Aislamiento galvánico. ¿Quién, si no un optoacoplador?

Existe algo en la electrónica como el aislamiento galvánico. Su definición clásica es la transferencia de energía o una señal entre circuitos eléctricos sin contacto eléctrico. Si eres un principiante, esta redacción te parecerá muy general e incluso misteriosa. Si tiene experiencia en ingeniería o simplemente recuerda bien la física, lo más probable es que ya haya pensado en transformadores y optoacopladores.

El artículo debajo del gato está dedicado a varios métodos de aislamiento galvánico de señales digitales . Le diremos por qué es necesario y cómo los fabricantes implementan la barrera de aislamiento "dentro" de los microcircuitos modernos.

Esto, como ya se mencionó, se centrará en el aislamiento de las señales digitales. Más adelante en el texto, por aislamiento galvánico, nos referimos a la transmisión de una señal de información entre dos circuitos eléctricos independientes.

¿Por qué es necesario?

Hay tres tareas principales que se resuelven desacoplando la señal digital.

Primero viene la protección contra altos voltajes. De hecho, la provisión de aislamiento galvánico es un requisito que el equipo de seguridad coloca en la mayoría de los aparatos eléctricos.

Deje que un microcontrolador, que tiene, naturalmente, un voltaje de suministro pequeño, establezca señales de control para un transistor de potencia u otro dispositivo de alto voltaje. Esto es más que una tarea común. Si no hay aislamiento entre el controlador, lo que aumenta la señal de control en términos de potencia y voltaje, y el dispositivo de control, entonces el microcontrolador corre el riesgo de quemarse. Además, los dispositivos de E / S generalmente están asociados con circuitos de control, lo que significa que una persona que presiona el botón "habilitar" puede cerrar fácilmente el circuito y recibir una descarga de varios cientos de voltios.

Entonces, el aislamiento galvánico de la señal sirve para proteger a las personas y los equipos.



Igualmente popular es el uso de microcircuitos con una barrera aislante para interconectar circuitos eléctricos con diferentes voltajes de suministro. Todo es simple: no hay una "conexión eléctrica" ​​entre los circuitos, por lo tanto, la señal es los niveles lógicos de la señal de información en la entrada y salida del microcircuito que se corresponderá con la fuente de alimentación en los circuitos de "entrada" y "salida", respectivamente.



El aislamiento galvánico también se utiliza para aumentar la inmunidad al ruido de los sistemas. Una de las principales fuentes de interferencia en los equipos electrónicos es el llamado cable común, a menudo el cuerpo del dispositivo. Cuando se transmite información sin aislamiento galvánico, el cable común proporciona el potencial total del transmisor y el receptor necesarios para transmitir la señal de información. Como generalmente el cable común sirve como uno de los polos de alimentación, al conectar varios dispositivos electrónicos a él, especialmente los de alimentación, se produce un ruido de impulso a corto plazo. Se excluyen al reemplazar una "conexión eléctrica" ​​con una conexión a través de una barrera aislante.

Como funciona

Tradicionalmente, el aislamiento galvánico se basa en dos elementos: transformadores y optoacopladores. Si omite los detalles, los primeros se usan para señales analógicas y los segundos para señales digitales. Estamos considerando solo el segundo caso, por lo que tiene sentido recordarle al lector quién es el optoacoplador.

Para transmitir una señal sin contacto eléctrico, se usa un par de emisor de luz (con mayor frecuencia un LED) y un fotodetector. La señal eléctrica en la entrada se convierte en "pulsos de luz", pasa a través de la capa de transmisión de luz, recibida por el fotodetector, y convertida nuevamente en una señal eléctrica.



El aislamiento del optoacoplador ha ganado una inmensa popularidad y durante varias décadas fue la única tecnología para desacoplar las señales digitales. Sin embargo, con el desarrollo de la industria de semiconductores, con la integración de todo y todo, han aparecido microcircuitos que implementan una barrera de aislamiento debido a otras tecnologías más modernas.

Los aisladores digitales son microcircuitos que proporcionan uno o varios canales aislados, cada uno de los cuales "supera" al optoacoplador en términos de velocidad y precisión de la transmisión de señal, en términos de inmunidad al ruido y, más a menudo, en términos de costo por canal.

La barrera de aislamiento de los aisladores digitales se fabrica utilizando diversas tecnologías. Conocida empresa Analog DevicesADUM utiliza un transformador de pulso como barrera en aisladores digitales. Dentro de la carcasa del microcircuito hay dos cristales y, por separado en una película de poliimida, un transformador de pulso. El transmisor de cristal genera dos pulsos cortos a lo largo del frente de la señal de información, y un pulso a lo largo de la disminución de la señal de información. El transformador de pulso permite con un pequeño retraso recibir pulsos en el transmisor de cristal en el que se realiza la conversión inversa.



La tecnología descrita se utiliza con éxito en la implementación del aislamiento galvánico, en muchos aspectos superior a los optoacopladores, sin embargo, tiene una serie de desventajas relacionadas con la sensibilidad del transformador al ruido y el riesgo de distorsión cuando se trabaja con pulsos de entrada cortos.

