Isolamento galvânico. Quem, se não um optocoupler?

Existe algo na eletrônica como isolamento galvânico. Sua definição clássica é a transferência de energia ou um sinal entre circuitos elétricos sem contato elétrico. Se você é iniciante, esse texto parecerá muito geral e até misterioso. Se você tem experiência em engenharia ou apenas se lembra bem da física, provavelmente já pensou em transformadores e optoacopladores.

O artigo abaixo do gato é dedicado a vários métodos de isolamento galvânico de sinais digitais . Vamos dizer por que é necessário e como os fabricantes implementam a barreira de isolamento "dentro" dos microcircuitos modernos.

Como já mencionado, o foco será o isolamento dos sinais digitais. Além disso, no texto, por isolamento galvânico, entendemos a transmissão de um sinal de informação entre dois circuitos elétricos independentes.

Por que é necessário

Existem três tarefas principais que são resolvidas dissociando o sinal digital.

Primeiro vem a proteção contra altas tensões. De fato, o fornecimento de isolamento galvânico é um requisito que o equipamento de segurança coloca na maioria dos aparelhos elétricos.

Deixe um microcontrolador, que possui, naturalmente, uma pequena tensão de alimentação, defina sinais de controle para um transistor de potência ou outro dispositivo de alta tensão. Isso é mais do que uma tarefa comum. Se não houver isolamento entre o driver, o que aumenta o sinal de controle em termos de potência e tensão, e o dispositivo de controle, o microcontrolador corre o risco de simplesmente queimar. Além disso, os dispositivos de E / S são geralmente associados a circuitos de controle, o que significa que uma pessoa que pressiona o botão "ligar" pode facilmente fechar o circuito e receber um choque de várias centenas de volts.

Portanto, o isolamento galvânico do sinal serve para proteger pessoas e equipamentos.



Igualmente popular é o uso de microcircuitos com uma barreira isolante para a interface de circuitos elétricos com diferentes tensões de alimentação. Tudo é simples: não há "conexão elétrica" ​​entre os circuitos, portanto o sinal é que os níveis lógicos do sinal de informação na entrada e saída do microcircuito corresponderão à fonte de alimentação nos circuitos de "entrada" e "saída", respectivamente.



O isolamento galvânico também é usado para aumentar a imunidade ao ruído dos sistemas. Uma das principais fontes de interferência em equipamentos eletrônicos é o chamado fio comum, geralmente o corpo do dispositivo. Ao transmitir informações sem isolamento galvânico, o fio comum fornece o potencial total do transmissor e receptor necessário para transmitir o sinal de informação. Como geralmente o fio comum serve como um dos pólos de energia, conectar vários dispositivos eletrônicos a ele, especialmente os de energia, leva à ocorrência de ruído de impulso a curto prazo. Eles são excluídos ao substituir uma "conexão elétrica" ​​por uma conexão através de uma barreira isolante.

Como funciona

Tradicionalmente, o isolamento galvânico é construído em dois elementos - transformadores e optoacopladores. Se você omitir os detalhes, os primeiros são usados ​​para sinais analógicos e os segundos para os digitais. Estamos considerando apenas o segundo caso, por isso faz sentido lembrar ao leitor quem é o acoplador óptico.

Para transmitir um sinal sem contato elétrico, é utilizado um par de emissor de luz (geralmente um LED) e um fotodetector. O sinal elétrico na entrada é convertido em “pulsos de luz”, passa pela camada de transmissão de luz, recebido pelo fotodetector e convertido de volta em um sinal elétrico.



O isolamento do acoplador óptico ganhou imensa popularidade e, por várias décadas, foi a única tecnologia para dissociar sinais digitais. No entanto, com o desenvolvimento da indústria de semicondutores, com a integração de tudo e de tudo, surgiram microcircuitos que implementam uma barreira de isolamento devido a outras tecnologias mais modernas.

Isoladores digitais são microcircuitos que fornecem um ou vários canais isolados, cada um dos quais “supera” o acoplador óptico em termos de velocidade e precisão da transmissão do sinal, em termos de imunidade a ruídos e, na maioria das vezes, em termos de custo por canal.

A barreira de isolamento dos isoladores digitais é fabricada usando várias tecnologias. Empresa conhecida Analog DevicesA ADUM usa um transformador de pulso como barreira nos isoladores digitais. Dentro do compartimento do microcircuito, existem dois cristais e, feitos separadamente em um filme de poliimida, um transformador de pulso. O transmissor de cristal gera dois pulsos curtos ao longo da frente do sinal de informação e um pulso ao longo do declínio do sinal de informação. O transformador de pulso permite, com um pequeno atraso, receber pulsos no transmissor de cristal no qual a conversão inversa é realizada.



