Isolation galvanique. Qui, sinon un optocoupleur?

Il existe une chose en électronique comme l'isolation galvanique. Sa définition classique est le transfert d'énergie ou d'un signal entre circuits électriques sans contact électrique. Si vous êtes débutant, cette formulation vous semblera très générale et même mystérieuse. Si vous avez une expérience en ingénierie ou si vous vous souvenez bien de la physique, vous avez probablement déjà pensé aux transformateurs et aux optocoupleurs.

L'article sous le chat est consacré à différentes méthodes d'isolement galvanique des signaux numériques . Nous allons vous expliquer pourquoi cela est nécessaire et comment les fabricants mettent en œuvre la barrière d'isolation "à l'intérieur" des microcircuits modernes.

Ceci, comme déjà mentionné, se concentrera sur l'isolement des signaux numériques. Plus loin dans le texte, par isolation galvanique, nous entendons la transmission d'un signal d'information entre deux circuits électriques indépendants.

Pourquoi est-il nécessaire

Il y a trois tâches principales qui sont résolues en découplant le signal numérique.

Vient d'abord la protection contre les hautes tensions. En effet, la fourniture d'une isolation galvanique est une exigence que l'équipement de sécurité place sur la plupart des appareils électriques.

Laissez un microcontrôleur, qui a, naturellement, une petite tension d'alimentation, définir des signaux de commande pour un transistor de puissance ou un autre appareil à haute tension. C'est plus qu'une tâche courante. S'il n'y a pas d'isolement entre le pilote, ce qui augmente le signal de commande en termes de puissance et de tension, et le dispositif de commande, alors le microcontrôleur risque tout simplement de griller. De plus, les dispositifs d'E / S sont généralement associés à des circuits de commande, ce qui signifie qu'une personne qui appuie sur le bouton «on» peut facilement fermer le circuit et recevoir un choc de plusieurs centaines de volts.

Ainsi, l'isolement galvanique du signal sert à protéger les personnes et les équipements.



L'utilisation de microcircuits avec une barrière isolante pour interfacer des circuits électriques avec différentes tensions d'alimentation est tout aussi populaire. Tout est simple: il n'y a pas de «connexion électrique» entre les circuits, donc le signal est les niveaux logiques du signal d'information à l'entrée et à la sortie du microcircuit correspondra à l'alimentation sur les circuits «entrée» et «sortie», respectivement.



L'isolation galvanique est également utilisée pour augmenter l'immunité au bruit des systèmes. L'une des principales sources d'interférences dans les équipements électroniques est le soi-disant fil commun, souvent le corps de l'appareil. Lors de la transmission d'informations sans isolation galvanique, le fil commun fournit le potentiel total de l'émetteur et du récepteur nécessaires à la transmission du signal d'information. Étant donné que le fil commun sert généralement de pôle de puissance, la connexion de divers appareils électroniques, en particulier de puissance, entraîne l'apparition de bruits impulsionnels à court terme. Ils sont exclus lors du remplacement d'une «connexion électrique» par une connexion à travers une barrière isolante.

Comment ça marche

Traditionnellement, l'isolement galvanique est construit sur deux éléments - transformateurs et optocoupleurs. Si vous omettez les détails, les premiers sont utilisés pour les signaux analogiques et les seconds pour les signaux numériques. Nous ne considérons que le deuxième cas, il est donc logique de rappeler au lecteur qui est l'optocoupleur.

Pour transmettre un signal sans contact électrique, une paire d'émetteur de lumière (le plus souvent une LED) et un photodétecteur sont utilisés. Le signal électrique à l'entrée est converti en «impulsions lumineuses», passe à travers la couche de transmission de lumière, reçu par le photodétecteur, et reconverti en signal électrique.



L'isolement des optocoupleurs a acquis une immense popularité et a été pendant plusieurs décennies la seule technologie de découplage des signaux numériques. Cependant, avec le développement de l'industrie des semi-conducteurs, avec l'intégration de tout et de tout, des microcircuits sont apparus qui mettent en œuvre une barrière d'isolement en raison d'autres technologies plus modernes.

Les isolateurs numériques sont des microcircuits qui fournissent un ou plusieurs canaux isolés, dont chacun «surpasse» l'optocoupleur en termes de vitesse et de précision de transmission du signal, en termes d'immunité au bruit et, le plus souvent, en termes de coût par canal.

La barrière isolante des isolateurs numériques est fabriquée à l'aide de diverses technologies. Société bien connue Analog DevicesADUM utilise un transformateur d'impulsions comme barrière dans les isolateurs numériques. À l'intérieur du boîtier du microcircuit, il y a deux cristaux et, fabriqués séparément sur un film de polyimide, un transformateur d'impulsions. L'émetteur à cristal génère deux impulsions courtes le long du front du signal d'information et une impulsion le long du déclin du signal d'information. Le transformateur d'impulsions permet avec un petit retard de recevoir des impulsions sur l'émetteur à cristal sur lequel la conversion inverse est effectuée.



La technologie décrite est utilisée avec succès dans la mise en œuvre de l'isolation galvanique, à bien des égards supérieure aux optocoupleurs, cependant, elle présente un certain nombre d'inconvénients liés à la sensibilité du transformateur au bruit et au risque de distorsion lors du travail avec des impulsions d'entrée courtes.

