Suvremeni život nezamisliv je bez televizije. U mnogim stanovima možete pronaći dva, a ponekad i tri televizijska prijemnika. Posebno je popularna kabelska televizija. Ali što ako trebate spojiti nekoliko televizora na jedan antenski kabel? Prirodno je koristiti "kineski" dupli ili čak tee.

Na primjer, poput ove:

Instalirao sam upravo takav dvostruki razdjelnik na dva televizora za prijem kabelskih TV kanala. Međutim, kvaliteta prijema nije bila poželjna; ako su kanali prvog metarskog raspona prikazani podnošljivo, tada su kanali drugog i UHF raspona primljeni s jakim prigušenjem signala. Nakon što sam rastavio razdjelnik, pronašao sam u njemu mali dvostruki feritni prsten i nekoliko zavoja jednožilne žice:

Uređaj je visokofrekventni transformator s protufaznim namotom. I u teoriji bi trebao isključiti međusobni utjecaj ulaznih krugova za primanje RF signala, ali zapravo ga je samo oslabio, očito zbog činjenice da je postojala galvanska veza

Odlučio sam transformator zamijeniti običnim keramičkim kondenzatorima (crvene zastavice) nominalne vrijednosti od nekoliko pikofarada, čime sam eliminirao ovu galvansku vezu:

Moje iznenađenje nije imalo granica; oba televizora su bila prikazana kao da radi samo jedan, tj. ni trunke međusobnog utjecaja i odličan prijem na svim bendovima.

Spremnici se uklapaju u kućište razdjelnika:

Jedino što si zamjeram je zašto mi ova ideja nije ranije sinula.

Ovaj će se članak prvenstveno usredotočiti na optičku izolaciju analognog signala. Razmotrit će se proračunska opcija. Također, glavna pažnja posvećena je brzini rješenja sklopa.

Metode razdvajanja analognog signala

Kratak osvrt. Postoje tri glavne metode galvanske izolacije analognog signala: transformatorska, optička i kondenzatorska. Prva dva su našla najveću primjenu. Danas postoji cijela klasa uređaja koji se nazivaju izolacijska pojačala ili izolacijska pojačala (Isolated Amplifier). Takvi uređaji prenose signal putem njegove pretvorbe (sklop sadrži modulator i demodulator signala).

Sl. 1. Opći sklop izolacijskih pojačala.

Postoje uređaji za prijenos analognog naponskog signala (ADUM3190, ACPL-C87) i specijalizirani za izravno spajanje na strujni shunt (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). U ovom članku nećemo razmatrati skupe uređaje, već ćemo navesti neke od njih: iso100, iso124, ad202..ad215 itd.

Postoji i druga klasa uređaja - razdvajajuća optička pojačala s linearizirajućom povratnom spregom (Linearni optocoupler ovi uređaji uključuju il300, loc110, hcnr201). Načelo rada ovih uređaja lako je razumjeti gledajući njihov tipični dijagram povezivanja.

sl.2. Tipični sklop za izolaciju optičkih pojačala.

Možete pročitati više o izolacijskim pojačalima: A. J. Peyton, W. Walsh “Analogna elektronika na operacijskim pojačalima” (poglavlje 2), dokument AN614 “Jednostavna alternativa analognim izolacijskim pojačalima” iz silicijskih laboratorija također će biti koristan, tu je i dobra jedna usporedna tablica. Oba su izvora dostupna na internetu.

Specijalni mikrosklopovi za izolaciju optičkog signala

Sada na stvar! Prvo, usporedimo tri specijalizirana mikro kruga: il300, loc110, hcnr201. Spojen prema istom krugu:

sl.3. Ispitni krug za il300, hcnr201 i loc110.

Jedina razlika je u ocjenama za il300, hcnr201 R1,R3=30k, R2=100R, odnosno za loc110 10k i 200R (odabrao sam različite ocjene kako bih postigao maksimalne performanse, ali ne ići izvan dopuštenih granica, npr. uvjeti emitiranja diodne struje ). Ispod su oscilogrami koji govore sami za sebe (u daljnjem tekstu: plavo - ulazni signal, žuto - izlazni signal).

sl.4. Oscilogram prijelaznog procesa il300.

sl.5. Prijelazni valni oblik hcnr201.

sl.6. Prijelazni valni obliklok110.

Sada pogledajmo ACPL-C87B mikro krug (raspon ulaznog signala 0..2V). Da budem iskren, proveo sam dosta vremena s njom. Imao sam dva mikro kruga na zalihi, nakon što sam na prvom dobio neočekivani rezultat, s drugim sam postupao vrlo pažljivo, posebno prilikom lemljenja. Sastavio sam sve prema shemi navedenoj u dokumentaciji:

sl.7. Tipični dijagram zaACPL— C87 iz dokumentacije.

Rezultat je isti. Zalemio sam keramičke kondenzatore izravno u blizini pinova za napajanje, promijenio operacijsko pojačalo (naravno, testirao ga na drugim krugovima), ponovno sastavio krug itd. Evo problema: izlazni signal ima značajne fluktuacije.

sl.8. Prijelazni valni oblikACPL— C87.

