Сучасне життя немислиме без телебачення. У багатьох квартирах можна зустріти по два, а іноді й по три телевізійні приймачі. Особливо популярне кабельне ТБ. Але як бути, якщо необхідно підключити кілька телевізорів до одного антеного кабелю? Звичайно скористатися «китайським» двійником або навіть трійником.

Наприклад, таким як цей:

Саме такий двійник-розгалужувач я встановив на два телевізори для прийому каналів кабельного телебачення. Однак якість прийому залишала бажати кращого, якщо канали першого метрового діапазону показували непогано, то канали другого і діапазону ДМВ приймалися з сильним загасанням сигналу. Розібравши розгалужувач, я виявив у ньому невелике феритове подвійне кільце і кілька витків одножильного дроту:

Пристрій є високочастотним трансформатором з протифазним намотуванням обмоток. І за ідеєю воно повинно виключати взаємний вплив вхідних ланцюгів прийому ВЧ сигналу, але за фактом лише послаблювало його, мабуть за рахунок того, що була гальванічна зв'язок

Я вирішив замінити трансформатор звичайними керамічними ємностями (червоними прапорцями) номіналом у кілька пікофарадів, тим самим виключити цей гальванічну зв'язок:

На мій подив не було межі, обидва телевізори показували так, ніби працював тільки один, тобто. ні найменшого натяку на взаємний вплив та відмінний прийом на всіх діапазонах.

Ємності вмістилися в корпусі спліттера:

Єдине, за що я лаю себе - чому ця ідея не спала мені на думку раніше.

Цикл статей складається з трьох частин:

Перешкоди у схемах.

У процесі нормальної роботи електронного пристрою можуть виникати перешкоди у схемі.

Перешкоди можуть не тільки перешкоджати нормальній роботі пристрою, але й призвести до повного виходу з ладу.

Рис. 1. Перешкоди у корисному сигналі.

Побачити перешкоди можна на екрані осцилографа, включивши його до досліджуваної частини схеми (Рис. 1). Тривалість перешкод може бути як дуже маленькою (одиниці наносекунд, так звані голки), так і дуже великою (кілька секунд). Форма та полярність перешкод теж буває різна.
Поширення (проходження) перешкод відбувається не тільки за провідними з'єднаннями схеми, але іноді навіть і між частинами схеми, не з'єднаними проводками. Крім того, перешкоди можуть накладатися, сумуватися один з одним. Так, поодинока слабка перешкода може викликати збою у схемі пристрою, але одночасне скупчення кількох слабких випадкових перешкод призводить до неправильної роботі пристрою. Цей факт багато разів ускладнюють пошук і усунення перешкод, оскільки вони набувають ще більш випадкового характеру.

Джерела перешкод можна грубо розділити:

• Зовнішнє джерело перешкод.Джерело сильного електромагнітного або електростатичного поля, що знаходиться поруч із пристроєм, може призвести до збоїв в електронному пристрої. Наприклад, розряд блискавки, релейна комутація великих струмів або робота електрозварювання.
• Внутрішнє джерело перешкод.Наприклад, при включенні/вимкненні навантаження з реактивним опором (електромотора або електромагніту) у пристрої може відбуватися збій у роботі решти схеми. Неправильний алгоритм програми також може бути джерелом внутрішніх перешкод.

Для захисту від зовнішніх перешкод конструкцію або окремі її частини поміщають у металевий або електромагнітний екран, а також застосовують схемні рішення з меншою чутливістю до зовнішніх перешкод. Від внутрішніх перешкод допомагає застосування фільтрів, оптимізація алгоритму роботи, зміна побудови всієї схеми та розташування її частин щодо один одного.
Дуже елегантним вважається не безрозбірне придушення всіх перешкод, а свідомий напрямок їх у ті місця схеми, де вони згаснуть, не завдавши шкоди. У ряді випадків такий шлях набагато простіший, компактніший і дешевший.

Оцінка ймовірності появи перешкод у схемах та шляхи їх запобігання – завдання не просте, що вимагає теоретичних знань та практичного досвіду. Але з твердістю можна сказати, що ймовірність появи перешкоди зростає:

• зі збільшенням комутованого струму або напруги в ланцюзі,
• зі збільшенням чутливості частин схеми,
• зі збільшенням швидкодії застосованих деталей.

Щоб не переробляти готову конструкцію із-за частих збоїв, краще вже на стадії проектування схеми ознайомитися з можливими джерелами та шляхами поширення перешкод. Так як близько половини всіх проявів перешкод пов'язані з "поганим" харчуванням, то починати проектувати пристрій найкраще з вибору способу живлення його частин.

Перешкоди з ланцюгів живлення.

На малюнку 2 представлена ​​типова блок-схема якогось електронного пристрою, яке складається з джерела живлення, схеми управління, драйвера та виконавчого пристрою.
За такою схемою побудовано більшість найпростіших роботів із серії на цьому сайті.

Рис. 2. Спільне харчування керуючої та силової частини.

У таких схемах можна умовно виділити дві частини: керуючу та силову. Керівна частина споживає мало струму і містить будь-які контролюючі або обчислювальні схеми. Силова частина споживає значно більше струму і до неї входить утримувач та кінцеве навантаження.
Розглянемо кожну частину схеми докладніше.

Рис. 2 a.

Джерело живлення(Рис. 2 а.) може бути "батарейки" або мережевий трансформаторний блок живлення. До джерела живлення також може входити стабілізатор напруги та невеликий фільтр.

