Geekly articles weekly

Isolasi galvanik. Siapa, kalau bukan optocoupler?


Ada yang namanya elektronik sebagai isolasi galvanik. Definisi klasiknya adalah transfer energi atau sinyal antara sirkuit listrik tanpa kontak listrik. Jika Anda seorang pemula, maka kata-kata ini akan tampak sangat umum dan bahkan misterius. Jika Anda memiliki pengalaman teknik atau hanya mengingat fisika dengan baik, maka kemungkinan besar Anda sudah memikirkan transformator dan optocoupler.

Artikel di bawah kucing dikhususkan untuk berbagai metode isolasi galvanik sinyal digital . Kami akan memberi tahu Anda mengapa diperlukan sama sekali dan bagaimana produsen menerapkan penghalang isolasi “di dalam” microchip modern.

Ini, sebagaimana telah disebutkan, akan fokus pada isolasi sinyal digital. Lebih jauh dalam teks, dengan isolasi galvanik, yang kami maksudkan adalah transmisi sinyal informasi antara dua sirkuit listrik independen.

Mengapa itu dibutuhkan?


Ada tiga tugas utama yang diselesaikan dengan decoupling sinyal digital.

Pertama datang perlindungan terhadap tegangan tinggi. Memang, penyediaan isolasi galvanik merupakan persyaratan yang menempatkan peralatan keselamatan pada sebagian besar peralatan listrik.

Biarkan mikrokontroler, yang secara alami memiliki tegangan suplai kecil, mengatur sinyal kontrol untuk transistor daya atau perangkat tegangan tinggi lainnya. Ini lebih dari tugas umum. Jika tidak ada isolasi antara driver, yang meningkatkan sinyal kontrol dalam hal daya dan tegangan, dan perangkat kontrol, maka risiko mikrokontroler hanya terbakar. Selain itu, perangkat I / O biasanya dikaitkan dengan sirkuit kontrol, yang berarti seseorang yang menekan tombol "on" dapat dengan mudah menutup sirkuit dan menerima kejutan beberapa ratus volt.

Jadi, isolasi galvanik dari sinyal berfungsi untuk melindungi orang dan peralatan.



Yang tak kalah populer adalah penggunaan sirkuit mikro dengan penghalang isolasi untuk menghubungkan sirkuit listrik dengan voltase pasokan yang berbeda. Semuanya sederhana: tidak ada "koneksi listrik" antara sirkuit, oleh karena itu sinyal adalah level logis dari sinyal informasi pada input dan output dari rangkaian mikro akan sesuai dengan catu daya pada sirkuit "input" dan "output", masing-masing.



Isolasi galvanik juga digunakan untuk meningkatkan kekebalan sistem. Salah satu sumber utama gangguan pada peralatan elektronik adalah apa yang disebut kabel biasa, seringkali badan perangkat. Ketika mentransmisikan informasi tanpa isolasi galvanik, kabel biasa menyediakan potensi total pemancar dan penerima yang diperlukan untuk mentransmisikan sinyal informasi. Karena biasanya kawat biasa berfungsi sebagai salah satu kutub listrik, menghubungkan berbagai perangkat elektronik ke dalamnya, terutama yang berkekuatan tinggi, menyebabkan terjadinya kebisingan impuls jangka pendek. Mereka dikecualikan saat mengganti "koneksi listrik" dengan koneksi melalui penghalang isolasi.



bagaimana cara kerjanya


Secara tradisional, isolasi galvanik dibangun di atas dua elemen - transformator dan optocoupler. Jika Anda menghilangkan detail, yang pertama digunakan untuk sinyal analog, dan yang terakhir untuk digital. Kami hanya mempertimbangkan kasus kedua, jadi masuk akal untuk mengingatkan pembaca tentang siapa optocoupler.

Untuk mengirimkan sinyal tanpa kontak listrik, sepasang pemancar cahaya (paling sering LED) dan photodetector digunakan. Sinyal listrik pada input diubah menjadi “pulsa cahaya”, melewati lapisan pemancar cahaya, diterima oleh fotodetektor, dan diubah kembali menjadi sinyal listrik.



Isolasi Optocoupler telah mendapatkan popularitas besar dan selama beberapa dekade adalah satu-satunya teknologi untuk memisahkan sinyal digital. Namun, dengan perkembangan industri semikonduktor, dengan integrasi segalanya dan segalanya, sirkuit mikro telah muncul yang menerapkan penghalang isolasi karena teknologi lain yang lebih modern.

Isolator digital adalah sirkuit mikro yang menyediakan satu atau beberapa saluran terisolasi, yang masing-masing "mengungguli" optocoupler dalam hal kecepatan dan ketepatan transmisi sinyal, dalam hal kekebalan kebisingan dan, paling sering, dalam hal biaya per saluran.

Penghalang isolasi isolator digital diproduksi menggunakan berbagai teknologi. Perusahaan Analog Devices yang terkenalADUM menggunakan transformator pulsa sebagai penghalang dalam isolator digital. Di dalam rumah sirkuit mikro ada dua kristal dan, dibuat secara terpisah pada film polimida, sebuah transformator pulsa. Pemancar kristal menghasilkan dua pulsa pendek di sepanjang bagian depan sinyal informasi, dan satu pulsa di sepanjang penurunan sinyal informasi. Transformator pulsa memungkinkan dengan penundaan kecil untuk menerima pulsa pada pemancar kristal tempat konversi terbalik dilakukan.



Teknologi yang dijelaskan ini berhasil digunakan dalam implementasi isolasi galvanik, dalam banyak hal lebih unggul daripada optocoupler, namun, ia memiliki sejumlah kelemahan terkait dengan sensitivitas transformator terhadap kebisingan dan risiko distorsi ketika bekerja dengan pulsa input pendek.