Unatoč činjenici da proizvođač obećava razinu šuma izlaznog signala od 0,013 mVrms i za opciju "B" točnost od ±0,5%. Što je bilo? Možda postoji pogreška u dokumentaciji, jer je teško povjerovati u 0,013 mVrms. nejasno. Ali pogledajmo stupac Test Conditions/Notes nasuprot Vout Noise i sliku 12 u dokumentaciji:

Sl.9. Ovisnost razine šuma o veličini ulaznog signala i frekvenciji izlaznog filtra.

Ovdje slika postaje malo jasnija. Očigledno nam proizvođač govori da te zvukove možemo potisnuti pomoću niskopropusnog filtra. Pa, hvala na savjetu (ironično). Zašto su sve ovo ispali na tako lukav način? Najvjerojatnije je jasno zašto. Ispod su grafikoni bez i sa izlaznim RC filtrom (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Slika 10. Prijelazni valni oblikACPL— C87 bez i sa izlaznim filterom.

Primjena optokaplera za izolaciju signala

Sada prijeđimo na zabavni dio. Ispod su dijagrami koje sam pronašao na internetu.

Slika 11. Tipična shema optičke izolacije analognog signala pomoću dva optokaplera.

Slika 12. Tipična shema optičke izolacije analognog signala pomoću dva optokaplera.

Slika 13. Tipična shema optičke izolacije analognog signala pomoću dva optokaplera.

Ovo rješenje ima i prednosti i nedostatke. Prednost je viši izolacijski napon; nedostatak je što se dva mikro kruga mogu značajno razlikovati u parametrima, pa se usput preporučuje korištenje mikro krugova iz iste serije.

Sastavio sam ovaj sklop na 6n136 čipu:

Slika 14. Oscilogram prijelaznog procesa razdvajanja na 6N136.

Uspjelo je, ali polako. Pokušao sam ga sastaviti na drugim mikro krugovima (kao što je sfh615), radi, ali je također spor. Trebalo mi je brže. Osim toga, krug često ne radi zbog samooscilacija koje se javljaju (u takvim slučajevima kažu da je ACS nestabilan))) Povećanje vrijednosti kondenzatora C2, sl., pomaže. 16.

Jedan prijatelj preporučio je domaći optički sprežnik AOD130A. Rezultat je očit:

Slika 15. Oscilogram procesa prijelaznog odvajanja na AOD130A.

A evo i dijagrama:

Slika 16: Dijagram izolacije za AOD130A.

Potreban je jedan potenciometar (RV1 ili RV2), ovisno o tome je li izlazni signal manji ili veći od ulaznog. U principu, bilo je moguće staviti samo jedan RV=2k u seriju sa R3=4.7k, ili čak ostaviti samo RV2=10k bez R3. Princip je jasan: moći prilagoditi oko 5k.

Čip za odvajanje signala transformatora

Prijeđimo na opciju transformatora. Mikro krug ADUM3190 dostupan je u dvije verzije za 200 i 400 kHz (imam ADUM3190TRQZ za 400), postoji i mikro krug za viši izolacijski napon ADUM4190. Imajte na umu da je kućište najmanje od svih - QSOP16. Izlazni napon Eaout od 0,4 do 2,4V. U mom mikro krugu, izlazni napon pomaka je oko 100 mV (vidljivo na oscilogramu na slici 18). Sveukupno radi dobro, ali osobno nisam u potpunosti zadovoljan rasponom izlaznog napona. Sastavljeno prema dijagramu iz dokumentacije:

Slika 17. ADUM3190 sklop iz dokumentacije.

Neki oscilogrami:

Slika 18. ADUM3190 prijelazni valni oblik.

Rezultati

Rezimirati. Po mom mišljenju, najbolja opcija je krug temeljen na domaćem ADO130A (gdje su ih nabavili?!). I na kraju mala usporedna tablica:

Čip	tr+kašnjenje (oscilacija), µs	tf+kašnjenje (oscilacija), µs	Raspon napon, V	napon izolacija, V	Šum (oscilatorni) mVp-p.	Cijena** po komadu, 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

*- približno (prema sastavljenom krugu s optimizacijom performansi)

**- cijena je prosječna prema minimalcu.
Jaroslav Vlasov

p.s. AOD130A kojeg proizvodi Proton OJSC (s njihovim logom ugraviranim u crno kućište) je dobar. Stari (iz 90-ih u smeđem kućištu) nisu prikladni.

Ciklus članaka sastoji se od tri dijela:

Smetnje u krugovima.

Tijekom normalnog rada elektroničkog uređaja može doći do smetnji u krugu.

Smetnje ne samo da mogu ometati normalan rad uređaja, već i dovesti do njegovog potpunog kvara.

Riža. 1. Smetnje u korisnom signalu.

Smetnje možete vidjeti na zaslonu osciloskopa tako da ih uključite u dio strujnog kruga koji se proučava (slika 1). Trajanje smetnje može biti ili vrlo kratko (nekoliko nanosekundi, tzv. "igle") ili vrlo dugo (nekoliko sekundi). Oblik i polaritet smetnje također varira.
Širenje (prolaz) smetnji ne događa se samo duž žičnih veza kruga, već ponekad čak i između dijelova kruga koji nisu povezani žicama. Osim toga, smetnje se mogu preklapati i zbrajati. Dakle, jedna slaba smetnja možda neće uzrokovati kvar u strujnom krugu uređaja, ali istodobno nakupljanje nekoliko slabih nasumičnih smetnji dovodi do neispravnog rada uređaja. Ova činjenica višestruko otežava traženje i uklanjanje smetnji, budući da poprima još više slučajnu prirodu.

