مقدمه

جداسازی گالوانیکی (انزوا) که معمولاً به آن جداسازی می گویند، راهی است که در آن بخش های جداگانه یک سیستم الکتریکی می توانند در پتانسیل های مختلف زمین قرار گیرند. دو دلیل رایج برای جداسازی، ایمنی در برابر خرابی در محصولات درجه صنعتی و در صورت لزوم است ارتباط سیمیبین دستگاه ها، هر کدام منبع تغذیه خاص خود را دارند.

روش های جداسازی نیرو

مبدل ها

رایج ترین شکل جداسازی استفاده از ترانسفورماتور است. هنگام طراحی یک مدار تثبیت کننده قدرت در جایی که نیاز به جداسازی است، بخش جداکننده طراحی با نیاز به افزایش / کاهش سطح ولتاژ همراه است و به عنوان بخش جداگانه ای از سیستم در نظر گرفته نمی شود. در صورتی که نیاز به ایزوله کردن کل سیستم الکتریکی باشد (به عنوان مثال، بسیاری از تجهیزات تست خودرو نیاز به جداسازی منابع تغذیه از شبکه AC دارند)، می توان یک ترانسفورماتور 1:1 را به صورت سری با سیستم نصب کرد تا انزوای لازم

شکل 1 - محدوده ترانسفورماتورهای SMD

خازن ها

یک روش کمتر رایج برای جداسازی استفاده از خازن ها به صورت سری است. با توجه به امکان عبور سیگنال های AC از خازن ها، این روش می تواند باشد راه موثرجداسازی قطعات سیستم الکتریکی از شبکه AC این روش نسبت به روش ترانسفورماتور کمتر قابل اعتماد است زیرا در صورت بروز خطا، ترانسفورماتور مدار را قطع می کند و خازن قطع می شود. یکی از اهداف ارائه عایق گالوانیکی از شبکه AC این است که در صورت بروز خطا، کاربر از منبع جریان نامحدود در حال کار در امان باشد.

شکل 2 - نمونه ای از استفاده از خازن ها برای ایجاد جداسازی

روش های جداسازی سیگنال

عایق‌کننده‌های نوری

هنگامی که سیگنالی برای عبور از بین دو بخش مدار در پتانسیل های زمین مختلف لازم است، یک اپتو ایزولاتور (اپتوکوپلر) یک راه حل محبوب است. Opto-Isolator یک ترانزیستور نوری است که با روشن شدن LED داخلی باز می شود (روشن می شود). نور ساطع شده توسط LED داخلی مسیر سیگنال است و بنابراین جداسازی بین پتانسیل های زمین شکسته نمی شود.

شکل 3 - طرح یک اپتو ایزولاتور معمولی

سنسور هال

روش دیگر انتقال اطلاعات بین سیستم های الکتریکی با پتانسیل زمین مجزا، استفاده از حسگر بر اساس اثر هال است. سنسور هال القایی را غیر تهاجمی تشخیص می دهد و نیازی به تماس مستقیم با سیگنال تحت بررسی ندارد و مانع جداسازی را نقض نمی کند. رایج ترین استفاده از عبور اطلاعات القایی از مدارها در پتانسیل های مختلف زمین در سنسورهای جریان است.

شکل 4 - سنسور جریان مورد استفاده برای اندازه گیری جریان از طریق یک هادی

نتیجه

جداسازی گالوانیکی (Isolation) جداسازی سیستم‌ها/زیر سیستم‌های الکتریکی است که در آن جریان غیر DC ممکن است جریان داشته باشد و پتانسیل‌های زمین متفاوتی داشته باشد. جداسازی را می توان به دسته های اصلی تقسیم کرد: با قدرت و سیگنال. راه های مختلفی برای دستیابی به جداسازی وجود دارد و بسته به نیاز پروژه، ممکن است برخی از روش ها بر روش های دیگر ارجحیت داشته باشند.

مثال عملی

شکل 5 - نمودار پروژه PoE (Power over Ethernet، Power over Ethernet) بر اساس کنترلر TPS23753PW

در نمودار بالا، از چندین ترانسفورماتور و یک اپتو ایزولاتور برای ایجاد منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده شده است که در دستگاه های اترنت PD (دستگاه برقی) استفاده می شود. کانکتور J2 دارای آهنرباهای داخلی است که کل سیستم را از منبع PoE جدا می کند. T1 و U2 منبع تغذیه (در سمت چپ خط قرمز) را از خروجی تنظیم شده 3.3 ولت (در سمت راست خط قرمز) جدا می کنند.

