Galvanische Isolierung. Wer, wenn nicht ein Optokoppler?

In der Elektronik gibt es so etwas wie eine galvanische Trennung. Seine klassische Definition ist die Übertragung von Energie oder eines Signals zwischen Stromkreisen ohne elektrischen Kontakt. Wenn Sie ein Anfänger sind, wird diese Formulierung sehr allgemein und sogar mysteriös erscheinen. Wenn Sie technische Erfahrung haben oder sich nur gut an die Physik erinnern, haben Sie höchstwahrscheinlich bereits über Transformatoren und Optokoppler nachgedacht.

Der Artikel unter der Katze widmet sich verschiedenen Methoden der galvanischen Isolierung digitaler Signale . Wir erklären Ihnen, warum dies überhaupt erforderlich ist und wie Hersteller die Isolationsbarriere „innerhalb“ moderner Mikroschaltungen implementieren.

Dies wird sich, wie bereits erwähnt, auf die Isolierung digitaler Signale konzentrieren. Weiter im Text meinen wir unter galvanischer Trennung die Übertragung eines Informationssignals zwischen zwei unabhängigen Stromkreisen.

Warum wird es gebraucht?

Es gibt drei Hauptaufgaben, die durch Entkopplung des digitalen Signals gelöst werden.

Zuerst kommt der Schutz gegen hohe Spannungen. In der Tat ist die Bereitstellung einer galvanischen Trennung eine Anforderung, die Sicherheitsausrüstung an den meisten Elektrogeräten stellt.

Lassen Sie einen Mikrocontroller, der natürlich eine kleine Versorgungsspannung hat, Steuersignale für einen Leistungstransistor oder ein anderes Hochspannungsgerät einstellen. Dies ist mehr als eine übliche Aufgabe. Wenn zwischen dem Treiber, der das Steuersignal in Bezug auf Leistung und Spannung erhöht, und dem Steuergerät keine Isolation besteht, besteht die Gefahr, dass der Mikrocontroller einfach durchbrennt. Darüber hinaus sind E / A-Geräte normalerweise Steuerkreisen zugeordnet, was bedeutet, dass eine Person, die die Ein-Taste drückt, den Stromkreis leicht schließen und einen Stoß von mehreren hundert Volt erhalten kann.

Die galvanische Trennung des Signals dient also zum Schutz von Personen und Geräten.



Ebenso beliebt ist die Verwendung von Mikroschaltungen mit einer isolierenden Barriere, um elektrische Schaltungen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen zu verbinden. Alles ist einfach: Es gibt keine "elektrische Verbindung" zwischen den Schaltkreisen, daher entspricht das Signal den logischen Pegeln des Informationssignals am Eingang und Ausgang des Mikroschaltkreises, die der Stromversorgung auf den Schaltkreisen "Eingang" bzw. "Ausgang" entsprechen.



Die galvanische Trennung wird auch verwendet, um die Störfestigkeit von Systemen zu erhöhen. Eine der Hauptursachen für Störungen in elektronischen Geräten ist das sogenannte Common Wire, häufig der Körper des Geräts. Bei der Übertragung von Informationen ohne galvanische Trennung liefert das gemeinsame Kabel das Gesamtpotential des Senders und Empfängers, das zum Senden des Informationssignals erforderlich ist. Da normalerweise der gemeinsame Draht als einer der Strommasten dient, führt das Anschließen verschiedener elektronischer Geräte, insbesondere von Strommasten, zum Auftreten von kurzfristigem Impulsrauschen. Sie sind ausgeschlossen, wenn eine „elektrische Verbindung“ durch eine Verbindung durch eine isolierende Barriere ersetzt wird.

Wie funktioniert es

Traditionell besteht die galvanische Trennung aus zwei Elementen - Transformatoren und Optokopplern. Wenn Sie die Details weglassen, werden die ersteren für analoge Signale und die letzteren für digitale Signale verwendet. Wir betrachten nur den zweiten Fall, daher ist es sinnvoll, den Leser daran zu erinnern, wer der Optokoppler ist.