Рис. 2 б.

Схема керування- це частина схеми (Мал. 2 б.), де проситься обробка будь-якої інформації відповідно до роботи алгоритму. Сюди ж можуть надходити сигнали із зовнішніх джерел, наприклад, з будь-яких сенсорів. Сама схема управління може бути зібрана із застосуванням мікроконтролерів або інших мікросхем, або на дисретних елементах.

Лінії зв'язкупросто з'єднують схему управління з драйвером виконавчим пристроєм, тобто просто проводки або доріжки друкованої плати.

Рис. 2 ст.

Виконавчий пристрій(Мал. 2 ст.) часто являє собою механізм, який перетворює електричний сигнал на механічну роботу, наприклад електромотор або електромагніт. Тобто виконавчий пристрій перетворює електричний струм на інший вид енергії і зазвичай споживає відносно великий струм.

Рис. 2 р.

Оскільки сигнал від схеми керування дуже слабкий, тому драйвер або підсилювач(Мал. 2 р.) є невід'ємною частиною багатьох схем. Драйвер може бути виконаний, наприклад, на одному транзисторі або спеціальній мікросхемі, в залежності від типу виконавчого пристрою.


Як правило, основним джерелом сильних перешкод є виконавчий пристрій. Перешкода, що з'явилася, пройшовши через драйвер, поширюється і далі по шині живлення (Перешкода на Рис. 2 показана схематично помаранчевою стрілкою). Оскільки схема управління запитана від джерела живлення, то велика ймовірність впливу цієї перешкоди і неї. Тобто, наприклад, перешкода, з'явившись у моторі, пройде через драйвер і може призвести до збою у схемі керування.
У простих схемах досить достатньо поставити паралельно з джерелом живлення конденсатор великої ємності близько 1000 мкФ і керамічний 0,1 мкФ. Вони виконуватимуть роль найпростішого фільтра. У схемах зі струмами споживання близько 1 ампера і більше для захисту від сильних перешкод складної форми доведеться ставити громіздкий, складний фільтр, але це не завжди допомагає.
У багатьох схемах найпростішим способом позбутися впливу перешкод допомагає застосування окремих джерел живлення для керуючої та силової частини схеми, тобто застосування так званого роздільного харчування.
Хоча роздільне харчування застосовують не лише для боротьби із перешкодами.

Роздільне харчування.

Рис. 3 наведена блок-схема якогось пристрою. У цій схемі використовують два джерела живлення. Силова частина схеми запитана від джерела живлення 1, А схема управління - від джерела живлення 2. Обидва джерела живлення з'єднані одним з полюсів, цей провід є загальним для всієї схеми і щодо нього передаються сигнали лінії зв'язку.

Рис. 3. Роздільна живлення керуючої та силової частини.

На перший погляд, така схема з двома джерелами живлення виглядає громіздкою і складною. Насправді подібні схеми з роздільним харчуванням використовуються, наприклад, 95% всієї побутової апаратури. Роздільні джерела живлення там є лише різні обмотки трансформаторів з різною напругою і струмом. Це ще одна перевага схем з роздільним живленням: в одному пристрої можна використовувати кілька блоків з різною напругою живлення. Наприклад, для контролера використовувати 5 вольт, а для мотора – 10-15 вольт.
Якщо придивитися до схеми Рис. 3, то видно, що перешкода з силової частини немає можливості потрапити в керуючу частину по лінії живлення. Отже, повністю відпадає необхідність її придушувати чи фільтрувати.

Рис. 4. Роздільна живлення зі стабілізатором.

У пересувних конструкціях, наприклад, мобільних роботах, через габарити не завжди зручно використовувати два блоки батарейок. Тому роздільне живлення можна побудувати із застосуванням одного блоку батарейок. Схема керування при цьому живиться від основного джерела живлення через стабілізатор з малопотужним фільтром. 4. У цій схемі необхідно врахувати падіння напруги на стабілізаторі обраного типу. Зазвичай застосовується блок батарей із вищою напругою, ніж необхідне схеми управління напруга. Працездатність схеми у разі зберігається і за частковому розряді батарей.

Рис. 5. L293 при роздільному живленні.

Багато мікросхем-драйверів відразу спеціально розраховані на використання в схемах з роздільним харчуванням. Наприклад, широко відома мікросхема драйвера L293 ( Рис. 5) має висновок Vss- для живлення схеми управління (Logic Supply Voltage) та виведення Vs- для живлення кінцевих каскадів силового драйвера (Supply Voltage або Output Supply Voltage).
У всіх конструкціях роботів з мікроконтролером або логічною мікросхемою із серії можна включити L293 схемою з роздільним живленням. При цьому напруга живлення силової частини (напруга для моторів) може бути в межах від 4,5 до 36 вольт, а напруга на Vss можна подати те ж, що і живлення мікроконтролера або логічної мікросхеми (зазвичай 5 вольт).

Якщо живлення керуючої частини (мікроконтролера або логічної мікросхеми) відбувається через стабілізатор, а живлення силової частини береться безпосередньо від блоку батарей, це дозволяє значно заощадити втрати енергії. Так як стабілізатор живитиме лише схему управління, а не всю конструкцію. Це - ще одна перевага роздільного харчування: економія енергії.