Izvori smetnji mogu se grubo podijeliti:

• Vanjski izvor smetnji. Izvor jakog elektromagnetskog ili elektrostatičkog polja u blizini uređaja može uzrokovati kvar elektroničkog uređaja. Na primjer, pražnjenje munje, prebacivanje releja velikih struja ili električno zavarivanje.
• Unutarnji izvor smetnji. Na primjer, kada uključite/isključite reaktivno opterećenje (električni motor ili elektromagnet) u uređaju, ostatak kruga može pokvariti. Neispravan programski algoritam također može biti izvor internih smetnji.

Za zaštitu od vanjskih smetnji konstrukcija ili njezini pojedini dijelovi postavljaju se u metalni ili elektromagnetski štit, a koriste se i sklopna rješenja s manjom osjetljivošću na vanjske smetnje. Korištenje filtara, optimizacija algoritma rada, promjene u konstrukciji cijelog strujnog kruga i položaj njegovih dijelova jedan u odnosu na drugi pomažu protiv unutarnjih smetnji.
Ono što se smatra vrlo elegantnim nije neselektivno potiskivanje svih smetnji, već njihovo namjerno usmjeravanje na ona mjesta u krugu gdje će nestati bez nanošenja štete. U nekim slučajevima, ovaj put je puno jednostavniji, kompaktniji i jeftiniji.

Procjena vjerojatnosti smetnji u strujnim krugovima i načina za njihovo sprječavanje nije jednostavan zadatak koji zahtijeva teorijsko znanje i praktično iskustvo. No, unatoč tome, možemo čvrsto reći da se vjerojatnost smetnji povećava:

• s povećanjem sklopljene struje ili napona u krugu,
• s povećanjem osjetljivosti dijelova strujnog kruga,
• s povećanjem performansi korištenih dijelova.

Kako ne biste ponavljali gotov dizajn zbog čestih kvarova, bolje je upoznati se s mogućim izvorima i putovima smetnji u fazi projektiranja kruga. Budući da je oko polovice svih manifestacija smetnji povezano s "lošim" napajanjem, najbolje je započeti projektiranje uređaja odabirom metode napajanja njegovih dijelova.

Smetnje u krugovima napajanja.

Slika 2 prikazuje tipični blok dijagram elektroničkog uređaja, koji se sastoji od izvora napajanja, upravljačkog kruga, pokretača i aktuatora.
Većina najjednostavnijih robota iz serije na ovoj stranici izgrađena je prema ovoj shemi.

Riža. 2. Zajedničko napajanje upravljačkog i energetskog dijela.

U takvim sklopovima možemo uvjetno razlikovati dva dijela: upravljanje i snagu. Upravljački dio troši relativno malo struje i sadrži upravljačke ili računalne krugove. Dio snage troši znatno više struje i uključuje pojačalo i priključno opterećenje.
Pogledajmo svaki dio kruga detaljnije.

Riža. 2 a.

Napajanje(Sl. 2 a.) mogu biti "baterije" ili napajanje mrežnog transformatora. Napajanje također može uključivati ​​stabilizator napona i mali filtar.

Riža. 2 b.

Upravljački krug- ovo je dio kruga (slika 2 b.), gdje se sve informacije obrađuju u skladu s radom algoritma. Ovdje mogu doći i signali iz vanjskih izvora, na primjer, iz nekih senzora. Sam upravljački krug može se sastaviti pomoću mikrokontrolera ili drugih mikrokrugova ili pomoću diskretnih elemenata.

Komunikacijske linije oni jednostavno povezuju upravljački krug s upravljačko-izvršnim uređajem, odnosno to su samo ožičenje ili staze na tiskanoj pločici.

Riža. 2. stoljeća

Pokretač(Sl. 2 c.) je često mehanizam koji pretvara električni signal u mehanički rad, kao što je električni motor ili elektromagnet. To jest, aktuator pretvara električnu struju u drugi oblik energije i obično troši relativno veliku struju.

Riža. 2 godine

Budući da je signal iz upravljačkog kruga vrlo slab, pa drajver ili pojačalo(Sl. 2d) sastavni je dio mnogih shema. Vozač se može napraviti, na primjer, samo pomoću tranzistora ili posebnog čipa, ovisno o vrsti aktuatora.


U pravilu, glavni izvor jakih smetnji je aktuator. Smetnja koja se ovdje pojavljuje, prošavši kroz drajver, širi se dalje duž strujne sabirnice (Smetnja na slici 2 je shematski prikazana narančastom strelicom). A budući da se upravljački krug napaja iz istog izvora napajanja, postoji velika vjerojatnost da će ova smetnja utjecati i na njega. To jest, na primjer, smetnja koja se pojavi u motoru proći će kroz pokretač i može dovesti do kvara u upravljačkom krugu.
U jednostavnim sklopovima dovoljno je paralelno s izvorom struje postaviti veliki kondenzator od oko 1000 μF i keramički kondenzator od 0,1 μF. Oni će djelovati kao jednostavan filter. U krugovima sa strujom potrošnje od oko 1 ampera ili više, za zaštitu od jakih smetnji složenih oblika, morat ćete instalirati glomazni, složeni filtar, ali to ne pomaže uvijek.
U mnogim se sklopovima utjecaja smetnji najlakše osloboditi uporabom odvojenih izvora napajanja za upravljački i energetski dio sklopa, odnosno uporabom tzv. zasebno napajanje.
Iako se odvojeno napajanje koristi ne samo za borbu protiv smetnji.