Um ein Signal ohne elektrischen Kontakt zu übertragen, wird ein Paar aus einem Lichtsender (meistens einer LED) und einem Fotodetektor verwendet. Das elektrische Signal am Eingang wird in "Lichtimpulse" umgewandelt, durchläuft die Lichtübertragungsschicht, wird vom Fotodetektor empfangen und wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt.



Die Optokopplerisolation erfreut sich großer Beliebtheit und war über mehrere Jahrzehnte die einzige Technologie zur Entkopplung digitaler Signale. Mit der Entwicklung der Halbleiterindustrie und der Integration von allem und jedem sind jedoch Mikroschaltungen entstanden, die aufgrund anderer, modernerer Technologien eine Isolationsbarriere implementieren.

Digitale Isolatoren sind Mikroschaltungen, die einen oder mehrere isolierte Kanäle bereitstellen, von denen jeder den Optokoppler in Bezug auf Geschwindigkeit und Genauigkeit der Signalübertragung, in Bezug auf Störfestigkeit und meistens in Bezug auf die Kosten pro Kanal „übertrifft“.

Die Isolationsbarriere digitaler Isolatoren wird mit verschiedenen Technologien hergestellt. Bekanntes Unternehmen Analog DevicesADUM verwendet einen Impulstransformator als Barriere in digitalen Isolatoren. Im Inneren des Mikroschaltungsgehäuses befinden sich zwei Kristalle und separat auf einem Polyimidfilm ein Impulstransformator. Der Kristallsender erzeugt zwei kurze Impulse entlang der Vorderseite des Informationssignals und einen Impuls entlang der Abnahme des Informationssignals. Der Impulstransformator ermöglicht mit einer kleinen Verzögerung das Empfangen von Impulsen auf dem Kristallsender, an dem die inverse Umwandlung durchgeführt wird.



Die beschriebene Technologie wird erfolgreich bei der Implementierung der galvanischen Trennung eingesetzt und ist Optokopplern in vielerlei Hinsicht überlegen. Sie weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, die mit der Empfindlichkeit des Transformators gegenüber Rauschen und dem Risiko von Verzerrungen beim Arbeiten mit kurzen Eingangsimpulsen zusammenhängen.

Ein viel höheres Maß an Störfestigkeit wird in Mikroschaltungen bereitgestellt, in denen die Isolationsbarriere an Kondensatoren implementiert ist. Die Verwendung von Kondensatoren eliminiert die Gleichstromkopplung zwischen Empfänger und Sender, was in Signalstromkreisen einer galvanischen Trennung entspricht.

Wenn der letzte Satz dich aufgeregt hat ..

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Die Vorteile der kapazitiven Isolation sind hohe Energieeffizienz, geringe Größe und Widerstand gegen externe Magnetfelder. Auf diese Weise können Sie kostengünstige integrierte Isolatoren mit hoher Zuverlässigkeit erstellen. Sie werden von zwei Unternehmen hergestellt - Texas Instruments und Silicon Labs . Diese Unternehmen verwenden verschiedene Technologien zur Erzeugung des Kanals, aber in beiden Fällen wird Siliziumdioxid als Dielektrikum verwendet. Dieses Material hat eine hohe Durchschlagfestigkeit und wird seit mehreren Jahrzehnten bei der Herstellung von Mikrochips verwendet. Infolgedessen lässt sich SiO 2 leicht in den Kristall integrieren, und eine wenige Mikrometer dicke dielektrische Schicht reicht aus, um eine Isolationsspannung von mehreren Kilovolt bereitzustellen.

Auf einem (Texas Instruments) oder beiden (Silicon Labs) Kristallen, die sich im Gehäuse des digitalen Isolators befinden, befinden sich Kondensatorpads. Die Kristalle sind über diese Pads verbunden, sodass das Informationssignal durch die Isolationsbarriere vom Empfänger zum Sender gelangt.

Obwohl Texas Instruments und Silicon Labs sehr ähnliche Technologien zur Integration einer kapazitiven Barriere in einen Kristall verwenden, verwenden sie zur Übertragung eines Informationssignals völlig unterschiedliche Prinzipien.