Якщо подивитися ще раз на схему малюнка 3, можна помітити, що крім загального дроту (GND) силову частину зі схемою управління з'єднують ще й лінії зв'язку. По цих дротах у деяких випадках теж можуть проходити перешкоди із силової частини усередину схеми управління. Крім того ці лінії зв'язку часто сильно схильні до електромагнітних впливів ("наведенням"). Позбутися раз і завжди від цих шкідливих явищ можна, застосувавши так звану гальванічну розв'язку.
Хоча гальванічну розв'язку застосовують також не тільки для боротьби з перешкодами.

Гальванічна розв'язка.

На перший погляд, таке визначення може здатися неймовірним!
Як можна передати сигнал без контакту?
Насправді, є навіть два способи, які це дозволяють.

Рис. 6.

Оптичний спосіб передачі сигналупобудований на явище фоточутливості напівпровідників. Для цього застосовується пара із світлодіода та фоточутливого приладу (фототранзистор, фотодіод), рис 6.

Рис. 7.

Пара світлодіод-фотоприймач ізольовано розташовані в одному корпусі навпроти один одного. Така деталь так і називається оптопара(зарубіжна назва optocopler), рис 7.
Якщо через світлодіод оптопари пропустити струм, то опір вбудованого фотоприймача змінюватиметься. Так відбувається безконтактна передача сигналу, так як світлодіод повністю ізольований від фотоприймача.
На кожну лінію передачі сигналу потрібна окрема оптопара. Частота сигналу, що передається оптичним способом, може лежати в межах від нуля до декількох десятків-сотень кілогерц.

Рис. 8.

Індуктивний спосіб передачі сигналуґрунтується на явищі електромагнітної індукції у трансформаторі. При зміні струму в одній із обмоток трансформатора відбувається зміна струму в іншій його обмотці. Таким чином, сигнал передається з першої обмотки в другу (рис. 8). Такий зв'язок між обмотками ще називають трансформатороною, А трансформатор для гальванорозв'язки іноді називають розділовий трансформатор.

Рис. 9.

Конструктивно трансформатори зазвичай виконані на кільцевому феритовому сердечнику, а обмотки містять кілька десятків витків дроту (рис. 9). Незважаючи на складність такого трансформатора, що здається, його можна виготовити самостійно за кілька хвилин. Також продаються і готові малогабаритні трансформатори для гальванічної розв'язки.
На кожну лінію передачі сигналу потрібен такий окремий трансформатор. Частота сигналу, що передається, може лежати в межах від декількох десятків герц до сотень-тисяч мегагерц.

Залежно від типу сигналу, що передається, і вимог до схеми можна вибрати або трансформаторну, або оптичну гальваноразв'язку. У схемах з гальванічною розв'язкою з обох сторін для узгодження (зв'язування, сполучення) з рештою схеми часто ставлять спеціальні перетворювачі.

Розглянемо тепер блок-схему з використанням гальванічної розв'язки між керуючої та силовою частиною малюнку 10.

Рис. 10. Роздільна живлення та гальванічна розв'язка каналу зв'язку.

За цією схемою видно, що будь-які перешкоди з силової частини не мають можливості проникнути в керуючу частину, так як електричного контакту між частинами схеми не існує.
Відсутність електричного контакту між частинами схеми у разі гальванорозв'язки дозволяє безпечно керувати виконавчими механізмами з високовольтним живленням. Наприклад, якийсь пульт управління з живленням від декількох вольт може бути гальванічно розділений від фазової напруги мережі в кілька сотень вольт, що підвищує безпеку для обслуговуючого персоналу. Це є важливою перевагою схем із гальванорозв'язкою.

Схеми управління з гальванорозв'язкою практично завжди можна зустріти у відповідальних пристроях, а також у імпульсних блоках живлення. Особливо там, де є хоч найменша ймовірність появи перешкод. Але навіть у аматорських пристроях гальванічна розв'язка знаходить застосування. Оскільки невелике ускладнення схеми гальванорозв'язкою приносить повну впевненість у безперебійній роботі пристрою.

Для комутації навантажень у ланцюгах змінного струму останнім часом все частіше стали застосовуватися схеми з використанням потужних польових транзисторів. Цей клас приладів представлений двома групами. До першої віднесено біполярні транзистори з ізольованим затвором – БТІЗ. Західна абревіатура – ​​IGBT.

До другої, найчисленнішої увійшли традиційні польові (канальні) транзистори. До цієї групи відносяться транзистори КП707 (див. таблицю 1), на яких і зібраний комутатор навантаження для мережі 220 вольт.

Первинна мережа змінного струму дуже небезпечна річ у всіх відношеннях. Тому існує багато схемних рішень, що дозволяють уникнути керування навантаженнями у мережі безпосередньо. Раніше для цих цілей використовувалися розділові трансформатори, нині їм на зміну прийшли різноманітні оптрони.

Транзисторний ключ із оптичною розв'язкою

Схема, що вже стала типовою, показано малюнку 1.


Дана схема дозволяє гальванічно розв'язати керуючі ланцюги та ланцюг первинної мережі 220 вольт. Як елемент, що розв'язує, застосований оптрон TLP521. Можна застосувати й інші імпортні чи вітчизняні транзисторні оптрони. Схема проста і працює в такий спосіб. Код напруги на вхідних клемах дорівнює нулю, світлодіод оптрона не світиться, транзистор оптрона закритий і не шунтує затвор потужних комутувальних транзисторів. Таким чином, на їх затворах присутній напругу, що відкриває, рівне напрузі стабілізації стабілітрона VD1. У цьому випадку транзистори відкриті та працюють по черзі, залежно від полярності напруги на даний момент часу. Припусти, на вихідному виведенні схеми 4 є плюс, а на клемі 3 – мінус. Тоді струм навантаження потіче від клеми 3 до клеми 5, через навантаження до клеми 6, далі через внутрішній захисний діод транзистора VT2, через відкритий транзистор VT1 до клеми 4. При зміні полярності напруги живлення, струм навантаження потече вже через діод транзи VT2. Елементи схеми R3, R3, C1 і VD1 не що інше, як безтрансформаторне джерело живлення. Номінал резистора R1 відповідає вхідній напрузі п'ять вольт і може бути змінений за необхідності.

