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 колечко 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 пікофарад, 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.

У цій статті йтиметься в першу чергу 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 підсилювачі, що розв'язують (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 лінеарізуючим 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, що розв'язують.

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 у 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 і т.д. 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 і для варіанта B точність ±0.5%. У чому справа? Можлива помилка в документації, оскільки важко віриться в 0.013 mVrms. Незрозуміло. Але подивимося у графу Test Conditions/Notes навпроти Vout Noise і 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, вихідний сигнал буде меншим 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 варіанта. Мікросхема ADUM3190 у двох варіантах на 200 і 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 документації:

Рис.17. Схема ADUM3190 із документації.

Трохи осцилограм:

Рис.18. Осцилограма перехідного процесу ADUM3190.

Підсумки

Підіб'ємо підсумок. На мій погляд, найкращим варіантом є схема на вітчизняних АДО130А (де вони їх тільки взяли?!). Ну і насамкінець невелика порівняльна таблиця:

Мікросхема	tr+затрим. (по осцил.), Мкс	tf+затрим. (по осцил.), Мкс	Діап. напруж., 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 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.

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.

Мал. 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 по провідних з'єднаннях схеми, але іноді навіть між частинами схеми, не з'єднаними проводками. Крім того, перешкоди можуть накладатися, підсумовуватися 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 у багато разів ускладнюють пошук та 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 спотворенням (електромотора або електромагніта) 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 простіше, компактніше і дешевше.

Оцінка ймовірності появи перешкод у схемах та шляхи їх запобігання – завдання не просте, що вимагає теоретичних знань та практичного досвіду. Проте 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 по ланцюгах живлення.

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

Мал. 2. Спільне харчування керуючої та силової частини.

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

Мал. 2 a.

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

Мал. 2 б.

Схема керування- це частина схеми (Рис. 2 б.), де проситься обробка будь-якої інформації відповідно до роботи алгоритму. Сюди можуть надходити сигнали із зовнішніх джерел, наприклад, з яких-небудь 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.

Мал. 2 ст.

Виконавчий пристрій(Рис. 2 в.) 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.

Мал. 2 р.

Так як 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 цього джерела харчування, 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 із полюсів, цей провід є загальним для всієї схеми і щодо нього передаються сигнали лінії зв'язку.

Мал. 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 та 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 Мал. 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.

Мал. 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 управління при цьому живитиметься від основного джерела живлення через стабілізатор з малопотужним фільтром. 4. У цій схемі слід 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.

Мал. 5. L293 під час роздільного харчування.

Багато мікросхем-драйверів відразу спеціально розраховані на використання у схемах з роздільним харчуванням. Наприклад, широко відома мікросхема драйвера L293 ( Мал. 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 із 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 для 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 поглянути 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 всередину схеми керування. Крім того ці лінії зв'язку часто сильно схильні до електромагнітних впливів ("наведенням"). Позбутися раз і на завжди 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 надіслати сигнал без електричного контакту?
Насправді, є навіть два способи, які це дозволяють.

Мал. 6.

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

Мал. 7.

Пара світлодіод-фотоприймач ізольовано розташовано 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-сот кілогерц.

Мал. 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.

Мал. 9.

Конструктивно трансформатори зазвичай виконані на кільцевому феритовому осерді, а обмотки містять кілька десятків витків дроту (рис. 9). Не дивлячись 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 іншою схемою часто ставлять спеціальні перетворювачі.

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

Мал. 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, який-небудь пульт управління з живленням від кількох вольт може бути гальванічно розділений від фазової напруги мережі в кілька сотень вольт, що підвищує безпеку 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. Так як невелике ускладнення схеми гальванорозв'язкою приносить повну впевненість у безперебійній роботі пристрою.

Гальванічною розв'язкою або гальванічною ізоляцією називається загальний принцип електричної (гальванічної) ізоляції електричного ланцюга, що розглядається, по відношенню до інших електричних ланцюгів. Завдяки гальванічній розв'язці можна здійснити передачу енергії або сигналу від одного електричного ланцюга до іншого електричного ланцюга без безпосереднього електричного контакту між ними.

