العزلة كلفاني. من ، إن لم يكن optocoupler؟

هناك شيء من هذا القبيل في الإلكترونيات مثل العزلة الجلفانية. تعريفه الكلاسيكي هو نقل الطاقة أو إشارة بين الدوائر الكهربائية دون اتصال كهربائي. إذا كنت مبتدئًا ، فستبدو هذه الصياغة عامة جدًا وحتى غامضة. إذا كانت لديك خبرة هندسية أو تذكرت الفيزياء جيدًا ، فمن المرجح أنك قد فكرت بالفعل في المحولات والمزدوجات البصرية.

المادة تحت القط مخصصة لطرق مختلفة للعزل الجلفاني للإشارات الرقمية . سنخبرك لماذا هناك حاجة إليه على الإطلاق وكيف يطبق المصنعون حاجز العزل "داخل" الدوائر المصغرة الحديثة.

وهذا ، كما سبق ذكره ، سيركز على عزل الإشارات الرقمية. علاوة على ذلك ، في النص ، بالعزل الجلفاني ، نعني إرسال إشارة معلومات بين دائرتين كهربائيتين مستقلتين.

لماذا هو مطلوب

هناك ثلاث مهام رئيسية يتم حلها عن طريق فصل الإشارة الرقمية.

يأتي أولاً الحماية ضد الفولتية العالية. في الواقع ، يعد توفير العزل الجلفاني مطلبًا تضعه معدات السلامة على معظم الأجهزة الكهربائية.

دع الميكروكونترولر ، الذي يحتوي ، بطبيعة الحال ، على جهد إمداد صغير ، يضبط إشارات التحكم لترانزستور الطاقة أو جهاز آخر عالي الجهد. هذه أكثر من مهمة مشتركة. إذا لم يكن هناك عزل بين السائق ، مما يزيد من إشارة التحكم من حيث الطاقة والجهد وجهاز التحكم ، فإن وحدة التحكم الدقيقة تخاطر ببساطة بالحرق. بالإضافة إلى ذلك ، ترتبط أجهزة الإدخال / الإخراج عادة بدوائر التحكم ، مما يعني أن الشخص الذي يضغط على زر "تشغيل" يمكنه بسهولة إغلاق الدائرة وتلقي صدمة بعدة مئات من الفولت.

لذا ، فإن العزلة الجلفانية للإشارة تعمل على حماية الأشخاص والمعدات.



من الشائع أيضًا استخدام الدوائر المصغرة مع حاجز عازل لربط الدوائر الكهربائية بجهد إمداد مختلف. كل شيء بسيط: لا يوجد "توصيل كهربائي" بين الدوائر ، وبالتالي فإن الإشارة هي المستويات المنطقية لإشارة المعلومات عند دخل وخرج الدائرة المصغرة تتوافق مع مصدر الطاقة في دارات "الإدخال" و "الإخراج" ، على التوالي.



يستخدم العزل الجلفاني أيضًا لزيادة مناعة الضوضاء للأنظمة. أحد المصادر الرئيسية للتداخل في المعدات الإلكترونية هو ما يطلق عليه السلك المشترك ، وغالبًا ما يكون جسم الجهاز. عند إرسال المعلومات دون عزل كلفاني ، يوفر السلك المشترك الإمكانات الإجمالية للمرسل والمستقبل اللازمة لإرسال إشارة المعلومات. نظرًا لأن السلك المشترك عادة يعمل كأحد أقطاب الطاقة ، فإن ربط الأجهزة الإلكترونية المختلفة به ، وخاصةً الطاقة ، يؤدي إلى حدوث ضوضاء دافعة قصيرة المدى. يتم استبعادها عند استبدال "توصيل كهربائي" بوصلة من خلال حاجز عازل.

كيف يعمل

تقليديا ، بنيت العزلة الجلفانية على عنصرين - المحولات والمزدوجات. إذا حذفت التفاصيل ، فسيتم استخدام الأول للإشارات التناظرية ، والأخير للإشارات الرقمية. نحن نفكر في الحالة الثانية فقط ، لذلك من المنطقي تذكير القارئ بمن هو optocoupler.