Вся схема виконана як функціонально закінченого блочка. Елементи схеми встановлені на невеликій П-подібній друкованій платі, показаній на малюнку 2.


Сама плата одним гвинтом кріпиться до пластини з алюмінію з розмірами 56х43х6 мм, що є первинним тепловідведенням. До неї через теплопровідну пасту і слюдяні ізолюючі прокладки за допомогою гвинтів з втулками кріпляться і потужні транзистори VT1 ​​і VT2. Кутові отвори звіряться і в платі і пластині і служать, при необхідності, для кріплення блоку до іншого більш потужного тепловідведення.

Гальванічна розв'язка. Оптронна розв'язка схема

ЩО ТАКЕ OPTOCOUPLER

Optocoupler, також відомий як оптрон, є радіоелектронним компонентом, який передає електричні сигнали між двома ізольованими електричними ланцюгами за допомогою інфрачервоного світла. Як ізолятор, оптрон може запобігти проходженню високої напруги по ланцюгу. Передача сигналів через світловий бар'єр відбувається за допомогою ІЧ-світлодіода та світлочутливого елемента, наприклад, фототранзистора, є основою структури оптрона. Оптрони доступні в різних моделях та внутрішніх конфігураціях. Один з найпоширеніших - ІЧ-діод та фототранзистор разом у 4-вивідному корпусі, показаний на малюнку. Певні параметри не повинні перевищуватись у процесі експлуатації. Ці максимальні значення застосовуються разом із графіками, щоб правильно спроектувати режим роботи. На вхідній стороні інфрачервоний випромінюючий діод має деякий максимальний прямий струм і напруга, перевищення якого призведе до згоряння випромінюючого елемента. Але й надто малий сигнал не зможе змусити світитися його, і не дозволить передати імпульс далі ланцюгом. Переваги оптронів можливість забезпечення гальванічної розв'язки між входом та виходом; для оптронів не існує будь-яких принципових фізичних або конструктивних обмежень по досягненню скільки завгодно високих напруг і опорів розв'язки і скільки завгодно малої прохідної ємності; можливість реалізації безконтактного оптичного управління електронними об'єктами та обумовлені цим різноманітність та гнучкість конструкторських рішень керуючих ланцюгів; односпрямованість поширення інформації з оптичного каналу, відсутність зворотної реакції приймача на випромінювач; широка частотна смуга пропускання оптрона; відсутність обмеження з боку низьких частот; можливість передачі оптронного ланцюга, як імпульсного сигналу, так і постійної складової; можливість управління вихідним сигналом оптрона шляхом впливу на матеріал оптичного каналу і можливість створення різноманітних датчиків, а також різноманітних приладів для передачі інформації; можливість створення функціональних мікроелектронних пристроїв із фотоприймачами, характеристики яких при освітленні змінюються за складним заданим законом; несприйнятливість оптичних каналів зв'язку до впливу електромагнітних полів, що зумовлює їхню захищеність від перешкод та витоку інформації, а також виключає взаємні наведення; фізична та конструктивно-технологічна сумісність з іншими напівпровідниковими та радіоелектронними приладами. Недоліки оптронів значна споживана потужність, обумовлена ​​необхідністю подвійного перетворення енергії (електрика – світло – електрика) та невисокими ККД цих переходів; підвищена чутливість параметрів та характеристик до впливу підвищеної температури та проникаючої радіації; тимчасова деградація параметрів optocoupler; щодо високий рівень власних шумів, зумовлений, як і два попередні недоліки, особливостями фізики світлодіодів; складність реалізації зворотних зв'язків, викликана електричною роз'єднаністю вхідний та вихідний ланцюгів; конструктивно-технологічне недосконалість, пов'язане з використанням гібридної непланарної технології, з необхідністю об'єднання в одному приладі кількох - окремих кристалів із різних напівпровідників, що розташовуються у різних площинах. Застосування оптронів Як елементи гальванічної розв'язки оптрони застосовуються: для зв'язку блоків апаратури, між якими є значна різниця потенціалів; для захисту вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв від перешкод та наведень. Інша найважливіша сфера застосування оптронів - оптичне, безконтактне управління сильноточними та високовольтними ланцюгами. Запуск потужних тиристорів, симісторів, керування електромеханічними релейними пристроями. Імпульсні блоки живлення. Створення "довгих" оптронів (приладів із протяжним гнучким волоконно-оптичним світловодом) відкрило абсолютно новий напрямок застосування виробів оптронної техніки - зв'язок на коротких відстанях. Різні оптрони знаходять застосування і радіотехнічних схемах модуляції, автоматичного регулювання посилення та інших. Вплив оптичним каналом використовується тут для виведення схеми в оптимальний робочий режим, для безконтактної перебудови режиму. Можливість зміни властивостей оптичного каналу при різних зовнішніх впливах на нього дозволяє створити цілу серію оптронних датчиків: такими є датчики вологості та загазованості, датчики наявності в обсязі тієї чи іншої рідини, датчики чистоти обробки поверхні предмета, швидкості його переміщення. Універсальність оптронів як елементів гальванічної розв'язки та безконтактного управління, різноманітність та унікальність багатьох інших функцій є причиною того, що сферами застосування optocoupler стали обчислювальна техніка, автоматика, зв'язкова та радіотехнічна апаратура, автоматизовані системи управління, вимірювальна техніка, системи контролю та регулювання, медична електроніка пристрої візуального відображення інформації. Докладніше про різні типи оптронів читайте у цьому документі.