در این مقاله، ما در درجه اول بر روی جداسازی نوری سیگنال آنالوگ تمرکز خواهیم کرد. در نظر گرفته خواهد شد یک گزینه بودجه. همچنین توجه اصلی به سرعت حل مدار می شود.

روش های جداسازی سیگنال آنالوگ

یک بررسی کوچک سه راه اصلی برای جداسازی گالوانیکی سیگنال آنالوگ وجود دارد: ترانسفورماتور، نوری و خازن. دو مورد اول بیشترین کاربرد را پیدا کرده اند. امروز وجود دارد تمام کلاسدستگاه هایی به نام تقویت کننده های ایزوله یا تقویت کننده های ایزوله (Isolated Amplifier). چنین وسایلی سیگنالی را از طریق تبدیل آن ارسال می کنند (در مدار یک مدولاتور و دمودولاتور سیگنال وجود دارد).

عکس. 1. طرح کلی تقویت کننده های ایزوله.

دستگاه هایی هم برای انتقال سیگنال ولتاژ آنالوگ (ADUM3190، ACPL-C87) و هم دستگاه های تخصصی برای اتصال مستقیم به یک شنت جریان (SI8920، ACPL-C79، AMC1200) وجود دارد. در این مقاله دستگاه های گران قیمت را در نظر نخواهیم گرفت، اما تعدادی از آنها را لیست می کنیم: iso100، iso124، ad202..ad215 و غیره.

همچنین کلاس دیگری از دستگاه ها وجود دارد - تقویت کننده های نوری جداکننده با بازخورد خطی (Linear Optocoupler) این دستگاه ها شامل il300، loc110، hcnr201 هستند. با نگاهی به نمودار اتصال معمولی آنها، به راحتی می توان به اصل عملکرد این دستگاه ها پی برد.

شکل 2. مدار معمولی برای جدا کردن تقویت کننده های نوری.

برای اطلاعات بیشتر در مورد تقویت کننده های جداسازی، می توانید بخوانید: A. J. Peyton, W. Walsh "Analog Electronics with Operational Amplifiers" (فصل 2)، همچنین سند AN614 "A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers" از آزمایشگاه های سیلیکون، یک سند خوب وجود دارد. جدول مقایسه. هر دو منبع به صورت آنلاین در دسترس هستند.

ریزتراشه های ویژه برای جداسازی سیگنال نوری

حالا به تجارت! برای شروع، بیایید سه ریز مدار تخصصی را با هم مقایسه کنیم: il300، loc110، hcnr201. مطابق با همان طرح متصل می شود:

شکل 3. مدار تست il300, hcnr201 و loc110.

تفاوت فقط در رتبه بندی ها به ترتیب برای il300، hcnr201 R1، R3=30k، R2=100R و برای loc110 10k و 200R است (من برای دستیابی به حداکثر کارایی، رتبه های مختلفی را انتخاب کردم، اما در عین حال از حد مجاز فراتر نرفتم. برای مثال، با جریان دیود ساطع کننده). در زیر شکل موج هایی وجود دارد که برای خود صحبت می کنند (از این پس: آبی سیگنال ورودی، زرد سیگنال خروجی است).

شکل 4. اسیلوگرام il300 گذرا.

شکل 5. شکل موج گذرا Hcnr201.

شکل 6. شکل موج گذرامحل110.

اکنون تراشه ACPL-C87B (محدوده سیگنال ورودی 0..2 ولت) را در نظر بگیرید. اگر بخواهم با او صادق باشم، برای مدت طولانی درگیر بودم. من دو ریزمدار در دسترس داشتم، بعد از اینکه در مورد اول به نتیجه غیرمنتظره ای رسیدم، دومی را بسیار با احتیاط انجام دادم، به خصوص هنگام لحیم کاری. من همه چیز را طبق طرحی که در اسناد ذکر شده است جمع آوری کردم:

شکل 7. طرح معمولی برایACPL— سی87 از مستندات.

نتیجه یکسان است. خازن های سرامیکی را مستقیماً نزدیک پایه های برق لحیم کردم، آپ امپ را عوض کردم (البته در مدارهای دیگر آن را بررسی کردم)، مدار را دوباره مونتاژ کردم و غیره. در واقع مشکل چیست: سیگنال خروجی دارای نوسانات قابل توجهی است.