Un niveau beaucoup plus élevé d'immunité au bruit est fourni dans les microcircuits, où la barrière d'isolement est mise en œuvre sur les condensateurs. L'utilisation de condensateurs élimine le couplage en courant continu entre le récepteur et l'émetteur, ce qui, dans les circuits de signaux, équivaut à une isolation galvanique.

Si la dernière phrase vous excitait ..

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

Les avantages de l'isolation capacitive sont une efficacité énergétique élevée, une petite taille et une résistance aux champs magnétiques externes. Cela vous permet de créer des isolateurs intégrés à faible coût avec une grande fiabilité. Ils sont produits par deux sociétés - Texas Instruments et Silicon Labs . Ces sociétés utilisent diverses technologies pour créer le canal, mais dans les deux cas, le dioxyde de silicium est utilisé comme diélectrique. Ce matériau a une rigidité diélectrique élevée et est utilisé dans la fabrication de micropuces depuis plusieurs décennies. En conséquence, SiO2 est facilement intégré dans le cristal, et une couche diélectrique de quelques micromètres d'épaisseur est suffisante pour fournir une tension d'isolation de plusieurs kilovolts.

Sur un (Texas Instruments) ou les deux (Silicon Labs) cristaux, qui sont situés dans le corps de l'isolateur numérique, les plots de condensateur sont situés. Les cristaux sont connectés à travers ces plots, de sorte que le signal d'information passe du récepteur à l'émetteur à travers la barrière d'isolement.

Bien que Texas Instruments et Silicon Labs utilisent des technologies très similaires pour intégrer une barrière capacitive dans un cristal, ils utilisent des principes complètement différents pour transmettre un signal d'information.

Chaque canal isolé de Texas Instruments est un circuit relativement complexe.



Considérez sa "moitié inférieure". Le signal d'information est envoyé aux circuits RC, à partir desquels de courtes impulsions sont prises le long du front et la décroissance du signal d'entrée, le signal est restauré à partir de ces impulsions. Cette méthode de franchissement de la barrière capacitive n'est pas adaptée aux signaux à changement lent (basse fréquence). Le fabricant résout ce problème en dupliquant les canaux - la "moitié inférieure" du circuit est un canal haute fréquence et est destiné aux signaux à partir de 100 Kbps.

Les signaux avec une fréquence inférieure à 100 Kbps sont traités dans la «moitié supérieure» du circuit. Le signal d'entrée est soumis à une modulation PWM préliminaire avec une fréquence d'horloge élevée, le signal modulé est envoyé à la barrière d'isolement, le signal est restitué par des impulsions des circuits RC puis démodulé.
Le circuit de prise de décision à la sortie du canal isolé "décide" de quelle "moitié" le signal doit être envoyé à la sortie de la puce.

Comme le montre le diagramme des canaux d'isolateur de Texas Instruments, la transmission de signaux différentiels est utilisée à la fois dans les canaux basse fréquence et haute fréquence. Je rappelle au lecteur son essence.

La transmission différentielle est un moyen simple et efficace de se protéger contre les interférences en mode commun. Le signal d'entrée sur le côté de l'émetteur est "divisé" en deux signaux inverses V + et V-, qui sont affectés de la même manière par des interférences de mode commun de nature différente. Le récepteur soustrait les signaux et à la suite de l'interférence, Vsp est exclu.



La transmission différentielle est également utilisée dans les isolateurs numériques Silicon Labs. Ces microcircuits ont une structure plus simple et plus fiable. Pour traverser la barrière capacitive, le signal d'entrée subit une modulation OOK (On-Off Keying) haute fréquence. En d'autres termes, «l'unité» du signal d'information est codée par la présence d'un signal haute fréquence et «zéro» - par l'absence d'un signal haute fréquence. Le signal modulé passe sans distorsion à travers une paire de condensateurs et est restitué du côté de l'émetteur.



Les isolateurs numériques de Silicon Labs surpassent les circuits intégrés ADUM de la plupart des façons clés. Les puces de TI offrent à peu près la même qualité de travail que Silicon Labs, mais dans certains cas, leur précision de transmission du signal est inférieure.

Où ça marche

Je voudrais ajouter quelques mots sur les microcircuits qui utilisent une barrière d'isolement.
Le premier devrait être appelé isolateurs numériques. Il s'agit de plusieurs canaux numériques isolés combinés dans un seul logement. Des puces avec différentes configurations de canaux unidirectionnels d'entrée et de sortie, des isolateurs avec des canaux bidirectionnels (utilisés pour le découplage des interfaces de bus), des isolateurs avec un contrôleur DC / DC intégré pour l'isolation de l'alimentation sont disponibles.

Plus d'images

Si86xx —

Si860x —

Si88xx — DC/DC-

En plus des isolateurs numériques, des pilotes isolés pour les transistors de puissance sont également disponibles, y compris sur le siège des pilotes optiques, des amplificateurs shunt de courant, des ADC isolés galvaniquement, etc.

Plus d'images

Si823x —

Si8261 —

Si8920 —

Si890x —

Source: https://habr.com/ru/post/fr386721/