elwo.ru

Гальванічна розв'язка: принципи та схему

Гальванічна розв'язка - принцип електроізоляції ланцюга струму, що розглядається, по відношенню до інших ланцюгів, які присутні в одному пристрої і покращує технічні показники. Гальванічна ізоляція використовується для вирішення наступних завдань:

1. Досягнення незалежності сигнального ланцюга. Застосовується під час підключення різних приладів та пристроїв, що забезпечує незалежності електричного сигнального контуру щодо струмів, що виникають під час з'єднання різнотипних приладів. Незалежний гальванічний зв'язок вирішує проблеми електромагнітної сумісності, зменшує вплив перешкод, покращує показники співвідношення сигнал/шум у сигнальних ланцюгах, підвищує фактичну точність вимірювання процесів, що протікають. Гальванічна розв'язка із ізольованим входом та виходом сприяє сумісності приладів із різними пристроями при складних параметрах електромагнітної обстановки. Багатоканальні вимірювальні прилади мають групову чи канальну розв'язки. Розв'язка може бути єдиною для кількох каналів вимірювання або поканальною для кожного каналу автономно.
2. Виконання вимог чинного ГОСТу 52319-2005 з електробезпеки. Стандарт регламентує стійкість ізоляції в електричному устаткуванні керування та вимірювання. Гальванічна розв'язка розглядається як один із комплексу заходів щодо забезпечення електробезпеки, повинна працювати паралельно з іншими методами захисту (заземлення, ланцюги обмеження напруги та сили струму, запобіжна арматура тощо).

Розв'язка може забезпечуватись різними методами та технічними засобами: гальванічні ванни, індуктивні трансформатори, цифрові ізолятори, електромеханічні реле.

Схеми рішень гальванічної розв'язки

Під час побудови складних систем для цифрової обробки сигналів, що надходять, пов'язаних з функціонуванням у промислових умовах, гальванічна розв'язка повинна вирішувати наступні завдання:

1. Захищати комп'ютерні ланцюги від впливу критичних струмів та напруг. Це важливо, якщо умови експлуатації припускають вплив на них промислових електромагнітних хвиль, існують складності із заземленням і т. д. Такі ситуації трапляються також на транспорті, що має великий фактор людського впливу. Помилки можуть бути причиною повного виходу з ладу дорогого обладнання.
2. Захищати користувачів від ураження електричним струмом. Найчастіше проблема актуальна для приладів медичного призначення.
3. Мінімізації шкідливого впливу різних перешкод. Важливий фактор у лабораторіях, що виконують точні виміри при побудові прецизійних систем на метрологічних станціях.

В даний час широке використання мають трансформаторна та оптоелектронна розв'язки.

Принцип роботи оптрона

Схема оптрона

Світловипромінюючий діод зміщується у прямому напрямку і приймає лише випромінювання від фототранзистора. За таким методом здійснюється гальванічний зв'язок ланцюгів, що мають зв'язок з одного боку зі світлодіодом та з іншого боку з фототранзистором. До переваг оптоелектронних пристроїв відноситься здатність передавати зв'язки в широкому діапазоні, можливість передачі чистих сигналів на великих частотах та невеликі лінійні розміри.

Розмножувачі електричних імпульсів

Забезпечують необхідний рівень електроізоляції, складаються з передавачів-випромінювачів, ліній зв'язку та приймальних пристроїв.

Розмножувачі імпульсів

Лінія зв'язку повинна забезпечувати необхідний рівень ізоляції сигналу, у приймальних пристроях відбувається посилення імпульсів до значень, необхідних для запуску тиристорів.

Застосування електричних трансформаторів для розв'язки підвищує надійність встановлених систем, побудованих на підставі послідовних мультикомплексних каналів у разі виходу з ладу одного з них.

Параметри мультикомплексних каналів

Повідомлення каналів складаються з інформаційних, командних або відповідних сигналів, одна з адрес вільна і використовується для виконання системних завдань. Застосування трансформаторів підвищує надійність функціонування систем, зібраних на основі послідовних мультикомплексних каналів та забезпечує роботу пристрою при виході з експлуатації кількох одержувачів. За рахунок застосування багатоступінчастого контролю передач на рівні сигналів забезпечуються високі показники перешкоди. У загальному режимі функціонування допускається надсилання повідомлень кільком споживачам, що полегшує первинну ініціалізацію системи.

Найпростіший електричний пристрій – електромагнітне реле. Але гальванічна розв'язка на основі цього приладу має високу інертність, відносно великі розміри і може забезпечити невелику кількість споживачів при великій кількості споживаної енергії. Такі недоліки перешкоджають широкому використанню реле.

Гальванічна розв'язка типу push-pull дозволяє значно зменшити кількість електричної енергії, що використовується в режимі повного навантаження, за рахунок цього покращуються економічні показники використання пристроїв.

