Ділянки ланцюга взаємодіють через світловий потік, магнітне чи електростатичне поле. Розглянемо основні види гальванічної ізоляції.

Індуктивна розв'язка

Для побудови трансформаторної (індуктивної) розв'язки необхідно застосувати магнітоіндукційний елемент, який називається . Він може бути як із сердечником, так і без нього.

При розв'язці трансформаторного вигляду застосовують трансформатори з коефіцієнтом трансформації, що дорівнює одиниці. Первинна котушка трансформатора з'єднується із джерелом сигналу, вторинна – із приймачем. Для розв'язки ланцюгів за такою схемою можна застосовувати магнітомодуляційні пристрої на основі трансформаторів.

При цьому напруга на виході, яка є на вторинній обмотці трансформатора, безпосередньо залежатиме від напруги на вході пристрою. За такого методу індуктивної розв'язки існує низка серйозних недоліків:

• Значні габаритні розміри не дозволяють виготовити компактний пристрій.
• Частотна модуляція гальванічної розв'язки обмежує частоту пропускання.
• На якість вихідного сигналу впливають перешкоди вхідного сигналу, що несе.
• Дія трансформаторної розв'язки можлива лише за змінної напрузі.

Оптоелектронна розв'язка

Розвиток електронних та інформаційних технологій нині підвищує можливості проектування розв'язки за допомогою оптоелектронних вузлів. Основу таких вузлів розв'язки становлять оптрони (оптопари), які виконані на основі , та інших компонентів, чутливих до світла.

В оптичній частині схеми, яка зв'язує приймач та джерело даних, носієм сигналу виступають фотони. Нейтральність фотонів дає можливість виконати електричну розв'язку вихідного та вхідного ланцюга, а також узгодити ланцюги з різними опорами на виході та вході.

В оптоелектронній розв'язці приймач не впливає джерело сигналу, тому є можливість модулювання сигналів широкого діапазону частот. Важливою перевагою оптичних пар є їхня компактність, яка дозволяє їх застосування в мікроелектроніці.

Оптична пара складається з випромінювача світла, середовища, що проводить світловий потік, та приймача світла, який перетворює його на сигнал електричного струму. Опір виходу та входу в оптроні дуже великий, і може досягати кількох мільйонів Ом.

Принцип дії оптрон досить простий. Від виходить світловий потік і прямує на , який сприймає його та здійснює подальшу роботу відповідно до цього світлового сигналу.

Докладніше робота оптопари виглядає так. Вхідний сигнал надходить на світлодіод, який випромінює світло світловодом. Далі світловий потік сприймається фототранзистором, виході якого створюється перепад чи імпульс електричного струму виходу. В результаті виконується гальванічна розв'язка ланцюгів, пов'язаних з одного боку зі світлодіодом, а з іншого – з фототранзистором.

Діодна оптопара

У цій парі джерелом світлового потоку є світлодіод. Така пара може застосовуватися замість ключа і працювати з сигналами частотою кілька десятків МГц.

При необхідності передачі сигналу джерело подає на світлодіод живлення, у результаті випромінюється світло, що потрапляє на . Під дією світла фотодіод відкривається та пропускає через себе струм.

Приймач сприймає появу струму як сигнал. Недоліком діодних оптопар є неможливість керування підвищеними струмами без допоміжних елементів. Також до недоліків можна віднести їх малий ККД.

Транзисторна оптопара

Такі оптичні пари мають підвищену чутливість, на відміну діодних, отже, є економічнішими. Але їх швидкість реакції та найбільша частота з'єднання виявляється меншою. Транзисторні оптичні пари мають незначний опір у відкритому вигляді, і великий у закритому стані.

Керуючі струми для транзисторної пари вище вихідного струму діодної пари. Транзисторні оптрони можна застосовувати різними способами:

• Без виведення основи.
• З виведенням бази.

Без виведення бази колекторний струм безпосередньо залежатиме від струму світлодіода, але транзистор матиме тривалий час відгуку, оскільки ланцюг бази завжди відкритий.

У разі виведення бази є можливість збільшити швидкість реакції підключенням допоміжного опору між емітером і базою транзистора. Тоді виникає ефект, при якому транзистор не переходить у стан провідності до тих пір, поки діодний струм не досягне значення, необхідного для падіння напруги на резисторі.