Гальванічна розв'язка дозволяє забезпечити, зокрема, незалежність сигнального ланцюга, оскільки формується незалежний контур струму сигнального ланцюга щодо контурів струмів інших ланцюгів, наприклад силового ланцюга, при проведенні вимірювань та в ланцюгах зворотного зв'язку. Таке рішення корисне для забезпечення електромагнітної сумісності: підвищується помехозащищенность і точність вимірів. Гальванічна ізоляція входу та виходу пристроїв часто покращує їхню сумісність з іншими пристроями у важкій електромагнітній обстановці.

Безумовно, гальванічна розв'язка забезпечує безпеку при роботі людей з електричним обладнанням. Це один із заходів, і ізоляцію конкретного ланцюга необхідно завжди розглядати в сукупності з іншими заходами забезпечення електричної безпеки, такими як: захисне заземлення та ланцюги обмеження напруги та струму.

Для забезпечення гальванічної розв'язки можуть бути використані різні технічні рішення:

індуктивна (трансформаторна) гальванічна розв'язка, яка застосовується в та для ізоляції цифрових ланцюгів;

оптична розв'язка за допомогою оптрона (оптопара) або оптореле, застосування якої є типовим для багатьох сучасних імпульсних джерел живлення;

ємнісна гальванорозв'язка, коли сигнал подається через конденсатор дуже маленької ємності;

електромеханічна розв'язка у вигляді, наприклад, .

В даний час дуже широкого поширення набули два варіанти гальванічної розв'язки у схемах: трансформаторний та оптоелектронний.

Побудова гальванічної розв'язки трансформаторного типу передбачає застосування магнітоіндукційного елемента (трансформатора) з сердечником або без сердечника, вихідна напруга, що знімається з вторинної обмотки якого пропорційно до вхідної напруги пристрою. Однак, при реалізації цього способу, важливо врахувати такі його недоліки:

на вихідний сигнал можуть впливати перешкоди, створювані несучим сигналом;

частотна модуляція розв'язки обмежує частоту пропускання;

великі габарити.

Розвиток технології напівпровідникових пристроїв останніми роками розширює можливості побудови оптоелектронних вузлів розв'язки на основі оптронів.

Принцип роботи оптрона простий: світлодіод випромінює світло, яке сприймається фототранзистором. Так здійснюється гальванічна розв'язка ланцюгів, одна з яких пов'язана зі світлодіодом, а інша – з фототранзистором.

Таке рішення має ряд переваг: широкий діапазон напруги розв'язки, аж до 500 вольт, що важливо для побудови систем введення даних, можливість роботи розв'язки з сигналами частотою до десятків мегагерц, малі габарити компонентів.

Якщо не застосовувати гальванічну розв'язку, то максимальний струм, що протікає між ланцюгами, обмежується лише відносно невеликими електричними опорами, що може призвести в результаті до протікання струмів, що вирівнюють, здатних заподіяти шкоду як компонентам ланцюга, так і людям, що торкаються незахищеного обладнання. Прилад, що забезпечує розв'язку, спеціально обмежує передачу енергії від одного ланцюга до іншого.

Компанія International Rectifier – розробник і виробник силової електроніки з 1947 року – випускає величезну номенклатуру оптореле для різноманітних застосувань. Найбільш популярні з них можна умовно поділити на такі групи:

• Швидкодіючі (PVA, PVD, PVR);

• Загального призначення (PVT);

• Низьковольтні середньої потужності (PVG, PVN);

• Високовольтні потужні (PVX).

PVA33: швидкодіючий реле
для комутації сигналів

Реле змінного струму серії PVA33 -однополюсне, нормально розімкнене. Призначений для загальних цілей комутації аналогових сигналів.

Принцип дії пристрою наступний (рис. 1). Напруга, що подається на вхід реле, викликає перебіг струму через арсенідо-галлієвий світлодіод (GaAlAs), що призводить до інтенсивного свічення останнього. Світловий потік потрапляє на інтегральний фотогальванічний генератор (ФГГ), який створює різницю потенціалів між затвором і джерелом вихідного ключа, тим самим переводячи останній у стан. Як силові вихідні ключі застосовані силові МОП-транзистори (HEXFET — запатентована IR технологія). У такий спосіб досягається повна гальванічна ізоляція вхідних ланцюгів від вихідних.

Мал. 1.

Переваги подібного рішення порівняно із звичайними електромеханічними та герконовими реле полягає у значному підвищенні терміну служби та швидкодії, зменшенні втрат потужності, мінімізації розмірів. Ці переваги дозволяють підвищити якість продукції для різних застосувань, наприклад, в області мультиплексування сигналів, автоматичного випробувального обладнання, систем збору даних та інших.