Розв'язка типу push-pull

За рахунок використання гальванічних розв'язок вдається створювати сучасні схеми автоматичного управління, діагностики та контролю з високою безпекою, надійністю та стійкістю функціонування.

plast-product.ru

Гальванічна розв'язка. Хто, як не оптрон?

Є в електроніці таке поняття, як гальванічна розв'язка. Її класичне визначення – передача енергії чи сигналу між електричними ланцюгами без електричного контакту. Якщо ви новачок, то це формулювання здасться дуже загальним і навіть загадковим. Якщо ж ви маєте інженерний досвід або просто добре пам'ятаєте фізику, то швидше за все вже подумали про трансформатори та оптрони.

Стаття під катом присвячена різним способам гальванічної розв'язки цифрових сигналів. Розповімо навіщо воно взагалі потрібне і як виробники реалізують ізоляційний бар'єр «всередині» сучасних мікросхем.

Йдеться, як уже сказано, піде про ізоляцію цифрових сигналів. Далі по тексту під гальванічною розв'язкою розумітимемо передачу інформаційного сигналу між двома незалежними електричними ланцюгами.

Навіщо воно потрібне

Існує три основні завдання, що вирішуються розв'язкою цифрового сигналу.

Першою спадає на думку захист від високих напруг. Дійсно, забезпечення гальванічної розв'язки - це вимога, яка пред'являє техніку безпеки до більшості електроприладів. Нехай мікроконтролер, який має, природно, невелику напругу живлення, задає сигнали, що управляють, для силового транзистора або іншого пристрою високої напруги. Це більш ніж поширене завдання. Якщо між драйвером, який збільшує керуючий сигнал за потужністю та напругою, та керуючим пристроєм не виявиться ізоляції, то мікроконтролер ризикує просто згоріти. До того ж, з ланцюгами управління зазвичай пов'язані пристрої вводу-виводу, а значить і людина, що натискає кнопку «включити», легко може замкнути ланцюг і отримати удар у кілька сотень вольт. Отже, гальванічна розв'язка сигналу служить для захисту людини і техніки.
Не менш популярним є використання мікросхем з ізоляційним бар'єром для сполучення електричних ланцюгів з різною напругою живлення. Тут все просто: «електричного зв'язку» між ланцюгами немає, тому сигнал логічні рівні інформаційного сигналу на вході та виході мікросхеми відповідатимуть живленню на «вхідний» та «вихідний» ланцюгах відповідно.
Гальванічна розв'язка також використовується для підвищення стійкості до перешкод систем. Одним із основних джерел перешкод у радіоелектронній апаратурі є так званий загальний дріт, часто це корпус пристрою. При передачі інформації без гальванічної розв'язки загальний провід забезпечує необхідний передачі інформаційного сигналу загальний потенціал передавача і приймача. Оскільки зазвичай загальний провід служить одним з полюсів живлення, підключення до нього різних електронних пристроїв, особливо силових, призводить до короткочасних імпульсних перешкод. Вони виключаються під час заміни «електричного з'єднання» на з'єднання через ізоляційний бар'єр.

Як воно працює

Традиційно гальванічна розв'язка будується на двох елементах – трансформаторах та оптронах. Якщо опустити деталі, перші застосовуються для аналогових сигналів, а другі - для цифрових. Для передачі сигналу без електричного контакту використовується пара з випромінювача світла (найчастіше світлодіод) і фотодетектора. Електричний сигнал на вході перетворюється на «світлові імпульси», проходить через світлопропускний шар, приймається фотодетектором і перетворюється на електричний сигнал.

Оптронна розв'язка заслужила великої популярності і кілька десятиліть була єдиною технологією розв'язування цифрових сигналів. Однак, з розвитком напівпровідникової промисловості, з інтеграцією всього і вся, з'явилися мікросхеми, що реалізують ізоляційний бар'єр за рахунок інших, сучасніших технологій. Цифрові ізолятори - це мікросхеми, що забезпечують один або кілька ізольованих каналів, кожен з яких «обганяє» оптрон за швидкістю та точністю передачі сигналу, за рівнем стійкості до перешкод і, найчастіше, за вартістю у перерахунку на канал.

Ізоляційний бар'єр цифрових ізоляторів виготовляється за різними технологіями. Відома компанія Analog Devices у цифрових ізоляторах ADUM як бар'єр використовує імпульсний трансформатор. Усередині корпусу мікросхеми розташовано два кристали і, виконаний окремо на полімідній плівці, імпульсний трансформатор. Кристал-передавач по фронту інформаційного сигналу формує два короткі імпульси, а по спаду інформаційного сигналу - один імпульс. Імпульсний трансформатор дозволяє з невеликою затримкою отримати на кристалі-передавачі імпульси, за якими виконується зворотне перетворення.

Описана технологія успішно застосовується при реалізації гальванічної розв'язки, багато в чому перевершує оптрони, однак має ряд недоліків, пов'язаних із чутливістю трансформатора до перешкод та ризику спотворень під час роботи з короткими вхідними імпульсами.

Набагато вищий рівень стійкості до перешкод забезпечується мікросхемах, де ізоляційний бар'єр реалізується на ємностях. Використання конденсаторів дозволяє виключити зв'язок по постійному струму між приймачем і передавачем, що в сигнальних ланцюгах це еквівалентно гальванічної розв'язки.