Tingkat kekebalan kebisingan yang jauh lebih tinggi disediakan di sirkuit mikro, di mana penghalang isolasi diterapkan pada kapasitor. Penggunaan kapasitor menghilangkan kopling arus searah antara penerima dan pemancar, yang dalam sirkuit sinyal setara dengan isolasi galvanik.


Jika kalimat terakhir membuat Anda bersemangat ..
, . , 2006 . , 2007, , , . , .


Keuntungan dari isolasi kapasitif adalah efisiensi energi yang tinggi, ukuran kecil dan ketahanan terhadap medan magnet eksternal. Ini memungkinkan Anda membuat isolator terintegrasi berbiaya rendah dengan keandalan tinggi. Mereka diproduksi oleh dua perusahaan - Texas Instruments dan Silicon Labs . Perusahaan-perusahaan ini menggunakan berbagai teknologi untuk membuat saluran, tetapi dalam kedua kasus, silikon dioksida digunakan sebagai dielektrik. Bahan ini memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi dan telah digunakan dalam pembuatan microchip selama beberapa dekade. Akibatnya, SiO2 mudah diintegrasikan ke dalam kristal, dan lapisan dielektrik dengan ketebalan beberapa mikrometer cukup untuk memberikan tegangan isolasi beberapa kilovolt.

Pada satu (Texas Instruments) atau keduanya (Silicon Labs) kristal, yang terletak di tubuh isolator digital, kapasitor berada. Kristal dihubungkan melalui bantalan ini, sehingga sinyal informasi melewati dari penerima ke pemancar melalui penghalang isolasi.

Meskipun Texas Instruments dan Silicon Labs menggunakan teknologi yang sangat mirip untuk mengintegrasikan penghalang kapasitif ke dalam kristal, mereka menggunakan prinsip yang sama sekali berbeda untuk mentransmisikan sinyal informasi.

Setiap saluran terisolasi dari Texas Instruments adalah sirkuit yang relatif kompleks.



Pertimbangkan "bagian bawahnya". Sinyal informasi dimasukkan ke sirkuit RC, dari mana pulsa pendek diambil di sepanjang tepi dan pembusukan sinyal input, sinyal dikembalikan dari pulsa ini. Metode melewati penghalang kapasitif ini tidak cocok untuk sinyal yang perlahan-lahan berubah (frekuensi rendah). Pabrikan menyelesaikan masalah ini dengan menduplikasi saluran - "bagian bawah" dari sirkuit adalah saluran frekuensi tinggi dan ditujukan untuk sinyal dari 100 Kbps.

Sinyal dengan frekuensi di bawah 100 Kbps diproses di "bagian atas" sirkuit. Sinyal input mengalami modulasi PWM awal dengan frekuensi clock tinggi, sinyal termodulasi diumpankan ke penghalang isolasi, sinyal dikembalikan oleh pulsa dari rantai RC dan kemudian didemodulasi.
Sirkuit pengambilan keputusan pada output dari saluran terisolasi "memutuskan" dari mana "setengah" sinyal harus dikirim ke output dari rangkaian mikro.

Seperti dapat dilihat dalam diagram saluran isolator Texas Instruments, transmisi sinyal diferensial digunakan di saluran frekuensi rendah dan frekuensi tinggi. Saya mengingatkan pembaca akan esensinya.

Transmisi diferensial adalah cara sederhana dan efektif untuk melindungi dari gangguan mode umum. Sinyal input di sisi pemancar "dibagi" menjadi dua sinyal terbalik V + dan V-, yang dipengaruhi oleh interferensi mode-umum dari sifat yang berbeda dengan cara yang sama. Penerima mengurangi sinyal dan sebagai akibat dari gangguan, Vsp dikecualikan.



Transmisi diferensial juga digunakan dalam isolator digital Silicon Labs. Microcircuits ini memiliki struktur yang lebih sederhana dan lebih dapat diandalkan. Untuk melewati penghalang kapasitif, sinyal input mengalami modulasi OOK (On-Off Keying) frekuensi tinggi. Dengan kata lain, "unit" dari sinyal informasi dikodekan oleh kehadiran sinyal frekuensi tinggi, dan "nol" - dengan tidak adanya sinyal frekuensi tinggi. Sinyal termodulasi berlalu tanpa distorsi melalui sepasang kapasitor dan dikembalikan pada sisi pemancar.



Silicon Labs Digital Isolator mengungguli IC ADUM dalam banyak cara utama. Chip dari TI memberikan kualitas kerja yang sama dengan Silicon Labs, tetapi dalam beberapa kasus mereka lebih rendah dalam akurasi transmisi sinyal.

Di mana ia bekerja?


Saya ingin menambahkan beberapa kata tentang sirkuit mikro mana yang menggunakan penghalang isolasi.
Yang pertama harus disebut isolator digital. Mereka adalah beberapa saluran digital terisolasi yang digabungkan dalam satu perumahan. Chip dengan konfigurasi saluran input dan output searah yang berbeda, isolator dengan saluran dua arah (digunakan untuk decoupling antarmuka bus), isolator dengan pengontrol DC / DC bawaan untuk isolasi daya tersedia.

Lebih banyak gambar
Si86xx —

Si860x —

Si88xx — DC/DC-


Selain isolator digital, driver terisolasi untuk transistor daya juga tersedia, termasuk di kursi driver optik, amplifier shunt saat ini, ADC yang diisolasi secara galvanis, dll.
Lebih banyak gambar
Si823x —

Si8261 —

Si8920 —

Si890x —

Source: https://habr.com/ru/post/id386721/

More articles:


All Articles