شکل 8. شکل موج گذراACPL— سی87.

علیرغم این واقعیت که سازنده وعده سطح نویز سیگنال خروجی 0.013 mVrms را داده است و برای گزینه "B" دقت 0.5 ± است. موضوع چیه؟ شاید یک اشتباه در مستندات باشد، زیرا باور کردن 0.013 mVrms سخت است. غیر واضح. اما بیایید به ستون شرایط تست / یادداشت ها در مقابل صدای Vout و در شکل 12 مستندات نگاه کنیم:

شکل 9. وابستگی سطح نویز به بزرگی سیگنال ورودی و فرکانس فیلتر خروجی.

در اینجا تصویر کمی واضح تر می شود. ظاهراً سازنده به ما می گوید که می توانیم این صداها را از طریق فیلتر پایین گذر خفه کنیم. خوب، ممنون از راهنمایی (طنز). چرا همه اینها به این شکل حیله گرانه رقم خورده است. به احتمال زیاد واضح است که چرا. در زیر نمودارهای بدون و با فیلتر RC خروجی (R=1k، C=10nF (τ=10µS)) آمده است.

شکل 10. شکل موج گذراACPL— سی87 بدون و با فیلتر خروجی.

استفاده از اپتوکوپلرهای عمومی برای جداسازی سیگنال

حالا بیایید به جالب ترین آنها برویم. نمودارهایی که در اینترنت پیدا کردم در زیر آمده است.

شکل 11. یک طرح معمولی برای جداسازی نوری سیگنال آنالوگ بر روی دو کوپلر نوری.

شکل 12. یک طرح معمولی برای جداسازی نوری سیگنال آنالوگ بر روی دو کوپلر نوری.

شکل 13. یک طرح معمولی برای جداسازی نوری سیگنال آنالوگ بر روی دو کوپلر نوری.

این راه حل هم مزایا و هم معایبی دارد. مزیت ولتاژ عایق بالاتر است، نقطه ضعف آن این است که دو ریز مدار می توانند به طور قابل توجهی در پارامترها متفاوت باشند، بنابراین، به هر حال، توصیه می شود از ریز مدارها از همان دسته استفاده کنید.

من این مدار را روی یک تراشه 6n136 مونتاژ کردم:

شکل 14. جداسازی شکل موج گذرا در 6ن136.

کار کرد، اما به کندی. من سعی کردم بر روی ریز مدارهای دیگر (مانند sfh615) مونتاژ کنم، معلوم است، اما به آرامی. سریعتر بهش نیاز داشتم علاوه بر این، اغلب مدار به دلیل خود نوساناتی که رخ می دهد کار نمی کند (در چنین مواردی می گویند ACS ناپایدار است))) به افزایش ارزش خازن C2 کمک می کند. 16.

یکی از دوستان به یک اپتوکوپلر داخلی توصیه کرد AOD130A. نتیجه چهره:

شکل 15. اسیلوگرام جداسازی گذرا در AOD130A.

و این هم نمودار:

شکل 16: نمودار جداسازی در AOD130A.

بسته به اینکه سیگنال خروجی کمتر یا بزرگتر از ورودی باشد، به یک پتانسیومتر (RV1 یا RV2) نیاز است. اصولاً می شد تنها یک RV=2k را به صورت سری با R3=4.7k قرار داد یا حتی فقط RV2=10k را بدون R3 گذاشت. اصل روشن است: قادر به تنظیم حدود 5k.

تراشه جداسازی ترانسفورماتور سیگنال

بیایید به گزینه ترانسفورماتور برویم. ریز مدار ADUM3190 در دو نسخه 200 و 400 کیلوهرتز موجود است (من ADUM3190TRQZ در 400 دارم)، همچنین یک ریز مدار برای ولتاژ جداسازی بالاتر ADUM4190 وجود دارد. توجه می کنم که مورد کوچکتر از همه است - QSOP16. ولتاژ خروجی Eaout از 0.4 تا 2.4 ولت. در ریزتراشه من ولتاژ خروجیجابجایی حدود 100 میلی ولت (در اسیلوگرام شکل 18 مشاهده می شود). در کل خوب کار میکنه ولی شخصا از محدوده ولتاژ خروجی کاملا راضی نیستم. بر اساس طرح مستندات مونتاژ شده است:

شکل 17. نمودار ADUM3190 از مستندات.