Se proporciona un nivel mucho más alto de inmunidad al ruido en los microcircuitos, donde la barrera de aislamiento se implementa en los condensadores. El uso de condensadores elimina el acoplamiento de corriente continua entre el receptor y el transmisor, que en los circuitos de señal es equivalente al aislamiento galvánico.

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Las ventajas del aislamiento capacitivo son la alta eficiencia energética, el tamaño pequeño y la resistencia a los campos magnéticos externos. Esto le permite crear aisladores integrados de bajo costo con alta confiabilidad. Son producidos por dos compañías: Texas Instruments y Silicon Labs . Estas compañías usan varias tecnologías para crear el canal, pero en ambos casos, el dióxido de silicio se usa como dieléctrico. Este material tiene una alta resistencia dieléctrica y se ha utilizado en la fabricación de microchips durante varias décadas. Como resultado, el SiO2 se integra fácilmente en el cristal, y una capa dieléctrica de unos pocos micrómetros de grosor es suficiente para proporcionar un voltaje de aislamiento de varios kilovoltios.

En uno (Texas Instruments) o en ambos cristales (Silicon Labs), que se encuentran en el cuerpo del aislador digital, se encuentran las almohadillas de los condensadores. Los cristales están conectados a través de estos pads, por lo que la señal de información pasa del receptor al transmisor a través de la barrera de aislamiento.

Aunque Texas Instruments y Silicon Labs utilizan tecnologías muy similares para integrar una barrera capacitiva en un cristal, utilizan principios completamente diferentes para transmitir una señal de información.

Cada canal aislado de Texas Instruments es un circuito relativamente complejo.



Considere su "mitad inferior". La señal de información se alimenta a los circuitos RC, desde los cuales se toman pulsos cortos a lo largo del borde y la descomposición de la señal de entrada, la señal se restaura a partir de estos pulsos. Este método de pasar la barrera capacitiva no es adecuado para señales que cambian lentamente (baja frecuencia). El fabricante resuelve este problema duplicando canales: la "mitad inferior" del circuito es un canal de alta frecuencia y está destinado a señales de 100 Kbps.

Las señales con una frecuencia inferior a 100 Kbps se procesan en la "mitad superior" del circuito. La señal de entrada se somete a una modulación PWM preliminar con una frecuencia de reloj alta, la señal modulada se alimenta a la barrera de aislamiento, la señal se restablece mediante pulsos de las cadenas RC y luego se demodula.
El circuito de toma de decisiones en la salida del canal aislado "decide" desde qué "mitad" se debe enviar la señal a la salida del microcircuito.

Como se puede ver en el diagrama del canal del aislador de Texas Instruments, la transmisión de señal diferencial se usa tanto en los canales de baja frecuencia como en los de alta frecuencia. Le recuerdo al lector su esencia.

La transmisión diferencial es una forma simple y efectiva de proteger contra la interferencia en modo común. La señal de entrada en el lado del transmisor se "divide" en dos señales inversas V + y V-, que se ven afectadas por la interferencia de modo común de diferente naturaleza de la misma manera. El receptor resta las señales y, como resultado de la interferencia, se excluye Vsp.



La transmisión diferencial también se utiliza en los aisladores digitales de Silicon Labs. Estos microcircuitos tienen una estructura más simple y confiable. Para pasar a través de la barrera capacitiva, la señal de entrada se somete a una modulación OOK (activación / desactivación) de alta frecuencia. En otras palabras, la "unidad" de la señal de información está codificada por la presencia de una señal de alta frecuencia y "cero", por la ausencia de una señal de alta frecuencia. La señal modulada pasa sin distorsión a través de un par de condensadores y se restaura en el lado del transmisor.



Los aisladores digitales de Silicon Labs superan a los IC ADUM en la mayoría de las formas clave. Los chips de TI proporcionan aproximadamente la misma calidad de trabajo que Silicon Labs, pero en algunos casos son inferiores en precisión en la transmisión de la señal.

Donde funciona

Me gustaría agregar algunas palabras sobre qué microcircuitos usan una barrera de aislamiento.
El primero debería llamarse aisladores digitales. Son varios canales digitales aislados combinados en una carcasa. Están disponibles chips con diferentes configuraciones de canales unidireccionales de entrada y salida, aisladores con canales bidireccionales (utilizados para desacoplar interfaces de bus), aisladores con un controlador DC / DC incorporado para aislamiento de potencia.

Mas imagenes

Si86xx —

Si860x —

Si88xx — DC/DC-

Además de los aisladores digitales, también están disponibles controladores aislados para transistores de potencia, incluso en el asiento de controladores ópticos, amplificadores de derivación de corriente, ADC aislados galvánicamente, etc.

Mas imagenes

Si823x —

Si8261 —

Si8920 —

Si890x —

Source: https://habr.com/ru/post/es386721/