Viața modernă este de neconceput fără televizor. În multe apartamente puteți găsi două, și uneori trei receptoare de televiziune. Televiziunea prin cablu este deosebit de populară. Dar ce se întâmplă dacă trebuie să conectați mai multe televizoare la un cablu de antenă? Este firesc să folosiți tee-ul dublu „chinezesc” sau chiar.

De exemplu, ca acesta:

A fost acest splitter dublu pe care l-am instalat pe două televizoare pentru a primi canale de televiziune prin cablu. Cu toate acestea, calitatea recepției a lăsat mult de dorit, dacă canalele din prima gamă de contor s-au arătat în mod tolerabil, atunci canalele din a doua gamă și UHF au fost recepționate cu o atenuare puternică a semnalului. După ce am dezasamblat separatorul, am găsit în el un mic inel dublu de ferită și câteva spire de sârmă cu un singur conductor:

Dispozitivul este un transformator de înaltă frecvență cu înfășurări anti-fază. Și, teoretic, ar trebui să excludă influența reciprocă a circuitelor de intrare pentru recepția semnalului RF, dar de fapt a slăbit-o, aparent datorită faptului că a existat o conexiune galvanică.

Am decis să înlocuiesc transformatorul cu capacități ceramice obișnuite (steaguri roșii) cu o evaluare de câțiva picofaradi, eliminând astfel această conexiune galvanică:

Nu a existat o limită pentru surpriza mea, ambele televizoare au fost afișate ca și cum doar unul ar funcționa, adică. nici cel mai mic indiciu de influență reciprocă și recepție excelentă pe toate trupele.

Capacitățile se potrivesc în carcasa splitterului:

Singurul lucru pentru care m-am certat este de ce nu mi-a venit ideea asta mai devreme.

Seria de articole este formată din trei părți:

Interferență în scheme.

În timpul funcționării normale a unui dispozitiv electronic, în circuit poate apărea zgomot.

Interferența nu numai că poate interfera cu funcționarea normală a dispozitivului, dar poate duce și la eșecul complet al acestuia.

Orez. 1. Interferență în semnalul util.

Puteti vedea interferenta pe ecranul osciloscopului incluzand-o in partea de circuit studiata (Fig. 1). Durata interferenței poate fi fie foarte scurtă (unități de nanosecunde, așa-numitele „ace”), fie foarte lungă (câteva secunde). Forma și polaritatea interferenței sunt, de asemenea, diferite.
Propagarea (trecerea) interferenței are loc nu numai prin conexiunile cablate ale circuitului, ci uneori chiar între părți ale circuitului care nu sunt conectate prin fire. În plus, interferențele pot fi suprapuse, rezumate unele cu altele. Deci, o singură interferență slabă poate să nu provoace o defecțiune în circuitul dispozitivului, dar acumularea simultană a mai multor interferențe aleatorii slabe duce la funcționarea incorectă a dispozitivului. Acest fapt complică de multe ori căutarea și eliminarea interferențelor, deoarece acestea capătă un caracter și mai aleatoriu.

Sursele de interferență pot fi împărțite aproximativ în:

• Sursă externă de interferență. Un câmp electromagnetic sau electrostatic puternic în apropierea dispozitivului poate cauza defecțiuni ale dispozitivului electronic. De exemplu, o lovitură de fulger, comutare de relee de curent ridicat sau lucrări de sudare electrică.
• Sursa internă de interferență. De exemplu, atunci când porniți/opriți o sarcină reactivă (motor sau electromagnet) într-un dispozitiv, restul circuitului se poate defecta. Un algoritm de program incorect poate fi, de asemenea, o sursă de zgomot intern.

Pentru a proteja împotriva interferențelor externe, structura sau părțile sale individuale sunt plasate într-un scut metalic sau electromagnetic și sunt utilizate, de asemenea, soluții de circuit cu mai puțină sensibilitate la interferențele externe. De la interferența internă ajută la utilizarea filtrelor, optimizarea algoritmului de lucru, schimbarea construcției întregului circuit și a locației părților sale unele față de altele.
Se consideră foarte elegant să nu suprimați toate interferențele fără discernământ, ci să le direcționați în mod deliberat către acele locuri din circuit în care se vor stinge fără a provoca rău. În unele cazuri, acest mod este mult mai simplu, mai compact și mai ieftin.

Estimarea probabilității de interferență în circuite și a modalităților de prevenire a acestora nu este o sarcină ușoară, care necesită cunoștințe teoretice și experiență practică. Dar, cu toate acestea, cu duritatea, putem spune că probabilitatea de interferență crește:

• cu o creștere a curentului sau tensiunii comutate în circuit,
• cu creșterea sensibilității părților circuitului,
• cu o creştere a vitezei pieselor aplicate.

Pentru a nu reface proiectul finit din cauza defecțiunilor frecvente, este mai bine să vă familiarizați cu posibilele surse și căile de propagare a interferenței deja în stadiul de proiectare a circuitului. Deoarece aproximativ jumătate din toate manifestările de interferență sunt asociate cu puterea „proastă”, cel mai bine este să începeți să proiectați un dispozitiv cu posibilitatea de a alege cum să-și alimenteze piesele.

Interferență la sursa de alimentare.

Figura 2 prezintă o diagramă bloc tipică a unui dispozitiv electronic care constă dintr-o sursă de alimentare, un circuit de control, un driver și un actuator.
Majoritatea celor mai simpli roboți din seria de pe acest site sunt construiți după această schemă.

Orez. 2. Alimentarea comună a pieselor de control și putere.

În astfel de scheme, două părți pot fi distinse condiționat: control și putere. Partea de control consumă relativ puțin curent și conține orice circuite de control sau de calcul. Partea de putere consumă mult mai mult curent și include un amplificator și o sarcină de terminare.
Să luăm în considerare fiecare parte a circuitului mai detaliat.

Orez. 2 a.

Sursă de putere(Fig. 2 a.) pot fi „baterii” sau un transformator de alimentare. Sursa de alimentare poate include, de asemenea, un regulator de tensiune și un filtru mic.

