С гальванической развязкой (ГР) мы уже знакомились в одной из прошлых статьей. Напомним, что это передача мощности или сигнала с одной цепи в другую, которые изолированы друг от друга. Поэтому потенциалы входной цепи не действуют на участки выходной и наоборот. В этой статье коснёмся лишь изоляции сигнальных линий и цепей обратной связи.
Виды гальванической развязки интерфейсов
До недавнего времени только трансформаторы способны были эффективно использовать ГР при передаче электроэнергии. Сейчас это делают микросхемы КМОП (Комплиментарный металл-окисел-полупроводник), правда лишь для небольших мощностей.
Для трансформатора, чтобы перевести электрическую мощность постоянного напряжения с одной цепи в другую, изолированную от прежней, потребуется преобразование тока в переменный или импульсный с последующей трансформацией и выпрямлением со сглаживанием. Для реализации передачи сигналов с ГР можно применить не только трансформаторы, но и другие компоненты:
· Оптопары – устройства, состоящие из светодиода, излучение от которого фокусируется на фоточувствительном приборе;
· КМОП-устройства с изоляцией входной от выходной цепи.
Для выполнения простых функций коммутации или обратной связи используют реле и концевики. Это устройства механического размыкания/замыкания контактов посредством приводной связи. Но все они сравнительно медленные. Для быстродействующей обратной связи с использованием ГР применяют оптические устройства или твердотельные полупроводниковые компоненты с изоляционным барьером.
Для передачи цифрового или аналогового сигнала используют трансформатор. Но он имеет 2 существенных недостатка:
· Сравнительно большие габариты;
· Ярко выраженные индуктивные свойства.
И если с первым минусом научились как-то бороться минимизацией размеров. Существуют даже микротрансформаторы, вмонтированные в микросборки и микросхемы. То вот индуктивное реактивное сопротивление очень сильно сказывается при передаче широкополосных сигналов. Особенно, если дело касается инфранизких частот, например, обратной связи по постоянному току. Так что отказ от трансформаторов – это не просто достижения современной электроники, но и, в некоторых случаях, просто вынужденная мера.
Оптические интерфейсы с гальванической развязкой
Оптические линии связи или оптоволокно – это альтернатива кабельным и беспрводным (радиочастотным каналам связи). На эти линии не действуют электрические, магнитные или электромагнитные излучения и помехи. Но сейчас мы не о таких интерфейсах будем толковать. Если требуется изолировать цепи от высоких потенциалов, то используют оптопары.
Устройство и условное обозначение оптических пар изображено выше. Световой поток, вызываемый зажжённым светодиодом, фокусируется на светочувствительном элементе полупроводникового прибора. Им может быть как фоторезистор, так и фотодиод. Также бывают в оптопарах светочувствительными транзисторы и тиристоры. От этого зависят их свойства и, естественно, сфера применения.
Общий недостаток – одностороннее направление, так что если надо обратная связь, используют другую пару, включённую обратно. Но здесь уже имеет место несоответствие вольтамперных характеристик диода (как передатчика) и, например, фоторезистора (как приёмника). Поэтому для дуплексной (двухсторонней) связи лучше применять оптопары диод/диод или диод/транзистор. Они лучшим образом будут работать в цифровых двунаправленных интерфейсах.
А вот передача аналогового сигнала с помощью оптопар грозит большими искажениями. Впрочем, если требуется обратная связь по стабилизации напряжения или компенсация, то используют оптические диод/диод либо диод/транзистор. Для качественной же передачи, например, звука или изображения с ГР применяют специальные операционные усилители с КМОП-изоляционным барьером.
Оптрон диод/тиристор применяют в качестве ключей, он хорошо подходит для управления каскадами в высоковольтных цепях. Светодиод, совмещённый с фоторезистором, обладает сравнительно малым быстродействием, поэтому применяется крайне редко. В старой технике его могли использовать как компонент ГР с ключом, работающим в сторожевом режиме. Дело в том, что фоторезистор оптопары вырабатывает ЭДС. Таким образом, ими открывался биполярный ключ подачей напряжения смещения.
Сейчас применяют в качестве электронных ключей эффективные МОП-транзисторы, например, Mosfet. Поэтому для изоляции каналов дискретной коммутации используют оптопару с фототиристором или фототранзистором либо фотодиодом на выходе. А для передачи цифрового сигнала через ГР – применяют 2 последних варианта.
КМОП-микросхемы с изолированным барьером
Для измерения напряжения и тока в цепях с опасным потенциалом используются соответствующие трансформаторы тока и напряжения. Современные передовые технологии позволяют применить специальные ОУ с изолированным барьером. Такие устройства способны передавать не только аналоговый сигнал с постоянной составляющей, практически, без искажений, но и небольшую мощность.
Может поэтому, их успешно применяют для передачи постоянных составляющих напряжения и тока при их контроле и измерении с ГР в частотных преобразователях.
Неплохая линейность и небольшой температурный дрейф смещения, также малые искажения усиления наблюдаются при задействовании AMC1301. Стабильный график нелинейности для разных моделей ОУ легко компенсируется программой аналогово-цифрового преобразователя.
Если ещё совсем недавно, пару лет назад, плата для изолированных измерений тока на микроконтроллере с изолированным барьером стоила около 49$, то сейчас микросхему, серии AMC1301 можно приобрести за 2,9$. Может поэтому, не только именитые производители, например электросчётчиков, отказываются от использования трансформаторов и даже оптопар в своей топологии в пользу КМОП-микросхем с изолированным барьером.