Така гальванічна розв'язка має деякі переваги:

• Широкий інтервал напруги розв'язки (до 0,5 кВ). Це відіграє велику роль у проектуванні систем введення інформації.
• Гальванічна розв'язка може функціонувати з високою частотою, що досягає кількох десятків МГц.
• Компоненти такої розв'язки мають незначні габаритні розміри.

За відсутності гальванічної ізоляції найбільший струм, що проходить між ланцюгами, може обмежитися лише малими електричними опорами. В результаті це призводить до виникнення вирівнюючих струмів, які завдають шкоди елементам електричного ланцюга та працівника, які випадково торкаються незахищеного електроустаткування.

Гальванічною розв'язкою або гальванічною ізоляцією називається загальний принцип електричної (гальванічної) ізоляції електричного ланцюга, що розглядається, по відношенню до інших електричних ланцюгів. Завдяки гальванічній розв'язці можна здійснити передачу енергії або сигналу від одного електричного ланцюга до іншого електричного ланцюга без безпосереднього електричного контакту між ними.

Гальванічна розв'язка дозволяє забезпечити, зокрема, незалежність сигнального ланцюга, оскільки формується незалежний контур струму сигнального ланцюга щодо контурів струмів інших ланцюгів, наприклад силового ланцюга, при проведенні вимірювань та в ланцюгах зворотного зв'язку. Таке рішення корисне для забезпечення електромагнітної сумісності: підвищується помехозащищенность і точність вимірів. Гальванічна ізоляція входу та виходу пристроїв часто покращує їхню сумісність з іншими пристроями у важкій електромагнітній обстановці.

Безумовно, гальванічна розв'язка забезпечує безпеку при роботі людей з електричним обладнанням. Це один із заходів, і ізоляцію конкретного ланцюга необхідно завжди розглядати в сукупності з іншими заходами забезпечення електричної безпеки, такими як: захисне заземлення та ланцюги обмеження напруги та струму.

Для забезпечення гальванічної розв'язки можуть бути використані різні технічні рішення:

індуктивна (трансформаторна) гальванічна розв'язка, яка застосовується в та для ізоляції цифрових ланцюгів;

оптична розв'язка за допомогою оптрона (оптопара) або оптореле, застосування якої є типовим для багатьох сучасних імпульсних джерел живлення;

ємнісна гальванорозв'язка, коли сигнал подається через конденсатор дуже маленької ємності;

електромеханічна розв'язка у вигляді, наприклад, .

В даний час дуже широкого поширення набули два варіанти гальванічної розв'язки у схемах: трансформаторний та оптоелектронний.

Побудова гальванічної розв'язки трансформаторного типу передбачає застосування магнітоіндукційного елемента (трансформатора) з сердечником або без сердечника, вихідна напруга, що знімається з вторинної обмотки якого пропорційно до вхідної напруги пристрою. Однак, при реалізації цього способу, важливо врахувати такі його недоліки:

на вихідний сигнал можуть впливати перешкоди, створювані несучим сигналом;

частотна модуляція розв'язки обмежує частоту пропускання;

великі габарити.

Розвиток технології напівпровідникових пристроїв останніми роками розширює можливості побудови оптоелектронних вузлів розв'язки на основі оптронів.

Принцип роботи оптрона простий: світлодіод випромінює світло, яке сприймається фототранзистором. Так здійснюється гальванічна розв'язка ланцюгів, одна з яких пов'язана зі світлодіодом, а інша – з фототранзистором.

Таке рішення має ряд переваг: широкий діапазон напруги розв'язки, аж до 500 вольт, що важливо для побудови систем введення даних, можливість роботи розв'язки з сигналами частотою до десятків мегагерц, малі габарити компонентів.

Якщо не застосовувати гальванічну розв'язку, то максимальний струм, що протікає між ланцюгами, обмежується лише відносно невеликими електричними опорами, що може призвести в результаті до протікання струмів, що вирівнюють, здатних заподіяти шкоду як компонентам ланцюга, так і людям, що торкаються незахищеного обладнання. Прилад, що забезпечує розв'язку, спеціально обмежує передачу енергії від одного ланцюга до іншого.