برخی از شکل موج ها:

شکل 18. اسیلوگرام گذرا ADUM3190.

نتایج

خلاصه کنید. به نظر من بهترین گزینه طرح ADO130A داخلی است (از کجا تهیه کردند؟!). و در نهایت یک جدول مقایسه ای کوچک:

تراشه	tr + تاخیر (طبق اسیلاتورها)، µs	tf + تاخیر (طبق اسیلاتورها)، µs	دامنه ولتاژ، V	ولتاژ عایق، V	نویز (نوسان.) mVp-p.	قیمت** هر قطعه، 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

*- تقریباً (با توجه به مدار مونتاژ شدهبا بهینه سازی سرعت)

** - میانگین قیمت برای حداقل.
یاروسلاو ولاسوف

P.S. AOD130A تولید شده توسط Proton OJSC (حک شده با آرم آنها در یک جعبه سیاه) یک نمونه خوب است. قدیمی ها (دهه 90 در یک جعبه قهوه ای) خوب نیستند.

مجموعه مقالات از سه بخش تشکیل شده است:

دخالت در طرح ها

در طول عملکرد عادی یک دستگاه الکترونیکی، ممکن است نویز در مدار ظاهر شود.

تداخل نه تنها می تواند در عملکرد عادی دستگاه اختلال ایجاد کند، بلکه منجر به از کار افتادن کامل آن نیز می شود.

برنج. 1. تداخل در سیگنال مفید.

با قرار دادن آن در قسمتی از مدار مورد مطالعه می توانید تداخل را بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ مشاهده کنید (شکل 1). مدت تداخل می تواند بسیار کوتاه (واحدهای نانوثانیه، به اصطلاح "سوزن") یا بسیار طولانی (چند ثانیه) باشد. شکل و قطبیت تداخل نیز متفاوت است.
انتشار (عبور) تداخل نه تنها از طریق اتصالات سیمی مدار، بلکه حتی گاهی اوقات بین بخشهایی از مدار که با سیم به هم متصل نیستند، رخ می دهد. علاوه بر این، تداخل را می توان با یکدیگر جمع کرد. بنابراین، یک تداخل ضعیف ممکن است باعث خرابی مدار دستگاه نشود، اما تجمع همزمان چندین تداخل تصادفی ضعیف منجر به عملکرد نادرست دستگاه می شود. این واقعیت جستجو و حذف تداخل را چندین برابر پیچیده می کند، زیرا آنها شخصیت تصادفی تری به خود می گیرند.

منابع تداخل را می توان به طور تقریبی به موارد زیر تقسیم کرد:

• منبع تداخل خارجییک میدان الکترومغناطیسی یا الکترواستاتیک قوی در نزدیکی دستگاه ممکن است باعث اختلال در عملکرد دستگاه الکترونیکی شود. به عنوان مثال، صاعقه، سوئیچینگ رله جریان بالا، یا کار جوشکاری الکتریکی.
• منبع تداخل داخلیبرای مثال، روشن/خاموش کردن یک بار راکتیو (موتور یا آهنربای الکتریکی) در یک دستگاه ممکن است باعث خرابی بقیه مدار شود. یک الگوریتم برنامه نادرست نیز می تواند منبع نویز داخلی باشد.

برای محافظت در برابر تداخل خارجی، سازه یا قطعات منفرد آن را در یک محافظ فلزی یا الکترومغناطیسی قرار می دهند و از محلول های مداری با حساسیت کمتر به تداخل خارجی نیز استفاده می شود. استفاده از فیلترها، بهینه سازی الگوریتم کار، تغییر در ساخت کل مدار و محل قرارگیری قطعات آن نسبت به یکدیگر از تداخل داخلی کمک می کند.
این سرکوب بی رویه همه تداخل ها نیست که بسیار ظریف تلقی می شود، بلکه هدایت آگاهانه آنها به مکان هایی در مدار است که بدون ایجاد آسیب از بین می روند. در برخی موارد، این راه بسیار ساده تر، فشرده تر و ارزان تر است.

تخمین احتمال تداخل در مدارها و راه های جلوگیری از آنها کار ساده ای نیست و نیاز به دانش نظری و تجربه عملی دارد. اما با این وجود، با سختی، می توان گفت که احتمال تداخل افزایش می یابد:

• با افزایش جریان یا ولتاژ سوئیچ در مدار،
• با افزایش حساسیت قطعات مدار،
• با افزایش سرعت قطعات اعمال شده.