Рівень напруги, який здатний комутувати реле цієї серії, лежить в діапазоні від 0 до 300 В (амплітудне значення) як змінного, так і постійного струму. При цьому мінімальний рівень визначається (при постійному струмі) опором каналу вихідних транзисторів, що становить у середньому близько 1 Ом (максимально 20 Ом).

Динамічні характеристики пристрою визначаються часом включення-вимикання, що становить близько 100 мкс. Таким чином, гарантована частота перемикання реле може досягати 500 Гц і більше.

Максимальна частота комутованого сигналу залежить в основному від частотних характеристик транзисторів, що застосовуються, і для МОП-ключів досягає сотень кілогерц. Реле поставляються у 8-вивідних DIP-корпусах і доступні у двох варіантах: для монтажу в отвори та поверхневого монтажу.

PVT312: телекомунікаційне реле
загального призначення

Фотоелектричне реле PVT312,однополюсне, нормально розімкнене, може бути використане як на постійному, так і змінному струмі.

Це твердотільне реле спеціально розроблене для застосування у телекомунікаційних системах. Реле серії PVT312L(З суфіксом «L») використовують активну схему обмеження струму, що дозволяє їм витримувати сплески струмів перехідних процесів. PVT312 випускається у 6-контактному DIP-корпусі.

Використання: телекомунікаційні ключі, пускові механізми, загальні схеми перемикання.

Схеми підключення може бути трьох типів (рис. 2). У першому випадку два ключі мікросхеми підключаються послідовно. Це дозволяє за рахунок симетрії схеми, що вийшов, комутувати змінну напругу. Така схема називається включенням типу "А". Тип «В» відрізняється тим, що використовується лише один із двох ключів мікросхеми. Це дозволяє комутувати більший, проте вже тільки постійний струм. У третьому варіанті (тип "С") ключі підключаються паралельно, тим самим збільшуючи максимально можливе значення струму.

Мал. 2.

PVG612: низьковольтне реле середньої
потужності для змінного струму

Фотоелектричні реле серії PVG612 -однополярні, нормально розімкнені твердотільні реле. Компактні пристрої серії PVG612 використовуються для ізольованого перемикання струмів до 1 А з напругою від 12 до 48 В змінного або постійного струму.

Реле цього цікаві тим, що вони здатні комутувати відносно великі (для даного типу пристроїв) змінні струми, при цьому зберігаючи швидкість роботи, властиву рішенням на МОП-транзисторах.

PVDZ172N: низьковольтна середня
потужності для постійного струму

Реле даної серії (рис. 3), на відміну від вищеописаних, призначені для комутації струмів тільки постійної полярності силою до 1,5 А і напругою до 60 В. Наприклад, ці реле знаходять застосування в управлінні освітлювальними приладами, двигунами, нагрівальними елементами тощо .

Мал. 3.

PVDZ172Nвипускаються нормально розімкненими в однополюсному виконанні у 8-висновних DIP-корпусах.

Інші можливі сфери застосування: аудіоапаратура, джерела живлення, комп'ютери та периферійні пристрої.

PVX6012: для великих навантажень

Для великих низькочастотних навантажень компанія IR пропонує фотоелектричне реле. PVX6012(Рис. 4) (однополюсне, нормально розімкнене). У пристрої використаний вихідний ключ на базі біполярного транзистора з ізольованим затвором (IGBT), що дозволило отримати мале падіння напруги у відкритому стані та низькі струми втрат у закритому за досить високої швидкості роботи (7 мс - включення/1мс - вимкнення).

Мал. 4.

PVX6012 випускається в 14-контактному DIP-корпусі, в якому, що цікаво, використовується всього чотири висновки - таке рішення дозволяє забезпечувати найкраще охолодження пристрою.

Основні сфери застосування включають: тестове обладнання; промисловий контроль та автоматизацію; заміну електромеханічних реле; заміну ртутних реле.

PVI: фотоізолятор для зовнішніх
ключів великої потужності

Прилади цієї серії є реле у сенсі слова. Тобто не здатні комутувати потоки великої енергії за допомогою малої. Вони лише забезпечують гальванічну розв'язку входу від виходу, звідки їх назва — фотоелектричний ізолятор (рис. 5).