Orez. 2 b.

Schema de control- aceasta este o parte a schemei (Fig. 2 b.), în care orice informație este procesată în conformitate cu funcționarea algoritmului. Semnalele din surse externe, de exemplu, de la orice senzori, pot veni și aici. Circuitul de control în sine poate fi asamblat folosind microcontrolere sau alte microcircuite, sau pe elemente discrete.

Linii de comunicare pur și simplu conectează circuitul de control la driverul actuatorului, adică sunt doar cabluri sau piste PCB.

Orez. 2 in.

Dispozitiv executiv(Fig. 2 c.) este adesea un mecanism care transformă un semnal electric în lucru mecanic, cum ar fi un motor electric sau un electromagnet. Adică, actuatorul transformă curentul electric într-o altă formă de energie și consumă de obicei un curent relativ mare.

Orez. 2 ani.

Deoarece semnalul de la circuitul de control este foarte slab, deci driver sau amplificator(Fig. 2d) este o parte integrantă a multor scheme. Driverul poate fi executat, de exemplu, pe un singur tranzistor sau pe un microcircuit special, în funcție de tipul de actuator.


De regulă, principala sursă de interferență puternică este actuatorul. Interferența care a apărut aici, după ce a trecut prin șofer, se răspândește mai departe de-a lungul magistralei de alimentare (Interferența din Fig. 2 este prezentată schematic printr-o săgeată portocalie). Și, deoarece circuitul de control este alimentat de la aceeași sursă de alimentare, este probabil ca această interferență să îl afecteze și pe acesta. Adică, de exemplu, o interferență care apare în motor va trece prin șofer și poate duce la o defecțiune a circuitului de control.
În circuitele simple, este suficient să puneți un condensator de mare capacitate de aproximativ 1000 de microfarad și un ceramic de 0,1 microfarad în paralel cu sursa de alimentare. Acestea vor acționa ca un simplu filtru. În circuitele cu curenți de consum de aproximativ 1 amper sau mai mult, pentru a vă proteja împotriva interferențelor puternice de formă complexă, va trebui să instalați un filtru voluminos, complex, dar acest lucru nu ajută întotdeauna.
În multe circuite, cel mai simplu mod de a scăpa de efectele interferențelor este utilizarea surselor de alimentare separate pentru părțile de control și alimentare ale circuitului, adică utilizarea așa-numitelor alimentare separată.
Deși puterea separată este folosită nu numai pentru combaterea interferențelor.

Mâncare separată.

Pe Fig. 3 prezintă o diagramă bloc a unui dispozitiv. Acest circuit folosește două surse de alimentare. Partea de putere a circuitului este alimentată de sursa de alimentare 1, iar schema de control - de la sursa de alimentare 2. Ambele surse de alimentare sunt conectate printr-unul dintre poli, acest fir este comun întregului circuit și semnalele sunt transmise relativ la acesta prin linia de comunicație.

Orez. 3. Alimentare separată pentru componentele de control și putere.

La prima vedere, un astfel de circuit cu două surse de alimentare pare greoi și complicat. De fapt, astfel de circuite separate de alimentare cu energie sunt utilizate, de exemplu, în 95% din toate echipamentele de uz casnic. Surse de alimentare separate, există doar diferite înfășurări ale transformatoarelor cu tensiuni și curenți diferite. Acesta este un alt avantaj al circuitelor de alimentare separate: mai multe unități cu tensiuni de alimentare diferite pot fi utilizate într-un singur dispozitiv. De exemplu, utilizați 5 volți pentru controler și 10-15 volți pentru motor.
Privind diagrama din fig. 3, se poate observa că interferența de la unitatea de alimentare nu poate ajunge în unitatea de control de-a lungul liniei de alimentare. În consecință, nevoia de a-l suprima sau filtra complet dispare.

Orez. 4. Separați sursa de alimentare cu un stabilizator.

În structurile mobile, de exemplu, roboții mobili, din cauza dimensiunilor, nu este întotdeauna convenabil să folosiți două baterii. Prin urmare, o sursă de alimentare separată poate fi construită folosind un singur pachet de baterii. În acest caz, circuitul de control va fi alimentat de la sursa principală de alimentare printr-un stabilizator cu un filtru de putere redusă, Fig. 4. În acest circuit, trebuie să țineți cont de căderea de tensiune pe stabilizatorul de tipul selectat. În mod obișnuit, se utilizează un pachet de baterii cu o tensiune mai mare decât tensiunea cerută de circuitul de control. În acest caz, funcționarea circuitului este menținută chiar și cu o descărcare parțială a bateriilor.

Orez. 5. L293 cu alimentare separată.

Multe microcircuite de driver sunt imediat proiectate special pentru a fi utilizate în circuite separate de alimentare cu energie. De exemplu, binecunoscutul cip driver L293 ( Orez. 5) are o ieșire Vss- pentru alimentarea circuitului de control (Tensiune de alimentare logica) si iesire Vs- pentru a alimenta etapele finale ale driverului de putere (Tensiune de alimentare sau Tensiune de alimentare de ieșire).
În toate modelele de roboți cu un microcontroler sau un cip logic din serie, puteți porni L293 cu un circuit de alimentare separat. În acest caz, tensiunea de alimentare a părții de alimentare (tensiune pentru motoare) poate fi în intervalul de la 4,5 la 36 de volți, iar tensiunea poate fi aplicată la Vss la fel ca și pentru alimentarea unui microcontroler sau cip logic (de obicei 5 volți) .

Dacă partea de control (microcontroller sau cip logic) este alimentată prin stabilizator, iar partea de putere este alimentată direct de la acumulator, atunci acest lucru poate economisi semnificativ pierderile de energie. Deoarece stabilizatorul va alimenta doar circuitul de control și nu întreaga structură. Acest - un alt avantaj al sursei de alimentare separate: economisirea energiei.