Якщо остання пропозиція вас схвилювала.. Якщо ви відчули пекуче бажання закричати що гальванічної розв'язки на конденсаторах бути не може, то рекомендую відвідати треди на кшталт цього. Коли ваша лють вщухне, зверніть увагу, що всі ці суперечки датуються 2006 роком. Туди, як і 2007, ми, як відомо, не повернемося. А ізолятори з ємнісним бар'єром давно виробляються, використовуються і добре працюють.

Переваги ємнісної розв'язки полягають у високій енергетичній ефективності, малих габаритах та стійкості до зовнішніх магнітних полів. Це дозволяє створювати недорогі інтегральні ізолятори із високими показниками надійності. Вони випускаються двома компаніями – Texas Instruments та Silicon Labs. Ці фірми використовують різні технології створення каналу, проте в обох випадках як діелектрик використовується діоксид кремнію. Цей матеріал має високу електричну міцність і вже кілька десятиліть використовується для виробництва мікросхем. Як наслідок, SiO2 легко інтегрується в кристал, причому для забезпечення напруги ізоляції величиною в кілька кіловольт достатньо шару діелектрика товщиною в кілька мікрометрів. розташовані майданчики-конденсатори. Кристали з'єднуються через ці майданчики, таким чином інформаційний сигнал проходить від приймача до передавача через ізоляційний бар'єр.

Кожен ізольований канал у Texas Instruments є відносно складною схемою.

Розглянемо її «нижню половину». Інформаційний сигнал подається на RC-ланцюжка, з яких знімаються короткі імпульси по фронту та спаду вхідного сигналу, за цими імпульсами сигнал відновлюється. Такий спосіб проходження ємнісного бар'єру не підходить для тих, що повільно змінюються (низькочастотних) сигналів. Виробник вирішує цю проблему дублюванням каналів - нижня половина схеми є високочастотним каналом і призначається для сигналів від 100 Кбіт/сек. Сигнали з частотою нижче 100 Кбіт/сек обробляються на верхній половині схеми. Вхідний сигнал піддається попередньої ШІМ-модуляції з великою тактовою частотою, модульований сигнал подається на ізоляційний бар'єр, по імпульсах з RC-ланцюжків сигнал відновлюється і надалі демодулюється. Схема прийняття рішення на виході ізольованого каналу "вирішує" з якої "половини" слід подавати сигнал на вихід мікросхеми.

Як видно на схемі каналу ізолятора Texas Instruments, і низькочастотному, і високочастотному каналах використовується диференціальна передача сигналу. Нагадаю читачеві її суть.

Диференціальна передача - це простий та дієвий спосіб захисту від синфазних перешкод. Вхідний сигнал на стороні передавача «поділяється» на два інверсні один-другі сигнали V+ і V-, на які синфазні перешкоди різної природи впливають однаково. Приймач здійснює віднімання сигналів і в результаті перешкод Vсп виключається.

Диференціальна передача також використовується у цифрових ізоляторах Silicon Labs. Ці мікросхеми мають більш просту та надійну структуру. Для проходження через ємнісний бар'єр вхідний сигнал піддається високочастотній OOK (On-Off Keyring) модуляції. Іншими словами, "одиниця" інформаційного сигналу кодується наявністю високочастотного сигналу, а "нуль" - відсутністю високочастотного сигналу. Модульований сигнал проходить без спотворень через пару ємностей та відновлюється на боці передавача.

У цій статті йтиметься насамперед про оптичну розв'язку аналогового сигналу. Розглядатиметься бюджетний варіант. Також основна увага приділяється швидкодії схемотехнічного рішення.

Способи розв'язування аналогового сигналу

Невеликий огляд. Існує три основні способи гальванічної розв'язки аналогового сигналу: трансформаторний, оптичний та конденсаторний. Перші два знайшли найбільше застосування. На сьогоднішній день існує цілий клас пристроїв, які називаються ізолюючі підсилювачі або розв'язувальні підсилювачі (Isolated Amplifier). Такі пристрої передають сигнал із засобів його перетворення (у схемі присутній модулятор і демодулятор сигналу).

Рис.1. Загальна схема ізолюючих підсилювачів.

Є пристрої як передачі аналогового сигналу по напрузі (ADUM3190, ACPL-C87), і спеціалізовані, для підключення безпосередньо до струмовому шунту (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). У цій статті ми не розглядатимемо дорогі пристрої, однак перерахуємо деякі з них: iso100, iso124, ad202..ad215 та ін.

Існує також інший клас пристроїв – оптичні підсилювачі, що розв'язують, з лінеаризуючим зворотним зв'язком (Linear Optocoupler) до цих пристроїв відносяться il300, loc110, hcnr201. Принцип дії цих пристроїв легко зрозуміти, подивившись їх типову схему підключення.

Рис.2. Типова схема для оптичних підсилювачів.

Докладніше про підсилювачі, що розв'язують, ви можете почитати: А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналогова електроніка на операційних підсилювачах» (глава 2), також буде корисний документ AN614 «A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers» від silicon labs, там є хороша Порівняльна таблиця. Обидва джерела є в інтернеті.

Спеціальні мікросхеми оптичної розв'язки сигналу

Тепер до діла! Для початку порівняємо три спеціалізовані мікросхеми: il300, loc110, hcnr201. Підключені за тією самою схемою:

Рис.3. Тестова схема для il300, hcnr201 та loc110.

Різниця тільки в номіналах для il300, hcnr201 R1, R3 = 30k, R2 = 100R, а для loc110 10k і 200R відповідно (я підбирав різні номінали щоб домогтися максимальної швидкодії, але при цьому не вийти за допустимі межі, наприклад, ). Нижче наведено осцилограми, які говорять самі за себе (тут і далі: синій – вхідний сигнал, жовтий – вихідний).

