Превосходство цифровых изоляторов над традиционными решениями
Гальваническая развязка между силовой фазной цепью и другими каскадами электроники является важным способом обеспечения безопасности всех устройств, которые взаимодействуют с людьми и низковольтными электронными компонентами. Импульс высокого напряжения может принимать значения от нескольких десятков вольт до киловольт, поэтому он может быть небезопасным для людей, животных и даже самой электронной схемы. Современная электроника вместо традиционных оптических устройств с гальванической изоляцией сместилась в сторону использования цифровых интегральных компонентов, передающих данные через изоляционный барьер емкостным или электромагнитным способом. Вместе с экспертами «ЗУМ-СМД» рассмотрим, что это такое — цифровой изолятор.
Содержание:
- Что собой представляют цифровые изоляторы
- Где применяются цифровые изоляторы
- Преимущество использования цифровых изоляторов
- Каковы требования к характеристикам для цифровой изоляции
Что собой представляют цифровые изоляторы
Гальванические изоляторы — это устройства, которые передают электронные данные или контрольный сигнал через изоляционный барьер без прохождения тока через него. Такой способ позволяет передавать информацию с эффективным блокированием шума. А высоконадежный изоляционный барьер защищает оборудование и операторов.
Хотя многие цифровые изоляторы работают с уже оцифрованным потоком данных, они могут содержать аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для работы с аналоговым сигналом. Такая система включает в себя по одному микропроцессору на каждой стороне с цепями питания для каждого из них. В связи с этим при использовании цифрового изолятора необходимо также применять изолированный источник питания.
Для каждой стороны цифрового изолятора, обычно, есть возможность использования двух различных напряжений питания, поскольку изолятор основан на двух отдельных внутренних чипах. Показатели питающих напряжение приборов в таком случае могут быть от 1,8 до 5,5 вольт, а некоторые устройства могут поддерживать более широкий диапазон питания.
Входящий цифровой бит модулируется с использованием встроенного тактового генератора с частотой, которая определяет скорость передачи сигналов. Существует командная частота управления, которая работает вне полезной скорости передачи. Одно из ее состояний разрешает передачу носителя, а другое состояние останавливает трансляцию.
На стороне приема содержится предусилитель для усиления входящего сигнала, который находится в ослабленной форме. За ним следует детектор оболочки. Он действует как демодулятор, позволяя восстановить оригинальный цифровой сигнал. Обработка канала общего режима улучшается с помощью цепей коррекции передачи и приема, что приводит к улучшению переходного иммунитета общего мода.
Где применяются цифровые изоляторы
В современных электронных системах, таких как программное управляющее оборудование промышленной автоматизации и базовых телекоммуникационных станций, в зарядных устройствах для техники, транспорта и электромобилей требуется обеспечение надежной защиты от высоких напряжений.
Наиболее распространенное применение интегральных систем цифровой изоляции:
- программируемые логические контроллеры;
- промышленные контроллеры автоматизации процессов;
- инверторы управления двигателем;
- импульсные источники питания;
- измерительные и диагностические приборы, средства индикации электрических параметров и процессов;
- автомобильная промышленность сектора электромобилей, работающих на батареях, напряжением 200 – 400 В;
- медицинская техника и др.
Автомобильная промышленность, использующая высоковольтные батареи питания для увеличения запаса заряжаемой мощности нуждается в применении цифровых изоляторов. Они отличаются превосходством работы в широком диапазоне температур, стабильностью на протяжении всего периода эксплуатации и устойчивости к шуму.
Преимущество использования цифровых изоляторов
Цифровые изоляторы на основе КМОП в полной мере используют современные полупроводниковые технологии и предлагают несколько преимуществ для разработчика системы по сравнению с традиционными оптопарами.
Основным недостатком оптических устройств является ограниченный срок службы светодиодов. Причем светоизлучающие свойства led-полупроводников нестабильны из-за ряда факторов, а именно время эксплуатации и температура. Поэтому для реализации прецизионных усилителей с гальванической развязкой на оптопарах приходится дополнять устройство сложными элементами коррекции.
Так как светодиоды имеют нелинейную вольтамперную характеристику, подобрать комплементарную пару полупроводниковых элементов даже в интегральном исполнении практически невозможно. Для этого требуется дополнительный этап настройки в технологическом процессе их производства. Возможна даже необходимость обслуживания или ремонта во время эксплуатации.
Преимуществом цифровых изоляторов можно назвать то, что они по своей природе невосприимчивы к внешним электромагнитным полям, а также излучают меньше электромагнитного шума. Это большой плюс при эксплуатации их на промышленном оборудовании, где есть генераторы высоких электромагнитных полей. Они исходят от таких агрегатов, как тяжелые силовые двигатели.
Электронные системы должны быть высокоустойчивы к внешним полям, а цифровые изоляторы на основе емкости невосприимчивы к электромагнитным полям. Они излучают более низкие уровни помех по сравнению с магнитными цифровыми изоляторами. А с точки зрения характеристик стабильности и точности усиления цифровые изоляторы превосходят оптические аналоги.
Каковы требования к характеристикам для цифровой изоляции
Перед выбором топологии для использования цифрового изолятора необходимо определить основные требования:
- диапазон входного напряжения;
- выходное напряжение;
- выходная мощность, необходимая для вторичной стороны (максимальный ток выходного каскада);
- количество выходных направлений;
- параметры питающих напряжений.
Среди других важных свойств изолированных усилителей наряду с требованиями к электромагнитной совместимости является оценка системной изоляции и необходимого расстояния. Для оценки изоляционной прочности берут во внимание такой возможный фактор, как электростатический разряд.