Dacă vă uitați din nou la diagrama din Figura 3, puteți vedea că, pe lângă firul comun (GND), partea de putere cu circuitul de control este, de asemenea, conectată prin linii de comunicație. În unele cazuri, zgomotul poate trece și prin aceste fire de la secțiunea de alimentare în circuitul de control. În plus, aceste linii de comunicație sunt adesea foarte susceptibile la influențele electromagnetice ("pickup"). Puteți scăpa de aceste fenomene dăunătoare odată pentru totdeauna prin aplicarea așa-zisului izolare galvanică.
Deși izolarea galvanică este, de asemenea, utilizată nu numai pentru combaterea interferențelor.

Izolarea galvanică.

La prima vedere, o astfel de definiție poate părea incredibilă!
Cum poate fi transmis un semnal fără contact electric?
De fapt, există chiar și două moduri care permit acest lucru.

Orez. 6.

Transmiterea semnalului optic construit pe fenomenul de fotosensibilitate a semiconductorilor. Pentru aceasta se folosește o pereche de un LED și un dispozitiv fotosensibil (fototranzistor, fotodiodă), Fig. 6.

Orez. 7.

O pereche de fotodetectoare cu LED-uri sunt izolate într-o carcasă opusă unul altuia. Acest detaliu se numește optocupler(nume străin optocoplicator), Figura 7.
Dacă trece un curent prin LED-ul optocuplerului, atunci rezistența fotodetectorului încorporat se va modifica. Acesta este modul în care are loc transmisia semnalului fără contact, deoarece LED-ul este complet izolat de fotodetector.
Este necesar un optocupler separat pentru fiecare linie de transmisie a semnalului. Frecvența semnalului transmis optic poate varia de la zero la câteva zeci sau sute de kiloherți.

Orez. opt.

Transmiterea semnalului inductiv se bazează pe fenomenul de inducție electromagnetică într-un transformator. Când se schimbă curentul dintr-una dintre înfășurările transformatorului, curentul din cealaltă înfășurare se modifică. Astfel, semnalul este transmis de la prima înfăşurare la a doua (Fig. 8). Această legătură între înfășurări se mai numește transformator, iar transformatorul pentru izolare galvanică este uneori denumit transformator de izolare.

Orez. 9.

Din punct de vedere structural, transformatoarele sunt de obicei realizate pe un miez inel de ferită, iar înfășurările conțin câteva zeci de spire de sârmă (Fig. 9). În ciuda complexității aparente a unui astfel de transformator, acesta poate fi realizat independent în câteva minute. Se vând și transformatoare gata de dimensiuni mici pentru izolare galvanică.
Un astfel de transformator separat este necesar pentru fiecare linie de transmisie a semnalului. Frecvența semnalului transmis poate varia de la câteva zeci de herți până la sute de mii de megaherți.

În funcție de tipul de semnal transmis și de cerințele pentru circuit, puteți alege fie transformator, fie izolare galvanică optică. În circuitele cu izolație galvanică pe ambele părți, convertoarele speciale sunt adesea instalate pentru a se potrivi (cuplare, interfață) cu restul circuitului.

Luați în considerare acum o diagramă bloc care utilizează izolarea galvanică între părțile de control și putere din Figura 10.

Orez. 10. Alimentare separată și izolarea galvanică a canalului de comunicație.

Această diagramă arată că orice interferență din partea de putere nu poate pătrunde în partea de control, deoarece nu există contact electric între părțile circuitului.
Absența contactului electric între părțile circuitului în cazul izolației galvanice vă permite să controlați în siguranță actuatoarele cu putere de înaltă tensiune. De exemplu, un fel de panou de control alimentat de câțiva volți poate fi separat galvanic de tensiunea de fază a rețelei de câteva sute de volți, ceea ce crește siguranța personalului care operează. Acesta este un avantaj important al circuitelor cu izolare galvanică.

Circuitele de control cu ​​izolație galvanică pot fi găsite aproape întotdeauna în dispozitivele critice, precum și în sursele de alimentare cu comutare. Mai ales acolo unde există chiar și cea mai mică șansă de interferență. Dar chiar și în dispozitivele de amatori se utilizează izolarea galvanică. Deoarece o ușoară complicație a circuitului prin izolarea galvanică aduce încredere deplină în funcționarea fără probleme a dispozitivului.

Recent, circuitele care utilizează tranzistoare puternice cu efect de câmp au fost folosite din ce în ce mai mult pentru a comuta sarcinile în circuitele de curent alternativ. Această clasă de dispozitive este reprezentată de două grupuri. Prima categorie include tranzistoarele bipolare cu poartă izolată - IGBT-uri. Abrevierea vestică este IGBT.

Al doilea, cel mai numeros, include tranzistoarele tradiționale de câmp (canal). Acest grup include și tranzistoarele KP707 (a se vedea tabelul 1), pe care este asamblat comutatorul de sarcină pentru rețeaua de 220 de volți.

AC primar este un lucru foarte periculos din toate punctele de vedere. Prin urmare, există multe soluții de circuite care vă permit să evitați controlul direct al sarcinilor din rețea. Anterior, transformatoarele de izolare erau folosite în aceste scopuri, în prezent acestea fiind înlocuite cu o varietate de optocuple.

Cheie tranzistor cu izolare optică

Schema, care a devenit deja tipică, este prezentată în Figura 1.


Acest circuit vă permite să decuplați galvanic circuitele de control și circuitul primar de 220 volți. Optocuplerul TLP521 este folosit ca element de decuplare. Puteți aplica și alte optocuple cu tranzistori importate sau autohtone. Circuitul este simplu și funcționează după cum urmează. Când tensiunea la bornele de intrare este zero, LED-ul optocuplerului este stins, tranzistorul optocuplerului este închis și nu deturnează poarta tranzistoarelor puternice de comutare. Astfel, pe porțile lor există o tensiune de deschidere egală cu tensiunea de stabilizare a diodei zener VD1. În acest caz, tranzistoarele sunt deschise și funcționează pe rând, în funcție de polaritatea tensiunii la un moment dat. Să presupunem că există un plus pe pinul de ieșire al circuitului 4 și un minus pe pinul 3. Apoi curentul de sarcină va curge de la borna 3 la borna 5, prin sarcină la borna 6, apoi prin dioda de protecție internă a tranzistorului VT2, prin tranzistorul deschis VT1 la borna 4. Când polaritatea tensiunii de alimentare este inversată, curentul de sarcină va curge prin dioda tranzistorului VT1 și a tranzistorului deschis VT2. Elementele de circuit R3, R3, C1 și VD1 nu sunt altceva decât o sursă de alimentare fără transformator. Valoarea rezistorului R1 corespunde tensiunii de intrare de cinci volți și poate fi modificată dacă este necesar.