Odvojeni obroci.

Na sl. Na slici 3 prikazana je blok shema pojedinog uređaja. Ovaj krug koristi dva izvora napajanja. Energetski dio kruga napaja se iz napajanje 1, a upravljački krug je od napajanje 2. Oba izvora napajanja povezana su jednim od polova; ova žica je zajednička za cijeli krug i signali se prenose u odnosu na nju duž komunikacijske linije.

Riža. 3. Odvojeno napajanje za upravljački i energetski dio.

Na prvi pogled takav sklop s dva izvora napajanja izgleda glomazno i ​​složeno. Zapravo, takvi zasebni krugovi napajanja koriste se, na primjer, u 95% cjelokupne kućanske opreme. Odvojeni izvori napajanja postoje samo različiti namoti transformatora s različitim naponima i strujama. Ovo je još jedna prednost odvojenih krugova napajanja: nekoliko jedinica s različitim naponima napajanja mogu se koristiti u jednom uređaju. Na primjer, koristite 5 volti za regulator, a 10-15 volti za motor.
Ako pažljivo pogledate dijagram na Sl. 3, jasno je da smetnje iz energetskog dijela nemaju priliku ući u upravljački dio putem dalekovoda. Posljedično, potreba za njegovim potpunom potiskivanjem ili filtriranjem nestaje.

Riža. 4. Odvojeno napajanje sa stabilizatorom.

U mobilnim strukturama, na primjer, mobilnim robotima, zbog njihove veličine nije uvijek prikladno koristiti dvije baterije. Stoga se zasebno napajanje može izgraditi pomoću jednog paketa baterija. Upravljački krug će se napajati iz glavnog izvora napajanja kroz stabilizator s filtrom male snage, sl. 4. U ovom krugu morate uzeti u obzir pad napona na stabilizatoru odabranog tipa. Obično se koristi baterija s naponom višim od napona potrebnog za upravljački krug. U tom slučaju, funkcionalnost kruga se održava čak i kada su baterije djelomično ispražnjene.

Riža. 5. L293 sa zasebnim napajanjem.

Mnogi pogonski čipovi posebno su dizajnirani za korištenje u krugovima s odvojenim napajanjem. Na primjer, dobro poznati upravljački čip L293 ( Riža. 5) ima zaključak protiv- za napajanje upravljačkog kruga (Logic Supply Voltage) i izlaz protiv- za napajanje završnih stupnjeva pogonskog pogona (napon napajanja ili izlazni napon napajanja).
U svim izvedbama robota s mikrokontrolerom ili logičkim čipom iz serije, L293 se može uključiti s posebnim strujnim krugom. U tom slučaju napon napajanja (napon za motore) može biti u rasponu od 4,5 do 36 volti, a napon na Vss može biti isti kao za napajanje mikrokontrolera ili logičkog čipa (obično 5 volti).

Ako se napajanje upravljačkog dijela (mikrokontrolera ili logičkog čipa) odvija preko stabilizatora, a napajanje energetskog dijela se preuzima izravno iz baterijskog paketa, tada se time mogu značajno uštedjeti gubici energije. Budući da će stabilizator napajati samo upravljački krug, a ne cijelu strukturu. ovo - još jedna prednost zasebnog napajanja: ušteda energije.

Ako ponovno pogledate dijagram na slici 3, primijetit ćete da je pored zajedničke žice (GND), energetski dio također povezan s upravljačkim krugom komunikacijskim linijama. U nekim slučajevima te žice također mogu prenositi smetnje iz napojnog dijela u upravljački krug. Osim toga, ove komunikacijske linije često su vrlo osjetljive na elektromagnetske utjecaje ("šum"). Ove štetne pojave možete se jednom zauvijek riješiti korištenjem tzv galvanska izolacija.
Iako se galvanska izolacija također koristi ne samo za borbu protiv smetnji.

Galvanska izolacija.

Na prvi pogled ova se definicija može učiniti nevjerojatnom!
Kako se signal može prenijeti bez električnog kontakta?
Zapravo, postoje čak dva načina koja to omogućuju.

Riža. 6.

Optički način prijenosa signala na temelju pojave fotoosjetljivosti poluvodiča. Za to se koristi par LED diode i fotoosjetljivog uređaja (fototranzistor, fotodioda), sl. 6.

Riža. 7.

Par LED-fotodetektor smješten je izolirano u jednom kućištu jedan nasuprot drugog. Ovako se zove ovaj detalj optički sprežnik(strano ime optokopler), sl. 7.
Ako struja prolazi kroz LED optocoupler, otpor ugrađenog fotodetektora će se promijeniti. Na taj način dolazi do beskontaktnog prijenosa signala, jer je LED potpuno izoliran od fotodetektora.
Svaka linija za prijenos signala zahtijeva poseban optocoupler. Frekvencija optički odaslanog signala može se kretati od nula do nekoliko desetaka do stotina kiloherca.

Riža. 8.