A tecnologia descrita é usada com sucesso na implementação do isolamento galvânico, em muitos aspectos superior aos optoacopladores, no entanto, possui várias desvantagens relacionadas à sensibilidade do transformador ao ruído e ao risco de distorção ao trabalhar com pulsos de entrada curtos.

Um nível muito mais alto de imunidade a ruídos é fornecido em microcircuitos, onde a barreira de isolamento é implementada nos capacitores. O uso de capacitores elimina o acoplamento de corrente direta entre o receptor e o transmissor, que nos circuitos de sinal é equivalente ao isolamento galvânico.

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As vantagens do isolamento capacitivo são alta eficiência energética, tamanho pequeno e resistência a campos magnéticos externos. Isso permite criar isoladores integrados de baixo custo e alta confiabilidade. Eles são produzidos por duas empresas - Texas Instruments e Silicon Labs . Essas empresas usam várias tecnologias para criar o canal, mas em ambos os casos, o dióxido de silício é usado como dielétrico. Este material possui alta resistência dielétrica e é utilizado na fabricação de microchips há várias décadas. Como resultado, o SiO2 é facilmente integrado ao cristal, e uma camada dielétrica de alguns micrômetros de espessura é suficiente para fornecer uma tensão de isolamento de vários quilovolts.

Em um (Texas Instruments) ou em ambos os cristais (Silicon Labs), localizados no corpo do isolador digital, estão localizados os capacitores. Os cristais são conectados através desses blocos, de modo que o sinal de informação passa do receptor para o transmissor através da barreira de isolamento.

Embora a Texas Instruments e o Silicon Labs usem tecnologias muito semelhantes para integrar uma barreira capacitiva em um cristal, eles usam princípios completamente diferentes para transmitir um sinal de informação.

Cada canal isolado da Texas Instruments é um circuito relativamente complexo.



Considere sua "metade inferior". O sinal de informação é alimentado aos circuitos RC, a partir dos quais pulsos curtos são obtidos ao longo da borda e decaimento do sinal de entrada, o sinal é restaurado a partir desses pulsos. Este método de passagem da barreira capacitiva não é adequado para sinais que mudam lentamente (baixa frequência). O fabricante resolve esse problema duplicando os canais - a "metade inferior" do circuito é um canal de alta frequência e destina-se a sinais de 100 Kbps.

Sinais com frequência abaixo de 100 Kbps são processados ​​na "metade superior" do circuito. O sinal de entrada é submetido à modulação preliminar de PWM com uma alta freqüência de clock, o sinal modulado é alimentado à barreira de isolamento, o sinal é restaurado por pulsos dos circuitos RC e depois desmodulado.
O circuito de tomada de decisão na saída do canal isolado "decide" a partir da qual "metade" o sinal deve ser enviado para a saída do microcircuito.

Como pode ser visto no diagrama do canal isolador da Texas Instruments, a transmissão de sinal diferencial é usada nos canais de baixa e alta frequência. Lembro ao leitor sua essência.

A transmissão diferencial é uma maneira simples e eficaz de se proteger contra interferências no modo comum. O sinal de entrada no lado do transmissor é "dividido" em dois sinais inversos V + e V-, que são afetados pela interferência no modo comum de natureza diferente da mesma maneira. O receptor subtrai os sinais e, como resultado da interferência Vsp, é excluído.



A transmissão diferencial também é usada nos isoladores digitais da Silicon Labs. Esses microcircuitos possuem uma estrutura mais simples e confiável. Para atravessar a barreira capacitiva, o sinal de entrada sofre modulação OOK (Key On-Off) de alta frequência. Em outras palavras, a "unidade" do sinal de informação é codificada pela presença de um sinal de alta frequência e "zero" - pela ausência de um sinal de alta frequência. O sinal modulado passa sem distorção através de um par de capacitores e é restaurado na lateral do transmissor.



Os isoladores digitais da Silicon Labs superam os ICs ADUM da maioria das maneiras importantes. Os chips da TI fornecem praticamente a mesma qualidade de trabalho que o Silicon Labs, mas em alguns casos eles têm uma precisão inferior na transmissão do sinal.

Onde isso funciona

Gostaria de acrescentar algumas palavras sobre quais microcircuitos usam uma barreira de isolamento.
O primeiro deve ser chamado isoladores digitais. São vários canais digitais isolados combinados em uma caixa. Estão disponíveis chips com diferentes configurações de canais unidirecionais de entrada e saída, isoladores com canais bidirecionais (usados ​​para desacoplar interfaces de barramento), isoladores com um controlador DC / DC embutido para isolamento de energia.

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Si86xx —

Si860x —

Si88xx — DC/DC-

Além dos isoladores digitais, também estão disponíveis drivers isolados para transistores de potência, incluindo no assento de drivers ópticos, amplificadores de derivação de corrente, ADCs isolados galvanicamente, etc.

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Si823x —

Si8261 —

Si8920 —

Si890x —

Source: https://habr.com/ru/post/pt386721/