Întregul circuit este realizat sub forma unui bloc finalizat funcțional. Elementele circuitului sunt montate pe o placă mică de circuit imprimat în formă de U, prezentată în Figura 2.


Placa în sine este atașată cu un șurub pe o placă de aluminiu cu dimensiuni de 56x43x6 mm, care este radiatorul principal. Tranzistorii puternici VT1 și VT2 sunt, de asemenea, atașați de acesta prin pastă termoconductoare și garnituri izolatoare de mică, folosind șuruburi cu bucșe. Găurile de colț sunt aliniate atât în ​​placă, cât și în placă și servesc, dacă este necesar, pentru atașarea blocului la un alt radiator mai puternic.

Izolarea galvanică. circuit optocupler

CE ESTE OPTOCUPLUL

Un optocupler, cunoscut și sub numele de optocupler, este o componentă electronică care transmite semnale electrice între două circuite electrice izolate folosind lumină infraroșie. Ca izolator, un optocupler poate împiedica trecerea tensiunii înalte prin circuit. Transmiterea semnalelor prin bariera luminoasă are loc cu ajutorul unui LED IR și un element fotosensibil, cum ar fi un fototranzistor, stă la baza structurii optocuplerului. Optocuptoarele sunt disponibile în diverse modele și configurații interne. Una dintre cele mai comune este o diodă IR și un fototranzistor împreună într-un pachet cu 4 pini, prezentate în figură. Anumiți parametri nu trebuie depășiți în timpul funcționării. Aceste valori maxime sunt utilizate împreună cu graficele pentru a proiecta corect modul de funcționare. Pe partea de intrare, dioda emițătoare de infraroșu are un anumit curent și o tensiune directă maximă, depășirea cărora va duce la arderea elementului emițător. Dar chiar și un semnal prea mic nu îl va putea face să strălucească și nu va permite ca impulsul să fie transmis mai departe de-a lungul circuitului. Beneficiile optocuplelor posibilitatea asigurării izolației galvanice între intrare și ieșire; pentru optocuple, nu există restricții fundamentale fizice sau de proiectare privind obținerea unor tensiuni și rezistențe de decuplare arbitrar ridicate și capacități arbitrar mici; posibilitatea implementării controlului optic fără contact al obiectelor electronice și varietatea și flexibilitatea rezultată a soluțiilor de proiectare pentru circuitele de control; distribuție unidirecțională a informațiilor pe canalul optic, fără feedback de la receptor la emițător; lățime de bandă largă de frecvență a optocuplerului, fără limitare de la frecvențele joase; posibilitatea de a transmite atât un semnal de impuls, cât și o componentă constantă printr-un circuit optocupler; capacitatea de a controla semnalul de ieșire al optocuplerului prin influențarea materialului canalului optic și posibilitatea de a crea o varietate de senzori, precum și o varietate de dispozitive pentru transmiterea informațiilor; posibilitatea de a crea dispozitive microelectronice funcționale cu fotodetectoare, ale căror caracteristici, atunci când sunt iluminate, se modifică conform unei legi complexe date; imunitatea canalelor optice de comunicație la efectele câmpurilor electromagnetice, ceea ce le face imune la interferențe și scurgeri de informații și, de asemenea, exclude interferența reciprocă; compatibilitate fizică şi constructiv-tehnologică cu alte dispozitive semiconductoare şi radio-electronice. Dezavantajele optocuplelor consum semnificativ de energie datorită necesității unei conversii duble a energiei (electricitate - lumină - electricitate) și eficiență scăzută a acestor tranziții; sensibilitate crescută a parametrilor și caracteristicilor la efectele temperaturii ridicate și ale radiațiilor penetrante; degradarea temporară a parametrilor optocuplerului; un nivel relativ ridicat de zgomot intrinsec, datorat, ca și cele două dezavantaje anterioare, particularităților fizicii LED-urilor; complexitatea implementării feedback-ului cauzată de izolarea electrică a circuitelor de intrare și ieșire; imperfecțiunea constructivă și tehnologică asociată cu utilizarea tehnologiei hibride neplanare, cu necesitatea de a combina într-un singur dispozitiv mai multe - cristale separate din semiconductori diferiți situate în planuri diferite. Aplicarea optocuplelor Ca elemente de izolare galvanică, optocuplele sunt utilizate: pentru conectarea blocurilor de echipamente, între care există o diferență de potențial semnificativă; pentru a proteja circuitele de intrare ale dispozitivelor de măsurare de interferențe și interferențe. Un alt domeniu major de aplicare pentru optocuple este controlul optic, fără contact al circuitelor de înaltă tensiune și de înaltă tensiune. Pornirea tiristoarelor puternice, triac-uri, controlul dispozitivelor de relee electromecanice. Comutarea surselor de alimentare. Crearea optocuplelor „lungi” (dispozitive cu ghid extins de lumină cu fibră optică flexibilă) a deschis o direcție complet nouă pentru utilizarea produselor optocuplere - comunicarea pe distanțe scurte. Diverse optocuple sunt, de asemenea, utilizate în circuitele de modulație de inginerie radio, controlul automat al câștigului și altele. Impactul asupra canalului optic este folosit aici pentru a aduce circuitul în modul optim de funcționare, pentru schimbarea modului fără contact. Capacitatea de a schimba proprietățile canalului optic sub diferite influențe externe asupra acestuia vă permite să creați o serie întreagă de senzori optocupler: aceștia sunt senzori pentru umiditate și contaminare cu gaz, un senzor pentru prezența unui anumit lichid în volum, senzori. pentru curățenia tratamentului de suprafață al unui obiect și viteza de mișcare a acestuia. Versatilitatea optocuplelor ca elemente de izolare galvanică și control fără contact, varietatea și unicitatea multor alte funcții sunt motivul pentru care domeniile de aplicare ale optocuplelor sunt tehnologia informatică, automatizarea, echipamentele de comunicații și radio, sistemele de control automatizate, echipamentele de măsurare. , sisteme de control și reglare, electronice medicale, dispozitive de afișare vizuală. Citiți mai multe despre diferitele tipuri de optocuple în acest document.