Рис.4. Осцилограма перехідного процесу il300.

Рис.5. Осцилограма перехідного процесу hcnr201.

Рис.6. Осцилограма перехідного процесуloc110.

Тепер розглянемо мікросхему ACPL-C87B (діапазон вхідного сигналу 0.2В). Чесно кажучи з нею, я провозився досить довго. У мене було дві мікросхеми, після того як отримав несподіваний результат на першій, з другої звертався дуже акуратно, особливо при пайці. Збирав все за схемою, зазначеною в документації:

Рис.7. Типова схема дляACPL— C87 із документації.

Результат той самий. Підпаював керамічні конденсатори безпосередньо поблизу ніжок живлення, змінював ОУ (природно перевіряв його на інших схемах), перезбирав схему тощо. У чому власне проблема: вихідний сигнал має значні флуктуації.

Рис.8. Осцилограма перехідного процесуACPL— C87.

Незважаючи на те, що виробник обіцяє рівень шуму вихідного сигналу 0.013 mVrms та для варіанта "B" точність ±0.5%. У чому ж справа? Можлива помилка в документації, оскільки важко віриться в 0.013 mVrms. Не зрозуміло. Але подивимося у графу Test Conditions/Notes навпроти Vout Noise та на Рис.12 документації:

Рис.9. Залежність рівня шуму від величини вхідного сигналу та частоти вихідного фільтра.

Тут картина трохи прояснюється. Мабуть, виробник говорить нам про те, що ми можемо задушити ці шуми через ФНЧ. Ну що ж, дякую за пораду (іронічно). Навіщо ось тільки все це так хитро вивернули. Швидше за все зрозуміло навіщо. Нижче наведені графіки без та з вихідним RC фільтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Рис.10. Осцилограма перехідного процесуACPL— C87 без та з вихідним фільтром.

Застосування оптопар загального призначення для розв'язування сигналу

Тепер перейдемо до найцікавішого. Нижче наведено схеми, які я виявив в інтернеті.

Рис.11. Типова схема оптичної розв'язки аналогового сигналу двох оптопарах.

Рис.12. Типова схема оптичної розв'язки аналогового сигналу двох оптопарах.

Рис.13. Типова схема оптичної розв'язки аналогового сигналу двох оптопарах.

Таке рішення має як переваги, і недоліки. До переваг віднесемо більшу напругу ізоляції, до недоліків те, що дві мікросхеми можуть значно відрізнятися за параметрами, тому рекомендується використовувати мікросхеми з однієї партії.

Я зібрав цю схему на мікросхемі 6n136:

Рис.14. Осцилограма перехідного процесу розв'язки на 6N136.

Вийшло, але повільно. Пробував збирати і інших мікросхемах (типу sfh615), виходить, але теж повільно. Мені треба було швидше. До того ж часто схема не працює через автоколивання, що виникають (у таких випадках говорять САР нестійка))) Допомагає збільшення номіналу конденсатора С2 рис. 16.

Один знайомий порадив вітчизняну оптопару АОД130А. Результат в наявності:

Рис.15. Осцилограма перехідного процесу розв'язки на АОД130А.

А ось і схема:

Рис.16: Схема розв'язки АОД130А.

Потенціометр потрібен один (RV1 або RV2) залежно від того, що вихідний сигнал буде менше або більше вхідного. У принципі можна було поставити лише один RV=2k послідовно з R3=4.7k, або взагалі залишити тільки RV2=10k без R3. Принцип зрозумілий: мати можливість підстроювання в районі 5k.

Мікросхема трансформаторної розв'язки сигналу

Перейдемо до трансформаторного варіанту. Мікросхема ADUM3190 у двох варіантах на 200 та 400 кГц (у мене на 400 - ADUM3190TRQZ), також є мікросхема на більш високу напругу ізоляції ADUM4190. Зауважу, корпус найменший із усіх – QSOP16. Вихідна напруга Eaout від 0.4 до 2.4В. У моїй мікросхемі вихідна напруга усунення близько 100мВ (видно на осцилограмі рис. 18). Загалом працює непогано, але особисто мене не зовсім влаштовує вихідний діапазон напруги. Зібрано за схемою з документації:

Рис.17. Схема ADUM3190 із документації.

Трохи осцилограм:

Рис.18. Осцилограма перехідного процесу ADUM3190.

Підсумки

Підведемо підсумок. На мою думку найкращим варіантом є схема на вітчизняних АДО130А (де вони їх тільки взяли?!). Ну і насамкінець невелика порівняльна таблиця:

Мікросхема	tr+затрим. (за осцил.), мкс	tf+затрим. (за осцил.), мкс	Діап. напр., В	Напруж. ізоляції, В	Шум (по осцил.) МВП-п.	Ціна** за шт., р (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	нд	500
6N136	10	8	0-3*	2500	15	50
АОД130А	2	3	0.01-3*	1500	10	90
ADUM3190T	2	2	0.4-2.4	2500	20	210

*- приблизно (за зібраною схемою з оптимізацією по швидкодії)

** - ціна середня за мінімальними.
Ярослав Власов

P.S. АОД130А виробництва ВАТ «Протон» (з гравіюванням їхнього логотипу в чорному корпусі) — добрий. Старі (90-х років у коричневому корпусі) не годяться.