Jeder isolierte Kanal von Texas Instruments ist eine relativ komplexe Schaltung.



Betrachten Sie seine "untere Hälfte". Das Informationssignal wird RC-Schaltungen zugeführt, von denen kurze Impulse entlang der Flanke genommen werden und das Eingangssignal abfällt. Das Signal wird aus diesen Impulsen wiederhergestellt. Diese Methode zum Passieren der kapazitiven Barriere ist nicht zum langsamen Ändern von (niederfrequenten) Signalen geeignet. Der Hersteller löst dieses Problem durch Duplizieren von Kanälen - die "untere Hälfte" der Schaltung ist ein Hochfrequenzkanal und für Signale mit 100 Kbit / s vorgesehen.

Signale mit einer Frequenz unter 100 Kbit / s werden in der „oberen Hälfte“ der Schaltung verarbeitet. Das Eingangssignal wird einer vorläufigen PWM-Modulation mit einer hohen Taktfrequenz unterzogen, das modulierte Signal wird der Isolationsbarriere zugeführt, das Signal wird durch Impulse von den RC-Ketten wiederhergestellt und dann demoduliert.
Die Entscheidungsschaltung am Ausgang des isolierten Kanals "entscheidet", von welcher "Hälfte" das Signal an den Ausgang der Mikroschaltung gesendet werden soll.

Wie im Isolatorkanaldiagramm von Texas Instruments zu sehen ist, wird die Differenzsignalübertragung sowohl im Niederfrequenz- als auch im Hochfrequenzkanal verwendet. Ich erinnere den Leser an sein Wesen.

Die Differentialübertragung ist eine einfache und effektive Möglichkeit, sich vor Gleichtaktstörungen zu schützen. Das Eingangssignal auf der Seite des Senders wird in zwei inverse Signale V + und V- "unterteilt", die auf die gleiche Weise von Gleichtaktstörungen unterschiedlicher Art beeinflusst werden. Der Empfänger subtrahiert die Signale und wird infolge der Interferenz Vsp ausgeschlossen.



Die Differenzialübertragung wird auch in digitalen Isolatoren von Silicon Labs verwendet. Diese Mikroschaltungen haben eine einfachere und zuverlässigere Struktur. Um die kapazitive Barriere zu passieren, wird das Eingangssignal einer hochfrequenten OOK-Modulation (On-Off Keying) unterzogen. Mit anderen Worten, die "Einheit" des Informationssignals wird durch das Vorhandensein eines Hochfrequenzsignals und "Null" - durch das Fehlen eines Hochfrequenzsignals - codiert. Das modulierte Signal durchläuft verzerrungsfrei ein Kondensatorpaar und wird seitlich am Sender wiederhergestellt.



Die digitalen Isolatoren von Silicon Labs übertreffen ADUM-ICs in den meisten wichtigen Punkten. Chips von TI bieten ungefähr die gleiche Arbeitsqualität wie Silicon Labs, sind jedoch in einigen Fällen hinsichtlich der Genauigkeit der Signalübertragung schlechter.

Wo funktioniert es?

Ich möchte ein paar Worte hinzufügen, welche Mikroschaltungen eine Isolationsbarriere verwenden.
Der erste sollte als digitale Isolatoren bezeichnet werden. Es handelt sich um mehrere isolierte digitale Kanäle, die in einem Gehäuse zusammengefasst sind. Es stehen Chips mit unterschiedlichen Konfigurationen von unidirektionalen Eingangs- und Ausgangskanälen, Isolatoren mit bidirektionalen Kanälen (zur Entkopplung von Busschnittstellen) und Isolatoren mit integriertem DC / DC-Controller zur Leistungsisolation zur Verfügung.

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Si86xx —

Si860x —

Si88xx — DC/DC-

Neben digitalen Isolatoren sind auch isolierte Treiber für Leistungstransistoren erhältlich, einschließlich auf dem Sitz von optischen Treibern, Stromshunt-Verstärkern, galvanisch isolierten ADCs usw.

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Si823x —

Si8261 —

Si8920 —

Si890x —

Source: https://habr.com/ru/post/de386721/