elwo.ru

Izolarea galvanică: principii și schemă

Izolarea galvanică este principiul izolației electrice a circuitului de curent luat în considerare în raport cu alte circuite care sunt prezente într-un dispozitiv și îmbunătățește performanța tehnică. Izolarea galvanică este utilizată pentru a rezolva următoarele sarcini:

1. Realizarea independenței lanțului de semnal. Se utilizează la conectarea diverselor dispozitive și dispozitive, asigură independența circuitului de semnal electric față de curenții care apar în timpul conectării diferitelor tipuri de dispozitive. Cuplajul galvanic independent rezolvă problemele de compatibilitate electromagnetică, reduce efectul interferenței, îmbunătățește raportul semnal-zgomot în circuitele de semnal și mărește acuratețea reală a măsurării proceselor în curs. Izolarea galvanică cu intrare și ieșire izolate contribuie la compatibilitatea dispozitivelor cu diverse dispozitive în medii electromagnetice dificile. Instrumentele de măsurare multicanal au izolare de grup sau canal. Decuplarea poate fi aceeași pentru mai multe canale de măsurare sau poate fi canal cu canal pentru fiecare canal în mod autonom.
2. Îndeplinirea cerințelor actualului GOST 52319-2005 privind siguranța electrică. Standardul reglementează rezistența izolației în echipamentele electrice de control și măsurare. Izolarea galvanică este considerată ca una dintr-un set de măsuri pentru asigurarea siguranței electrice, ea trebuie să funcționeze în paralel cu alte metode de protecție (împământare, circuite limitatoare de tensiune și curent, fitinguri de siguranță etc.).

Decuplarea poate fi asigurată prin diverse metode și mijloace tehnice: băi galvanice, transformatoare inductive, izolatoare digitale, relee electromecanice.

Scheme de soluții pentru izolarea galvanică

În timpul construcției sistemelor complexe de procesare digitală a semnalelor de intrare legate de funcționarea în condiții industriale, izolarea galvanică trebuie să rezolve următoarele sarcini:

1. Protejați circuitele computerelor de curenții și tensiunile critice. Acest lucru este important dacă condițiile de funcționare implică expunerea la unde electromagnetice industriale, există dificultăți de împământare etc. Astfel de situații apar și la vehiculele care au un factor de influență uman mare. Erorile pot cauza defectarea completă a echipamentelor scumpe.
2. Protejați utilizatorii de șoc electric. Cea mai frecventă problemă este relevantă pentru dispozitivele medicale.
3. Minimizați efectele dăunătoare ale diferitelor interferențe. Un factor important în laboratoarele care efectuează măsurători precise, atunci când construiesc sisteme de precizie, la stațiile metrologice.

În prezent, transformatoarele și izolațiile optoelectronice sunt utilizate pe scară largă.

Principiul de funcționare al optocuplerului

Circuit optocupler

Dioda emițătoare de lumină este polarizată direct și primește lumina doar de la fototranzistor. Conform acestei metode, se realizează conexiunea galvanică a circuitelor, care sunt conectate pe o parte cu LED-ul și pe cealaltă parte cu fototranzistorul. Avantajele dispozitivelor optoelectronice includ capacitatea de a transmite comunicații pe o gamă largă, capacitatea de a transmite semnale curate la frecvențe înalte și dimensiuni liniare mici.

Multiplicatori de impulsuri electrice

Ele asigură nivelul necesar de izolare electrică, constau din emițătoare-emițătoare, linii de comunicație și dispozitive de recepție.

Multiplicatori de impulsuri

Linia de comunicație trebuie să asigure nivelul necesar de izolare a semnalului; în dispozitivele de recepție, impulsurile sunt amplificate la valorile necesare pornirii tiristoarelor.

Utilizarea transformatoarelor electrice pentru decuplare crește fiabilitatea sistemelor instalate construite pe baza canalelor seriale multicomplex în cazul defectării unuia dintre ele.

Parametrii canalelor multiplex

Mesajele de canal constau în semnale de informare, comandă sau răspuns, una dintre adrese este liberă și este folosită pentru a efectua sarcini de sistem. Utilizarea transformatoarelor mărește fiabilitatea funcționării sistemelor asamblate pe baza de canale seriale multicomplex și asigură funcționarea dispozitivului în cazul defecțiunii mai multor receptoare. Datorită utilizării controlului transmisiei în mai multe etape la nivelul semnalului, sunt furnizați indicatori de imunitate ridicată la zgomot. In modul general de operare este permisa trimiterea de mesaje catre mai multi consumatori, ceea ce faciliteaza initializarea initiala a sistemului.

Cel mai simplu dispozitiv electric este un releu electromagnetic. Însă izolarea galvanică bazată pe acest dispozitiv are o inerție mare, dimensiuni relativ mari și poate asigura doar unui număr mic de consumatori o cantitate mare de energie consumată. Astfel de deficiențe împiedică aplicarea largă a releelor.

Izolarea galvanică push-pull poate reduce semnificativ cantitatea de energie electrică utilizată în modul de încărcare completă, îmbunătățind astfel performanța economică a dispozitivelor.

Decuplare push-pull

Datorită utilizării izolației galvanice, este posibilă crearea unor scheme moderne de control automat, diagnosticare și control cu ​​siguranță, fiabilitate și stabilitate înaltă a funcționării.

plastic-product.ru

Izolarea galvanică. Cine, dacă nu un optocupler?