لإرسال إشارة بدون اتصال كهربائي ، يتم استخدام زوج من باعث الضوء (غالبًا ما يكون LED) وكاشف ضوئي. يتم تحويل الإشارة الكهربائية عند الإدخال إلى "نبضات ضوئية" ، وتمر عبر طبقة إرسال الضوء ، ويتم استقبالها بواسطة الكاشف الضوئي ، ويتم تحويلها مرة أخرى إلى إشارة كهربائية.



اكتسب عزل Optocoupler شعبية هائلة وكان لعدة عقود التكنولوجيا الوحيدة لفصل الإشارات الرقمية. ومع ذلك ، مع تطور صناعة أشباه الموصلات ، مع دمج كل شيء وكل شيء ، ظهرت دوائر صغيرة تعمل على تنفيذ حاجز عزل بسبب تقنيات أخرى أكثر حداثة.

العوازل الرقمية عبارة عن دوائر صغيرة توفر واحدة أو أكثر من القنوات المعزولة ، "يتفوق كل منها" على optocoupler من حيث سرعة ودقة نقل الإشارة ، من حيث حصانة الضوضاء ، وفي أغلب الأحيان ، من حيث التكلفة لكل قناة.

يتم تصنيع حاجز العزل للعوازل الرقمية باستخدام تقنيات مختلفة. شركة معروفة تناظرية الأجهزةيستخدم ADUM محول النبض كحاجز في العوازل الرقمية. يوجد داخل غلاف الدائرة المصغرة اثنين من البلورات ، ومصنوعان بشكل منفصل على غشاء بوليميد ، وهو محول نبضي. يولد المرسل البلوري نبضتين قصيرتين على طول مقدمة إشارة المعلومات ، ونبضة واحدة على طول انخفاض إشارة المعلومات. يسمح المحول النبضي بتأخير بسيط لاستقبال النبضات على جهاز الإرسال البلوري الذي يتم التحويل العكسي عليه.



يتم استخدام التكنولوجيا الموصوفة بنجاح في تنفيذ العزل الجلفاني ، في كثير من النواحي متفوقة على optocouplers ، ومع ذلك ، لديها عدد من السلبيات المتعلقة بحساسية المحول للضوضاء وخطر التشويه عند العمل مع نبضات الإدخال القصيرة.

يتم توفير مستوى أعلى بكثير من مناعة الضوضاء في الدوائر الصغيرة ، حيث يتم تنفيذ حاجز العزل على المكثفات. يزيل استخدام المكثفات اقتران التيار المباشر بين جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال ، وهو ما يعادل في دوائر الإشارة العزل الجلفاني.

إذا كانت الجملة الأخيرة تثيرك ..

, . , 2006 . , 2007, , , . , .

مزايا العزل السعوي هي كفاءة الطاقة العالية ، الحجم الصغير ومقاومة المجالات المغناطيسية الخارجية. هذا يسمح لك بإنشاء عوازل مدمجة منخفضة التكلفة مع موثوقية عالية. يتم إنتاجها من قبل اثنين من الشركات - تكساس إنسترومنتس و مختبرات السيليكون . تستخدم هذه الشركات تقنيات مختلفة لإنشاء القناة ، ولكن في كلتا الحالتين ، يتم استخدام ثاني أكسيد السيليكون كعازل. تتمتع هذه المادة بقوة عازلة عالية وقد تم استخدامها في تصنيع الرقائق الدقيقة لعدة عقود. ونتيجة لذلك ، يتم دمج SiO2 بسهولة في البلورة ، وتكفي طبقة عازلة بسماكة ميكرومتر قليلة لتوفير جهد عزل لعدة كيلوفولت.

على أحد بلورات (Texas Instruments) أو كل من (مختبرات السيليكون) ، الموجودة في جسم العازل الرقمي ، توجد وسادات المكثف. يتم توصيل البلورات من خلال هذه الوسائد ، بحيث تمر إشارة المعلومات من جهاز الاستقبال إلى جهاز الإرسال من خلال حاجز العزل.

على الرغم من أن Texas Instruments و Silicon Labs تستخدم تقنيات متشابهة جدًا لدمج حاجز سعوي في بلورة ، إلا أنها تستخدم مبادئ مختلفة تمامًا لإرسال إشارة معلومات.