Induktivni način prijenosa signala temelji se na pojavi elektromagnetske indukcije u transformatoru. Kada se struja promijeni u jednom od namota transformatora, mijenja se struja u njegovom drugom namotu. Dakle, signal se prenosi s prvog namota na drugi (slika 8). Ova veza između namota također se naziva transformator, a ponekad se naziva i transformator za galvansko odvajanje izolacijski transformator.

Riža. 9.

Strukturno, transformatori se obično izrađuju na prstenastoj feritnoj jezgri, a namoti sadrže nekoliko desetaka zavoja žice (slika 9). Unatoč prividnoj složenosti takvog transformatora, možete ga sami napraviti za nekoliko minuta. Također se prodaju i gotovi transformatori malih dimenzija za galvansku izolaciju.
Svaka linija za prijenos signala zahtijeva poseban takav transformator. Frekvencija odašiljanog signala može se kretati od nekoliko desetaka herca do stotina tisuća megaherca.

Ovisno o vrsti signala koji se prenosi i zahtjevima kruga, možete odabrati ili transformatorsku ili optičku galvansku izolaciju. U strujnim krugovima s galvanskom izolacijom, posebni pretvarači često su ugrađeni s obje strane za koordinaciju (spajanje, sučelje) s ostatkom kruga.

Razmotrimo sada blok dijagram koji koristi galvansku izolaciju između upravljačkih i energetskih dijelova na slici 10.

Riža. 10. Odvojeno napajanje i galvanska izolacija komunikacijskog kanala.

Iz ovog dijagrama se može vidjeti da bilo kakva smetnja iz energetskog dijela nema načina prodrijeti u upravljački dio, jer nema električnog kontakta između dijelova strujnog kruga.
Odsutnost električnog kontakta između dijelova kruga u slučaju galvanske izolacije omogućuje vam sigurno upravljanje aktuatorima s visokonaponskim napajanjem. Na primjer, upravljačka ploča s napajanjem od nekoliko volti može se galvanski odvojiti od faznog mrežnog napona od nekoliko stotina volti, što povećava sigurnost operativnog osoblja. Ovo je važna prednost krugova galvanske izolacije.

Upravljački krugovi s galvanskom izolacijom mogu se gotovo uvijek naći u kritičnim uređajima, kao iu impulsnim izvorima napajanja. Pogotovo tamo gdje postoji i najmanja mogućnost smetnje. Ali čak iu amaterskim uređajima koristi se galvanska izolacija. Budući da lagano kompliciranje kruga galvanskim odvajanjem donosi potpuno povjerenje u nesmetan rad uređaja.

Galvanska izolacija ili galvanska izolacija je opći princip električnog (galvanskog) odvajanja predmetnog električnog kruga u odnosu na druge električne krugove. Zahvaljujući galvanskoj izolaciji, moguće je prenijeti energiju ili signal iz jednog električnog kruga u drugi električni krug bez izravnog električnog kontakta između njih.

Galvanska izolacija omogućuje osiguranje, posebno, neovisnosti signalnog kruga, budući da se neovisni strujni krug signalnog kruga formira u odnosu na strujne krugove drugih krugova, na primjer, strujni krug, tijekom mjerenja i povratne veze sklopovi. Ovo rješenje je korisno za osiguranje elektromagnetske kompatibilnosti: povećana je otpornost na buku i točnost mjerenja. Galvanska izolacija ulaza i izlaza uređaja često poboljšava njihovu kompatibilnost s drugim uređajima u teškim elektromagnetskim okruženjima.

Naravno, galvanska izolacija također osigurava sigurnost kada ljudi rade s električnom opremom. Ovo je jedna mjera, a izolacija određenog strujnog kruga mora se uvijek razmatrati zajedno s drugim mjerama električne sigurnosti, kao što su zaštitno uzemljenje i krugovi za ograničavanje napona i struje.

Za osiguranje galvanske izolacije mogu se koristiti različita tehnička rješenja:

induktivna (transformatorska) galvanska izolacija, koja se koristi u i za izolaciju digitalnih krugova;

optička izolacija pomoću optokaplera (optokaplera) ili optoreleja, čija je uporaba tipična za mnoge moderne prekidačke izvore napajanja;

kapacitivna galvanska izolacija, kada se signal dovodi kroz kondenzator vrlo malog kapaciteta;

elektromehanička izolacija pomoću, na primjer, .

Trenutno su dvije mogućnosti galvanske izolacije u krugovima vrlo raširene: transformator i optoelektronički.

Konstrukcija galvanske izolacije tipa transformatora uključuje korištenje elementa magnetske indukcije (transformatora) sa ili bez jezgre, čiji je izlazni napon uklonjen iz sekundarnog namota proporcionalan ulaznom naponu uređaja. Međutim, pri implementaciji ove metode važno je uzeti u obzir sljedeće nedostatke:

na izlazni signal mogu utjecati smetnje koje stvara signal nositelja;

frekvencijska modulacija decouplera ograničava frekvenciju prijenosa;

velikih dimenzija.

Razvoj tehnologije poluvodičkih uređaja posljednjih godina proširio je mogućnosti konstruiranja optoelektroničkih jedinica za razdvajanje na temelju optokaplera.

Princip rada optocouplera je jednostavan: LED emitira svjetlost koju percipira fototranzistor. Tako se provodi galvanska izolacija krugova, od kojih je jedan spojen na LED, a drugi na fototranzistor.