Există așa ceva în electronică precum izolarea galvanică. Definiția sa clasică este transferul de energie sau semnal între circuite electrice fără contact electric. Dacă sunteți începător, atunci această formulare va părea foarte generală și chiar criptică. Dacă aveți experiență în inginerie sau doar vă amintiți bine de fizică, atunci cel mai probabil v-ați gândit deja la transformatoare și optocuple.

Articolul de sub tăietură este dedicat diverselor modalități de izolare galvanică a semnalelor digitale. Vă vom spune de ce este nevoie și cum producătorii implementează o barieră izolatoare „în interiorul” microcircuitelor moderne.

Discursul, așa cum sa menționat deja, se va concentra pe izolarea semnalelor digitale. Mai departe în text, prin izolare galvanică înțelegem transmiterea unui semnal de informare între două circuite electrice independente.

De ce este nevoie

Există trei sarcini principale care sunt rezolvate prin decuplarea unui semnal digital.

Primul lucru care îmi vine în minte este protecția de înaltă tensiune. Într-adevăr, asigurarea izolației galvanice este o cerință de siguranță pentru majoritatea aparatelor electrice. Lăsați microcontrolerul, care are în mod natural o tensiune de alimentare scăzută, să seteze semnalele de control pentru un tranzistor de putere sau alt dispozitiv de înaltă tensiune. Aceasta este mai mult decât o sarcină comună. Dacă nu există o izolare între driver, ceea ce crește semnalul de control în ceea ce privește puterea și tensiunea, și dispozitivul de control, atunci microcontrolerul riscă să se ardă pur și simplu. În plus, dispozitivele de intrare-ieșire sunt de obicei asociate cu circuite de control, ceea ce înseamnă că o persoană care apasă butonul „pornire” poate închide cu ușurință circuitul și poate primi un șoc de câteva sute de volți. Deci, izolarea galvanică a semnalului servește la proteja oamenii si echipamentele.
Nu mai puțin populară este utilizarea microcircuitelor cu o barieră izolatoare pentru a interfața circuitele electrice cu tensiuni de alimentare diferite. Totul este simplu aici: nu există o „conexiune electrică” între circuite, astfel încât semnalul, nivelurile logice ale semnalului de informare la intrarea și ieșirea microcircuitului, vor corespunde sursei de alimentare la „intrare” și „ieșire”. ” circuite, respectiv.
Izolarea galvanică este, de asemenea, utilizată pentru a crește imunitatea la zgomot a sistemelor. Una dintre principalele surse de interferență în echipamentele radio-electronice este așa-numitul fir comun, adesea corpul dispozitivului. La transmiterea informațiilor fără izolație galvanică, firul comun asigură potențialul total al emițătorului și receptorului necesar pentru transmiterea semnalului de informație. Deoarece firul comun servește de obicei ca unul dintre polii de putere, conectarea diferitelor dispozitive electronice la acesta, în special cele de putere, duce la zgomot de impuls pe termen scurt. Acestea sunt eliminate prin înlocuirea „conexiunii electrice” cu o conexiune printr-o barieră izolatoare.

Cum functioneaza

În mod tradițional, izolarea galvanică este construită pe două elemente - transformatoare și optocuple. Dacă omiteți detaliile, atunci primele sunt folosite pentru semnale analogice, iar cele din urmă pentru digitale. Luăm în considerare doar al doilea caz, așa că are sens să reamintim cititorului despre cine este un optocupler Pentru a transmite un semnal fără contact electric, se folosește o pereche de un emițător de lumină (cel mai adesea un LED) și un fotodetector. Semnalul electric de la intrare este convertit în „impulsuri de lumină”, trece prin stratul de transmitere a luminii, este recepționat de fotodetector și este convertit înapoi într-un semnal electric.

Izolarea optocuplerului a câștigat o popularitate uriașă și timp de câteva decenii a fost singura tehnologie pentru decuplarea semnalelor digitale. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea industriei semiconductoarelor, odată cu integrarea tuturor și a tuturor, au apărut microcircuite care implementează o barieră izolatoare în detrimentul altor tehnologii, mai moderne. Izolatoarele digitale sunt microcircuite care furnizează unul sau mai multe canale izolate, fiecare dintre acestea depășind un optocupler în ceea ce privește viteza și precizia transmisiei semnalului, în ceea ce privește imunitate la zgomot și, cel mai adesea, în ceea ce privește costul pe canal.

Bariera de izolare a izolatoarelor digitale este fabricată folosind diverse tehnologii. Cunoscuta companie Analog Devices folosește un transformator de impulsuri ca barieră în izolatoarele digitale ADUM. În interiorul carcasei microcircuitului sunt două cristale și, realizate separat pe o peliculă de polimidă, un transformator de impulsuri. Transmițătorul cu cristale generează două impulsuri scurte de-a lungul faței semnalului de informații și un impuls de-a lungul declinului semnalului de informații. Transformatorul de impulsuri permite, cu o ușoară întârziere, să primească impulsuri pe cristalul transmițător, care sunt apoi convertite înapoi.

Tehnologia descrisă este utilizată cu succes în implementarea izolației galvanice, în multe privințe superioară optocuplelor, cu toate acestea, are o serie de dezavantaje asociate cu sensibilitatea transformatorului la interferențe și riscul de distorsiune atunci când se lucrează cu impulsuri scurte de intrare.

Un nivel mult mai ridicat de rezistență la interferență este asigurat în microcircuite, unde bariera de izolare este implementată pe capacități. Utilizarea condensatoarelor face posibilă excluderea cuplării curentului continuu între receptor și transmițător, care în circuitele de semnal este echivalentă cu izolarea galvanică.

Dacă ultima propoziție te-a entuziasmat .. Dacă simți o dorință arzătoare de a țipa că nu poate exista izolație galvanică pe condensatoare, atunci recomand să vizitezi fire ca acesta. Când mânia îți scade, reține că toată această controversă datează din 2006. Acolo, ca în 2007, noi, după cum știți, nu ne vom mai întoarce. Iar izolatoarele cu barieră capacitivă sunt fabricate de mult timp, folosite și funcționează perfect.