Мал. 5.

Навіщо ж потрібне таке «недоріло»? Справа в тому, що прилади серії PVI виробляють при отриманні вхідного сигналу електрично ізольовану постійну напругу, яка достатньо для безпосереднього керування потужними затворами MOSFET і IGBT. Фактично це оптореле, але без вихідного ключа, як розробник може використовувати відповідний йому потужності окремий транзистор.

PVI ідеально підходять для застосувань, що вимагають високострумового та/або високовольтного перемикання з оптичною ізоляцією між схемою керування та потужними схемами навантаження.

До того ж, ізолятор серії PVI1050Nмістить два одночасно керованих виходу, що дає можливість підключати їх послідовно або паралельно для забезпечення більш високого значення струму управління (МОП) або більш високого значення напруги управління (БТІЗ). Таким чином, фактично можна отримати вихідний сигнал 10 В/5 мкА при послідовному включенні і 5 В/10 мкА - при паралельному.

Два виходи PVI1050N можуть застосовуватися і окремо, за умови, що різниця потенціалів між виходами не перевищує 1200 В (пост.) Ізоляція вхід-вихід становить 2500 В (дій.).

Прилади даної серії випускаються у 8-висновних DIP-корпусах і знаходять застосування в організації управління потужними навантаженнями, перетворювачах напруги тощо.

PVR13: подвійне швидкодіюче реле

Головною особливістю даної серії є наявність двох незалежних реле в одному корпусі (рис. 6), кожне з яких може бути включене на кшталт «А», «В», або «С» (пояснення типів див. вище в описі PVT312). Максимальна напруга комутації 100 (пост./перем.), струм 300 мА. В іншому дане реле по області застосування та характеристикам близьке до PVA33 і призначене також для комутації аналогових сигналів середньої частоти (до сотень кілогерців).

Мал. 6.

Випускаються в 16-контактних DIP-корпусах із висновками для монтажу в отвори.

Основні характеристики оптоелектронного реле IR представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Параметри оптоелектронних реле компанії IR

Характеристики	PVA33	PVT312	PVG612N	PVDZ172N	PVX6012
Вхідні характеристики
Мінімальний струм управління, ма	1…2	2	10	10	5
Макс. струм управління для перебування в закритому стані, ма	0,01	0,4	0,4	0,4	0,4
Діапазон керуючого струму (необхідне обмеження струму!), ма	5…25	2…25	5…25	5…25	5…25
Максимальна зворотна напруга,	6	6	6	6	6
Вихідні характеристики
Робочий діапазон напруги,	0…300	0…250	0…60	0 ... 60 (пост.)	280 (пров.)/400 (пост.)
Максимальний тривалий струм навантаження при 40 ° С, А	0,15	-	-	1,5	1
А з'єдн. (Піст або перем)	-	0,19	1	-	-
У з'єдн. (Піст.)	-	0,21	1,5	-	-
З поєдн. (Піст.)	-	0,32	2	-	-
Максимальний імпульсний струм, А	-	-	2,4	4	не повтор. 5 А (1 сек)
Опір у відкритому стані, не більше, Ом	24	-	-	0,25	-
А з'єдн.	-	10	0,5	-	-
У з'єдн.	-	5,5	0,25	-	-
З поєдн.	-	3	0,15	-	-
Опір у закритому стані, не менше, МОм	10000	-	100	100	-
Час включення, не більше. мс	0,1	3	2	2	7
Час вимкнення, не більше, мс	0,11	0,5	0,5	0,5	1
Вихідна ємність, не більше, пФ	6	50	130	150	50
Швидкість наростання напруги, щонайменше, В/мкс	1000	-	-	-	-
Інше
Електрична міцність ізоляції «вхід-вихід», В (ВКВ)	4000	4000	4000	4000	3750
Опір ізоляції, вхід-вихід, 90 В пост.напр., Ом	1012	1012	1012	1012	1012
Місткість «вхід-вихід», пФ	1	1	1	1	1
Максимальна температура паяння контактів, °С	260	260	260	260	260
Робоча температура, °С	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85
Температура зберігання, ° С	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100

Застосування оптоелектронних реле IR

Системи керування.В інтерфейсах АСУ однією з актуальних проблем є організація зв'язку між керуючим та комутованим ланцюгом із забезпеченням надійної гальванічної розв'язки. Тобто необхідно організувати передачу інформації (наприклад, сигналу виконавчого пристрою) без контакту. Одними з перших таких пристроїв були електромеханічні реле, в яких інформація передавалася за допомогою магнітного поля. Однак наявність механічних частин призводило до іскріння контактів та низької швидкодії таких систем.