Ovo rješenje ima niz prednosti: širok raspon napona razdvajanja, do 500 volti, što je važno za izgradnju sustava za unos podataka, mogućnost rada razdvajača sa signalima frekvencija do desetaka megaherca te male dimenzije komponenti.

Ako se ne koristi galvanska izolacija, maksimalni strujni tok između strujnih krugova ograničen je samo relativno malim električnim otporima, što može rezultirati protokom izjednačujućih struja koje mogu oštetiti i komponente kruga i osobe koje dodiruju nezaštićenu opremu. Izolacijski uređaj posebno ograničava prijenos energije iz jednog kruga u drugi.

International Rectifier, dizajner i proizvođač energetske elektronike od 1947. godine, proizvodi veliki izbor opto-releja za sve vrste aplikacija. Najpopularniji od njih mogu se podijeliti u sljedeće skupine:

• Brzo djelovanje (PVA, PVD, PVR);

• Opća namjena (PVT);

• Niski napon srednje snage (PVG, PVN);

• Snažan visoki napon (PVX).

PVA33: relej brzog djelovanja
za prebacivanje signala

Serija AC releja PVA33— jednopolni, normalno otvoreni. Dizajniran za opće potrebe prebacivanja analognog signala.

Princip rada uređaja je sljedeći (slika 1). Napon primijenjen na ulaz releja uzrokuje protok struje kroz LED galijev arsenid (GaAlAs), što rezultira intenzivnim sjajem potonjeg. Svjetlosni tok pogađa integrirani fotonaponski generator (IGG), koji stvara razliku potencijala između vrata i izvora izlazne sklopke, čime potonji prelazi u vodljivo stanje. Kao izlazne sklopke snage koriste se tranzistori Power MOSFET (HEXFET - patentirana IR tehnologija). Na taj način se postiže potpuna galvanska izolacija ulaznih od izlaznih strujnih krugova.

Riža. 1.

Prednosti takvog rješenja u usporedbi s konvencionalnim elektromehaničkim i reed relejima su značajno povećanje životnog vijeka i brzine, smanjenje gubitaka snage i minimiziranje veličine. Ove prednosti poboljšavaju kvalitetu proizvoda razvijenih za različite primjene, kao što je multipleksiranje signala, oprema za automatizirano testiranje, sustavi za prikupljanje podataka i drugi.

Razina napona koju releji ove serije mogu prebaciti leži u rasponu od 0 do 300 V (vrijednost amplitude) i izmjenične i istosmjerne struje. U ovom slučaju, minimalna razina određena je (pri konstantnoj struji) otporom kanala izlaznih tranzistora, koji u prosjeku iznosi oko 1 Ohm (maksimalno do 20 Ohma).

Dinamičke karakteristike uređaja određene su vremenom uključivanja i isključivanja koje iznosi oko 100 μs. Dakle, zajamčena frekvencija prebacivanja releja može doseći 500 Hz ili više.

Maksimalna frekvencija sklopljenog signala ovisi uglavnom o frekvencijskim karakteristikama korištenih tranzistora i za MOS sklopke doseže stotine kiloherca. Releji se isporučuju u 8-pinskim DIP paketima i dostupni su u dvije verzije: kroz otvor i za površinsku montažu.

PVT312: telekomunikacijski relej
Opća namjena

Fotoelektrični relej PVT312, jednopolni, normalno otvoreni, mogu se koristiti i na istosmjernu i na izmjeničnu struju.

Ovaj poluprovodnički relej posebno je dizajniran za korištenje u telekomunikacijskim sustavima. Relejna serija PVT312L(sa sufiksom "L") koriste strujni krug za ograničavanje aktivne struje, što im omogućuje da izdrže prolazne strujne udare. PVT312 je dostupan u 6-pinskom DIP paketu.

Primjene: telekomunikacijski ključevi, okidači, opći sklopni sklopovi.

Dijagrami povezivanja mogu biti tri vrste (slika 2). U prvom slučaju, dva čip ključa su povezana u seriju. Zbog simetrije, ovo rezultirajućem krugu omogućuje prebacivanje izmjeničnog napona. Ova vrsta strujnog kruga naziva se "A" veza. Tip "B" razlikuje se po tome što se koristi samo jedan od dva ključa s čipom. To vam omogućuje prebacivanje veće, ali samo istosmjerne struje. U trećoj opciji (tip "C"), tipke su spojene paralelno, čime se povećava najveća moguća vrijednost struje.

Riža. 2.

PVG612: niskonaponski srednjenaponski relej
napajanje za AC

Serija fotoelektričnih releja PVG612 - unipolarni, normalno otvoreni poluprovodnički releji. Kompaktni uređaji serije PVG612 koriste se za izolirano preklapanje struja do 1 A s naponima od 12 do 48 V AC ili DC.

Releji ovog tipa zanimljivi su po tome što su sposobni prebacivati ​​relativno velike (za ovu vrstu uređaja) izmjenične struje, zadržavajući radnu brzinu svojstvenu rješenjima temeljenim na MOS tranzistorima.

PVDZ172N: niskonaponski srednji
snaga za DC

Releji ove serije (slika 3), za razliku od gore opisanih, dizajnirani su za prebacivanje struja samo konstantnog polariteta sa snagom do 1,5 A i naponom do 60 V. Na primjer, ovi se releji koriste u kontroli rasvjetni uređaji, motori, grijaći elementi itd. .d.