Avantajele decuplării capacitive sunt eficiența energetică ridicată, dimensiunile reduse și rezistența la câmpurile magnetice externe. Acest lucru vă permite să creați izolatori integrati cu costuri reduse, cu fiabilitate ridicată. Sunt produse de două companii - Texas Instruments și Silicon Labs. Aceste companii folosesc tehnologii diferite pentru crearea unui canal, cu toate acestea, în ambele cazuri, dioxidul de siliciu este folosit ca dielectric. Acest material are o rezistență electrică ridicată și este folosit de câteva decenii la fabricarea microcircuitelor. Drept urmare, SiO2 este ușor de integrat în cristal, iar un strat dielectric de câțiva micrometri grosime este suficient pentru a asigura o tensiune de izolare de câțiva kilovolți.Pe unul (pentru Texas Instruments) sau ambele (pentru Silicon Labs) sunt amplasate plăcuțe de condensator. Cristalele sunt conectate prin aceste pad-uri, astfel încât semnalul de informație trece de la receptor la transmițător prin bariera de izolare.Deși Texas Instruments și Silicon Labs folosesc tehnologii foarte asemănătoare pentru integrarea barierei capacitive pe cip, ele folosesc principii complet diferite pentru transmitere. semnalul de informare.

Fiecare canal izolat la Texas Instruments este un circuit relativ complex.

Luați în considerare „jumătatea inferioară”. Semnalul de informare este transmis lanțurilor RC, din care sunt preluate impulsuri scurte de-a lungul muchiilor de creștere și de descreștere ale semnalului de intrare, iar semnalul este restabilit folosind aceste impulsuri. Acest mod de trecere a barierei capacitive nu este potrivit pentru semnale cu schimbare lentă (frecvență joasă). Producătorul rezolvă această problemă prin duplicarea canalelor - „jumătatea inferioară” a circuitului este un canal de înaltă frecvență și este destinat semnalelor de la 100 Kbps. Semnalele sub 100 kbps sunt procesate în „jumătatea superioară” a circuitului. Semnalul de intrare este supus unei modulații preliminare PWM cu o frecvență mare de ceas, semnalul modulat este alimentat bariera de izolare, semnalul este restabilit prin impulsuri din lanțurile RC și ulterior demodulat. Circuitul decizional de la ieșirea canalului izolat „decide” din ce „jumătate” semnalul trebuie trimis la ieșirea microcircuitului.

După cum puteți vedea în diagrama canalului izolator Texas Instruments, atât canalele de joasă frecvență, cât și cele de înaltă frecvență folosesc semnalizare diferențială. Permiteți-mi să reamintesc cititorului esența sa.

Transmisia diferențială este o modalitate simplă și eficientă de a proteja împotriva zgomotului în modul comun. Semnalul de intrare de pe partea transmițătorului este „împărțit” în două semnale V+ și V- inverse unul față de celălalt, care sunt în mod egal afectate de interferența în modul comun de natură diferită. Receptorul scade semnalele si ca urmare zgomotul Vsp este eliminat.

Transmisia diferențială este folosită și în izolatoarele digitale de la Silicon Labs. Aceste microcircuite au o structură mai simplă și mai fiabilă. Pentru a trece prin bariera capacitivă, semnalul de intrare este supus unei modulații OOK (On-Off Keyring) de înaltă frecvență. Cu alte cuvinte, „unul” din semnalul de informare este codificat prin prezența unui semnal de înaltă frecvență, iar „zero” - prin absența unui semnal de înaltă frecvență. Semnalul modulat trece fără distorsiuni printr-o pereche de capacități și este restabilit pe partea transmițătorului.

În acest articol, ne vom concentra în primul rând pe izolarea optică a unui semnal analogic. Se va lua în considerare o opțiune bugetară. De asemenea, atenția principală este acordată vitezei soluției circuitului.

Metode de decuplare a unui semnal analogic

O mică recenzie. Există trei moduri principale de a izola galvanic un semnal analogic: transformator, optic și condensator. Primele două au găsit cea mai mare utilizare. Astăzi, există o întreagă clasă de dispozitive numite amplificatoare de izolare sau amplificatoare de decuplare (Isolated Amplifier). Astfel de dispozitive transmit un semnal prin conversia acestuia (există un modulator de semnal și un demodulator în circuit).

Fig.1. Schema generală a amplificatoarelor de izolare.

Există dispozitive atât pentru transmiterea unui semnal analog de tensiune (ADUM3190, ACPL-C87), cât și dispozitive specializate pentru conectarea directă la un șunt de curent (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). În acest articol, nu vom lua în considerare dispozitivele scumpe, dar vom enumera câteva dintre ele: iso100, iso124, ad202..ad215 etc.

Există și o altă clasă de dispozitive - amplificatoare optice de decuplare cu feedback de liniarizare (Linear Optocoupler) aceste dispozitive includ il300, loc110, hcnr201. Principiul de funcționare al acestor dispozitive este ușor de înțeles analizând schema lor tipică de conectare.

Fig.2. Circuit tipic pentru decuplarea amplificatoarelor optice.

Pentru mai multe informații despre Amplificatoare de izolare, puteți citi: A. J. Peyton, W. Walsh „Electronică analogică cu amplificatoare operaționale” (Capitolul 2), și documentul AN614 „O alternativă simplă la amplificatoarele de izolare analogică” de la laboratoarele de siliciu, există o bună tabel comparativ. Ambele surse sunt disponibile online.

Microcipuri speciale pentru izolarea semnalului optic

Acum la afaceri! Pentru început, să comparăm trei microcircuite specializate: il300, loc110, hcnr201. Conectat după aceeași schemă:

Fig.3. Circuit de testare pentru il300, hcnr201 si loc110.

Diferența este doar în ratingurile pentru il300, hcnr201 R1, R3=30k, R2=100R și, respectiv, pentru loc110 10k și 200R (am selectat diferite rating pentru a obține performanțe maxime, dar în același timp să nu depășesc limitele permise , de exemplu, de curentul diodei emitatoare ). Mai jos sunt forme de undă care vorbesc de la sine (în continuare: albastru este semnalul de intrare, galben este semnalul de ieșire).