كل قناة معزولة من Texas Instruments هي دائرة معقدة نسبيًا.



النظر في "النصف السفلي". يتم تغذية إشارة المعلومات إلى دوائر RC ، والتي يتم من خلالها أخذ نبضات قصيرة على طول حافة وإضمحلال إشارة الإدخال ، يتم استعادة الإشارة من هذه النبضات. هذه الطريقة لاجتياز الحاجز السعوي غير مناسبة للإشارات المتغيرة ببطء (التردد المنخفض). تحل الشركة المصنعة هذه المشكلة عن طريق تكرار القنوات - "النصف السفلي" من الدائرة عبارة عن قناة عالية التردد ومخصصة للإشارات من 100 كيلوبت في الثانية.

تتم معالجة الإشارات بتردد أقل من 100 كيلوبت في الثانية في "النصف العلوي" من الدائرة. تخضع إشارة الإدخال لتعديل PWM الأولي بتردد ساعة عالي ، ويتم تغذية الإشارة المعدلة إلى حاجز العزل ، ويتم استعادة الإشارة بواسطة نبضات من سلاسل RC ثم يتم تشكيلها.
دائرة اتخاذ القرار عند خرج القناة المعزولة "تقرر" أي "نصف" إشارة يجب أن ترسل إلى خرج الرقاقة.

كما يمكن رؤيته في مخطط قناة المعزل في Texas Instruments ، يتم استخدام إرسال الإشارات التفاضلية في كل من القنوات منخفضة التردد وعالية التردد. أذكر القارئ بجوهره.

الإرسال التفاضلي هو طريقة بسيطة وفعالة للحماية من تداخل الوضع المشترك. تنقسم إشارة الإدخال الموجودة على جانب جهاز الإرسال إلى إشارتين عكسيتين V + و V- ، تتأثران بالتداخل في الوضع المشترك ذي الطبيعة المختلفة بنفس الطريقة. يطرح جهاز الاستقبال الإشارات ونتيجة للتداخل يتم استبعاد Vsp.



يستخدم ناقل الحركة التفاضلي أيضًا في العوازل الرقمية لمختبرات السيليكون. هذه الدوائر المصغرة لديها بنية أبسط وأكثر موثوقية. لتمرير الحاجز السعوي ، تخضع إشارة الإدخال لتعديل OOK (تشغيل وإيقاف التشغيل) عالي التردد. وبعبارة أخرى ، يتم تشفير "وحدة" إشارة المعلومات من خلال وجود إشارة عالية التردد و "صفر" - بسبب عدم وجود إشارة عالية التردد. تمر الإشارة المعدلة دون تشويه من خلال زوج من المكثفات ويتم استعادتها على جانب جهاز الإرسال.



تتفوق عوازل Silicon Labs الرقمية على ADUM ICs في معظم الطرق الرئيسية. توفر الرقائق من TI نفس جودة العمل التي توفرها مختبرات السيليكون ، ولكنها في بعض الحالات تكون أقل دقة في دقة إرسال الإشارة.

أين يعمل

أود أن أضيف بضع كلمات حول الدوائر الدقيقة التي تستخدم حاجز العزل.
يجب أن يسمى الأول العوازل الرقمية. وهي عبارة عن عدة قنوات رقمية معزولة مدمجة في مبيت واحد. رقائق ذات تكوينات مختلفة لقنوات الإدخال والإخراج أحادية الاتجاه ، والعوازل ذات القنوات ثنائية الاتجاه (تستخدم لفصل واجهات ناقل الحافلات) ، والعوازل مع وحدة تحكم DC / DC مدمجة لعزل الطاقة متوفرة.

المزيد من الصور

Si86xx —

Si860x —

Si88xx — DC/DC-

بالإضافة إلى العوازل الرقمية ، تتوفر أيضًا محركات معزولة للترانزستورات الكهربائية ، بما في ذلك على مقعد المحركات الضوئية ، ومكبرات التحويل الحالية ، و ADC المعزولة جلفانيًا ، إلخ.

المزيد من الصور

Si823x —

Si8261 —

Si8920 —

Si890x —

Source: https://habr.com/ru/post/ar386721/