Riža. 3.

PVDZ172N Dostupan u normalno otvorenom, jednopolnom dizajnu u 8-pinskim DIP paketima.

Ostale moguće primjene: audio oprema, napajanja, računala i periferija.

PVX6012: za velika opterećenja

Za velika niskofrekventna opterećenja, IR nudi fotoelektrični relej PVX6012(slika 4) (jednopolni, normalno otvoreni). Uređaj koristi izlaznu sklopku temeljenu na bipolarnom tranzistoru s izoliranim vratima (IGBT), koji omogućuje postizanje niskog pada napona u uključenom stanju i malih gubitaka struje u zatvorenom stanju pri prilično visokoj radnoj brzini (7 ms uključeno / 1 ms isključeno).

Riža. 4.

PVX6012 dostupan je u 14-pinskom DIP pakiranju koje, zanimljivo, koristi samo četiri pina – ovo rješenje omogućuje bolje hlađenje uređaja.

Glavne primjene uključuju: ispitnu opremu; industrijska kontrola i automatizacija; zamjena elektromehaničkih releja; zamjena živinih releja.

PVI: foto izolator za vanjske
tipke velike snage

Uređaji ove serije nisu releji u pravom smislu te riječi. To jest, nisu u stanju komutirati velike tokove energije uz pomoć malih. Oni samo osiguravaju galvansku izolaciju ulaza od izlaza, pa im otuda i naziv - fotoelektrični izolator (slika 5).

Riža. 5.

Zašto je takvo "nedovoljno oslanjanje" potrebno? Činjenica je da uređaji serije PVI proizvode, nakon primanja ulaznog signala, električni izolirani istosmjerni napon, koji je dovoljan za izravno upravljanje vratima MOSFET-a i IGBT-a velike snage. Zapravo, ovo je opto-relej, ali bez izlazne sklopke, za koju programer može koristiti zasebni tranzistor prikladan za njegovu snagu.

PVI su idealni za aplikacije koje zahtijevaju visokostrujno i/ili visokonaponsko preklapanje s optičkom izolacijom između upravljačkog sklopa i strujnog kruga velikog opterećenja.

Osim toga, serija izolator PVI1050N sadrži dva istovremeno kontrolirana izlaza, što omogućuje njihovo serijsko ili paralelno spajanje kako bi se osigurala veća upravljačka struja (MOC) ili viši upravljački napon (IGT). Tako zapravo možete dobiti izlazni signal od 10 V/5 μA kada je spojen u seriju i 5 V/10 μA kada je spojen paralelno.

Dva izlaza PVI1050N mogu se koristiti odvojeno, pod uvjetom da razlika potencijala između izlaza ne prelazi 1200 VDC izolacije od 2500 VDC.

Uređaji ove serije proizvode se u 8-pinskim DIP kućištima i koriste se u organizaciji upravljanja snažnim teretima, pretvaračima napona itd.

PVR13: dvostruki relej brzog djelovanja

Glavna značajka ove serije je prisutnost dva neovisna releja u jednom kućištu (slika 6), od kojih se svaki može spojiti kao tip "A", "B" ili "C" (za objašnjenje tipova, vidi gore u opisu PVT312). Maksimalni sklopni napon 100 V (DC/AC), struja 300 mA. Inače, ovaj relej je po opsegu i karakteristikama blizak PVA33 i također je namijenjen za prebacivanje analognih signala srednje frekvencije (do stotine kiloherca).

Riža. 6.

Dostupan u 16-pinskim DIP paketima s klinovima za montažu kroz rupu.

Glavne karakteristike IC optoelektroničkih releja prikazane su u tablici 1.

Stol 1. Parametri IC optoelektroničkih releja

Karakteristike	PVA33	PVT312	PVG612N	PVDZ172N	PVX6012
Ulazne karakteristike
Minimalna upravljačka struja, mA	1…2	2	10	10	5
Maks. upravljačka struja u zatvorenom stanju, mA	0,01	0,4	0,4	0,4	0,4
Raspon upravljačke struje (potrebno ograničenje struje!), mA	5…25	2…25	5…25	5…25	5…25
Maksimalni povratni napon, V	6	6	6	6	6
Izlazne karakteristike
Raspon radnog napona, V	0…300	0…250	0…60	0…60 (konstantno)	280 (AC)/400 (DC)
Maksimalna trajna struja opterećenja na 40°C, A	0,15	-	-	1,5	1
Priključak (post ili varijabla)	-	0,19	1	-	-
U vezi (brzo.)	-	0,21	1,5	-	-
Uz vezu (brzo.)	-	0,32	2	-	-
Maksimalna impulsna struja, A	-	-	2,4	4	ne ponavljanje. 5 A (1 s)
Otpor u otvorenom stanju, ne više, Ohm	24	-	-	0,25	-
Priključak	-	10	0,5	-	-
U vezi	-	5,5	0,25	-	-
Uz vezu	-	3	0,15	-	-
Otpor u zatvorenom stanju, ne manje, MOhm	10000	-	100	100	-
Vrijeme uključivanja, ne više. ms	0,1	3	2	2	7
Vrijeme isključivanja, ne više, gđo	0,11	0,5	0,5	0,5	1
Izlazni kapacitet, ne više, pF	6	50	130	150	50
Brzina porasta napona, ne manja, V/µs	1000	-	-	-	-
ostalo
Električna čvrstoća izolacije "ulaz-izlaz", V (SCR)	4000	4000	4000	4000	3750
Otpor izolacije, ulaz-izlaz, 90 V DC, ohmi	1012	1012	1012	1012	1012
Ulazno-izlazni kapacitet, pF	1	1	1	1	1
Maksimalna kontaktna temperatura lemljenja, °C	260	260	260	260	260
Radna temperatura, °C	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85
Temperatura skladištenja, °C	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100