Fig.4. Oscilograma tranzitoriului il300.

Fig.5. Forma de undă tranzitorie Hcnr201.

Fig.6. Forma de undă tranzitorieloc110.

Acum luați în considerare cipul ACPL-C87B (gama semnalului de intrare 0..2V). Sincer să fiu cu ea, m-am agitat mult timp. Aveam doua microcircuite disponibile, dupa ce am obtinut un rezultat neasteptat la primul, pe al doilea l-am manevrat cu mare atentie, mai ales la lipire. Am colectat totul conform schemei indicate în documentație:

Fig.7. Schema tipica pentruACPL— C87 din documentație.

Rezultatul este același. Am lipit condensatori ceramici direct lângă picioarele de alimentare, am schimbat op-amp-ul (desigur că l-am verificat pe alte circuite), am reasamblat circuitul etc. Care este de fapt problema: semnalul de ieșire are fluctuații semnificative.

Fig.8. Forma de undă tranzitorieACPL— C87.

În ciuda faptului că producătorul promite un nivel de zgomot al semnalului de ieșire de 0,013 mVrms, iar pentru opțiunea „B” precizia este de ±0,5%. Ce s-a întâmplat? Poate o greșeală în documentație, pentru că este greu de crezut în 0,013 mVrms. Neclar. Dar să ne uităm la coloana Condiții de testare / Note de lângă Vout Noise și la Fig. 12 a documentației:

Fig.9. Dependența nivelului de zgomot de mărimea semnalului de intrare și de frecvența filtrului de ieșire.

Aici imaginea devine puțin mai clară. Se pare că producătorul ne spune că putem înăbuși aceste zgomote prin filtrul low-pass. Ei bine, multumesc pentru sfat (ironic). De ce toate acestea s-au dovedit într-un mod atât de viclean. Cel mai probabil este clar de ce. Mai jos sunt grafice fără și cu filtru RC de ieșire (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Fig.10. Forma de undă tranzitorieACPL— C87 fără și cu filtru de ieșire.

Utilizarea optocuplelor de uz general pentru decuplarea semnalului

Acum să trecem la cele mai interesante. Mai jos sunt diagramele pe care le-am găsit pe internet.

Fig.11. O schemă tipică pentru decuplarea optică a unui semnal analogic pe două optocuptoare.

Fig.12. O schemă tipică pentru decuplarea optică a unui semnal analogic pe două optocuptoare.

Fig.13. O schemă tipică pentru decuplarea optică a unui semnal analogic pe două optocuptoare.

Această soluție are atât avantaje, cât și dezavantaje. Avantajul este o tensiune de izolație mai mare, dezavantajul este că două microcircuite pot diferi semnificativ în parametri, prin urmare, apropo, se recomandă utilizarea microcircuitelor din același lot.

Am asamblat acest circuit pe un cip 6n136:

Fig.14. Decuplarea formei de undă tranzitorie la 6N136.

A funcționat, dar încet. Am incercat sa asamblez pe alte microcircuite (cum ar fi sfh615), se pare, dar si incet. Aveam nevoie mai repede. În plus, adesea circuitul nu funcționează din cauza auto-oscilațiilor care apar (în astfel de cazuri se spune că ACS este instabil))) Ajută la creșterea valorii condensatorului C2 fig. şaisprezece.

Un prieten a sfătuit un optocupler casnic AOD130A. Rezultat fata:

Fig.15. Oscilograma decuplării tranzitorii pe AOD130A.

Și iată diagrama:

Fig.16: Diagrama de decuplare la AOD130A.

Este necesar un potențiometru (RV1 sau RV2), în funcție de faptul dacă semnalul de ieșire este mai mic sau mai mare decât intrarea. În principiu, se putea pune în serie doar un RV=2k cu R3=4,7k, sau chiar să se lase doar RV2=10k fără R3. Principiul este clar: să se poată ajusta în jur de 5k.

Cip de izolare a transformatorului de semnal

Să trecem la opțiunea transformatorului. Microcircuitul ADUM3190 este disponibil in doua versiuni la 200 si 400 kHz (am ADUM3190TRQZ la 400), exista si un microcircuit pentru o tensiune de izolare mai mare ADUM4190. Observ că carcasa este cea mai mică dintre toate - QSOP16. Tensiune de ieșire Eaout de la 0,4 la 2,4 V. În microcircuitul meu, tensiunea de polarizare de ieșire este de aproximativ 100 mV (văzută în oscilograma din Fig. 18). În general, funcționează bine, dar personal nu sunt pe deplin mulțumit de domeniul de tensiune de ieșire. Asamblat conform schemei din documentație:

Fig.17. Diagrama ADUM3190 din documentație.

Câteva forme de undă:

Fig.18. Oscilograma tranzitoriului ADUM3190.

Rezultate

Rezuma. După părerea mea, cea mai bună opțiune este schema pentru ADO130A domestic (de unde tocmai le-au luat?!). Și, în sfârșit, un mic tabel comparativ:

Chip	tr+întârziere (după oscilatoare), µs	tf+întârziere (după oscilatoare), µs	Gamă tensiune, V	Voltaj izolație, V	Zgomot (oscil.) mVp-p.	Preț** pe bucată, r (05.2018)
IL300	10	15	0-3*	4400	20	150
HCNR201	15	15	0-3*	1414	25	150
LOC110	4	6	0-3*	3750	15	150
ACPL-C87B	15	15	0-2	1230	nd	500
6N136	10	8	0-3*	2500	15	50
AOD130A	2	3	0.01-3*	1500	10	90
ADUM3190T	2	2	0.4-2.4	2500	20	210

*- aproximativ (conform circuitului asamblat cu optimizarea vitezei)

** - prețul mediu pentru minim.
Iaroslav Vlasov

P.S. AOD130A fabricat de Proton OJSC (gravat cu logo-ul lor într-o carcasă neagră) este unul bun. Cele vechi (anii 90 într-o carcasă maro) nu sunt bune.