Застосування передачі сигналу через світловий потік (оптоелектронні реле) в інтерфейсах АСУ (рис. 7) порівняно з електромеханічними комутаторами забезпечує вищі показники надійності, швидкості перемикання, довговічності, кращі масогабаритні показники; а перевага в порівнянні з електронними комутаторами - відсутність спільної точки та взаємного впливу ланцюгів при комутації.

Мал. 7.

Наявність у системі управління гальванічної розв'язки одна із важливих властивостей комутатора, т.к. дозволяє створювати окремі потоки управління, що, своєю чергою, дає можливість забезпечувати електричну незалежність інформаційної та виконавчої зон системи. Оптична гальванічна розв'язка ізолює мікроелектронну керуючу апаратуру від сильноточних і високовольтних ланцюгів периферійних виконуючих пристроїв, що призводить до підвищення стійкості до перешкод, терміну служби і зниження ціни такої апаратури.

Мал. 8.

Ще однією необхідною функцією у вимірювальному обладнанні є перемикання режимів роботи (діапазону вимірювань, коефіцієнта посилення, виду з'єднання та ін.), яке раніше виконувалося механічно. Наприклад, для вимірювання напруги вольтметр підключається до ланцюга паралельно, тоді як для вимірювання струму необхідне послідовне з'єднання вимірювального обладнання з ланцюгом. У деяких приладах для реалізації такого перемикання необхідно використовувати інший вхід, механічно переключивши вимірювальну лінію. Це досить незручно у разі частої зміни параметра, що вимірювається, тому застосування оптоелектронних реле може ефективно вирішити цю проблему, значно збільшивши зручність користування приладом.

З іншого боку, у системах збору даних необхідність використання оптореле часто обумовлена ​​великою ймовірністю пошкодження чутливих вхідних ланцюгів вимірювальної апаратури (аналогово-цифрових та частотних перетворювачів). Такий небажаний ефект може виникати, наприклад, у зв'язку з великою довжиною провідників первинного перетворювача до вимірювального елемента, що сприяє наведенню електростатичних перешкод. Крім того, істотний вплив можуть вплинути як перехідні процеси під час включення/вимикання апаратури, так і помилки в її використанні, наприклад, присутність вхідного сигналу великої амплітуди при зникненні напруги живлення.

Усі ці фактори призводять до необхідності використання гальванічної розв'язки. Як приклад можна навести реле серії PVT312L із вбудованою активною схемою придушення пульсації струмів, яка може бути ефективно використана у пристроях, пов'язаних з довгими провідниками або працюючих у складних електромагнітних умовах (провідні системи екологічного моніторингу підприємств, індустріальні вимірювальні перетворювачі).

Телекомунікації.Застосування оптореле у зв'язку також є перспективним напрямом. Є кілька унікальних функцій, для реалізації яких можна ефективно використовувати переваги оптореле. Сюди відносяться гальванічна розв'язка між модемом та телефонною лінією для запобігання пошкодженням, пов'язаним з електростатичними (в т.ч. грозовими) розрядами; реалізації специфічних функцій телефонного обладнання (імпульсний та тоновий набір, підключення та визначення стану лінії) тощо.

Висновок

В останні роки спостерігається тенденція до постійного зростання попиту на реле оптоелектронних компанії IR. Головними споживачами твердотільних реле є промислові гіганти нашої країни - приладобудівні та транспортні підприємства, великі державні корпорації Ростелеком, Росатом, РЗ. Виробники цінують зручність та високі технічні характеристики реле компанії IR для індустріального застосування.

З іншого боку, постійно зростають вимоги до надійності радіоелектронної апаратури з боку військової та авіакосмічної промисловості. Питання дуже актуальне, яке потребує конкретних технічних рішень, які дозволять знизити відмови техніки у процесі експлуатації. Ніхто з фахівців не викликає сумніву, що твердотільні реле здатні підвищити надійність апаратури спеціального призначення.