Primjena optoelektroničkih releja IR

Kontrolni sustavi. U ACS sučeljima, jedan od hitnih problema je organizacija komunikacije između upravljačkih i sklopljenih krugova, osiguravajući pouzdanu galvansku izolaciju. To jest, potrebno je organizirati prijenos informacija (na primjer, signala aktuatoru) bez električnog kontakta. Jedan od prvih uređaja ove vrste bili su elektromehanički releji, u kojima su se informacije prenosile putem magnetskog polja. Međutim, prisutnost mehaničkih dijelova dovela je do iskrenja kontakata i niskih performansi takvih sustava.

Korištenje prijenosa signala kroz svjetlosni tok (optoelektronički releji) u sučeljima automatiziranih sustava upravljanja (slika 7) u usporedbi s elektromehaničkim sklopkama osigurava veću pouzdanost, brzinu prebacivanja, trajnost i bolje pokazatelje težine i veličine; a prednost u usporedbi s elektroničkim sklopkama je nepostojanje zajedničke točke i međusobnog utjecaja sklopova pri preklapanju.

Riža. 7.

Prisutnost galvanske izolacije u sustavu upravljanja jedno je od važnih svojstava sklopke, jer omogućuje vam stvaranje zasebnih kontrolnih tokova, što zauzvrat omogućuje osiguranje električne neovisnosti informacijskih i izvršnih zona sustava. Optička galvanska izolacija izolira mikroelektroničku upravljačku opremu od strujnih i visokonaponskih krugova perifernih izvršnih uređaja, što dovodi do povećane otpornosti na buku, vijeka trajanja i smanjene cijene takve opreme.

Riža. 8.

Druga nužna funkcija u mjernoj opremi je prebacivanje načina rada (mjernog područja, pojačanja, vrste priključka itd.), što se do sada obavljalo mehanički. Na primjer, za mjerenje napona, voltmetar je spojen na krug paralelno, dok za mjerenje struje, mjerna oprema mora biti spojena serijski na krug. U nekim instrumentima, za implementaciju takvog prekidača, bilo je potrebno koristiti još jedan ulaz, mehanički preklapajući mjernu liniju. Ovo je prilično nezgodno ako se mjereni parametar često mijenja, pa korištenje optoelektroničkih releja može učinkovito riješiti ovaj problem, značajno povećavajući jednostavnost korištenja uređaja.

S druge strane, u sustavima za prikupljanje podataka potreba za korištenjem opto-releja često je posljedica velike vjerojatnosti oštećenja osjetljivih ulaznih krugova mjerne opreme (analogno-digitalni i frekvencijski pretvarači). Takav neželjeni učinak može nastati, na primjer, zbog velike duljine vodiča od primarnog pretvarača do mjernog elementa, što pridonosi indukciji elektrostatičkih smetnji. Osim toga, i prijelazni procesi tijekom uključivanja/isključivanja opreme i pogreške u njegovoj uporabi, na primjer, prisutnost ulaznog signala velike amplitude tijekom nestanka struje, mogu imati značajan utjecaj.

Svi ovi čimbenici dovode do potrebe korištenja galvanske izolacije. Primjer je relej serije PVT312L s ugrađenim aktivnim strujnim krugom za suzbijanje valovitosti, koji se može učinkovito koristiti u uređajima povezanim s dugim vodičima ili koji rade u teškim elektromagnetskim uvjetima (žičani sustavi nadzora okoliša poduzeća, industrijski mjerni pretvornici).

Telekomunikacija. Primjena opto-releja u području komunikacija također je perspektivno područje. Postoji nekoliko jedinstvenih funkcija koje se mogu učinkovito implementirati korištenjem prednosti opto releja. To uključuje galvansku izolaciju između modema i telefonske linije kako bi se spriječila oštećenja povezana s elektrostatičkim pražnjenjima (uključujući munje); implementacija specifičnih funkcija telefonske opreme (impulsno i tonsko biranje, povezivanje i određivanje statusa linije) itd.

Zaključak

Posljednjih godina postoji trend stalnog porasta potražnje za optoelektroničkim relejima iz IR. Glavni potrošači poluprovodničkih releja su industrijski divovi naše zemlje - poduzeća za izradu instrumenata i transporta, velike državne korporacije Rostelecom, Rosatom, Ruske željeznice. Proizvođači cijene praktičnost i visoku tehničku izvedbu IR releja za industrijske primjene.

S druge strane, zahtjevi za pouzdanošću elektroničke opreme iz vojne i zrakoplovne industrije stalno rastu. Pitanje je vrlo relevantno, što zahtijeva specifična tehnička rješenja koja će smanjiti kvarove opreme tijekom rada. Nitko od stručnjaka ne sumnja da poluvodički releji mogu povećati pouzdanost opreme posebne namjene.