برای اینکه طراحی تمام شده به دلیل خرابی های مکرر دوباره انجام نشود، بهتر است در مرحله طراحی مدار با منابع احتمالی و مسیرهای انتشار تداخل آشنا شوید. از آنجایی که حدود نیمی از تمام تداخلات با قدرت "بد" مرتبط است، بهتر است طراحی یک دستگاه را با انتخاب راهی برای تغذیه قطعات آن شروع کنید.

تداخل منبع تغذیه

شکل 2 یک بلوک دیاگرام معمولی از یک دستگاه الکترونیکی را نشان می دهد که شامل یک منبع تغذیه، یک مدار کنترل، یک درایور و یک محرک است.
اکثر ساده ترین ربات های سری در این سایت بر اساس این طرح ساخته شده اند.

برنج. 2. منبع تغذیه مشترک قطعات کنترل و قدرت.

در چنین طرح هایی، دو بخش را می توان به طور مشروط تشخیص داد: کنترل و قدرت. بخش کنترل جریان نسبتا کمی مصرف می کند و شامل هر مدار کنترلی یا محاسباتی است. بخش برق جریان بسیار بیشتری مصرف می کند و شامل یک تقویت کننده و یک بار پایانی است.
بیایید هر قسمت از مدار را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم.

برنج. 2 الف.

منبع قدرت(شکل 2 الف) ممکن است "باتری" یا منبع تغذیه ترانسفورماتور اصلی باشد. منبع تغذیه ممکن است شامل یک تنظیم کننده ولتاژ و یک فیلتر کوچک نیز باشد.

برنج. 2 ب.

طرح کنترل- این بخشی از طرح است (شکل 2 ب.)، که در آن هر اطلاعاتی مطابق با عملکرد الگوریتم پردازش می شود. سیگنال هایی از منابع خارجی، به عنوان مثال، از هر سنسوری نیز می توانند به اینجا بیایند. خود مدار کنترل را می توان با استفاده از میکروکنترلرها یا سایر ریز مدارها یا روی عناصر گسسته مونتاژ کرد.

خطوط ارتباطیآنها به سادگی مدار کنترل را به درایور محرک متصل می کنند، یعنی آنها فقط سیم کشی یا مسیرهای PCB هستند.

برنج. 2 اینچ

دستگاه اجرایی(شکل 2 ج.) اغلب مکانیزمی است که سیگنال الکتریکی را به کارهای مکانیکیمانند موتور الکتریکی یا آهنربای الکتریکی. یعنی محرک جریان الکتریکی را به شکل دیگری از انرژی تبدیل می کند و معمولاً جریان نسبتاً زیادی مصرف می کند.

برنج. 2 سال

از آنجایی که سیگنال مدار کنترل بسیار ضعیف است، بنابراین درایور یا آمپلی فایر(شکل 2d) بخشی جدایی ناپذیر از بسیاری از طرح ها است. بسته به نوع محرک، درایور را می توان، برای مثال، تنها بر روی یک ترانزیستور یا یک ریزمدار خاص اجرا کرد.


به عنوان یک قاعده، منبع اصلی تداخل قوی، محرک است. تداخلی که در اینجا ظاهر شد، پس از عبور از راننده، بیشتر در امتداد گذرگاه قدرت پخش می شود (تداخل در شکل 2 به صورت شماتیک با یک فلش نارنجی نشان داده شده است). و از آنجایی که مدار کنترل از همان منبع تغذیه تغذیه می شود، احتمالاً این تداخل نیز بر آن تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، تداخلی که در موتور ظاهر می شود از درایور عبور می کند و ممکن است منجر به خرابی مدار کنترل شود.
در مدارهای ساده کافی است یک خازن با ظرفیت بالا در حدود 1000 میکروفاراد و یک سرامیک 0.1 میکروفاراد را به موازات منبع تغذیه قرار دهیم. آنها به عنوان یک فیلتر ساده عمل خواهند کرد. در مدارهایی با جریان مصرفی حدود 1 آمپر یا بیشتر، برای محافظت در برابر تداخل شدید شکل پیچیده، باید یک فیلتر حجیم و پیچیده نصب کنید، اما این همیشه کمک نمی کند.
در بسیاری از طرح ها، بیشتر به روشی سادهاستفاده از منابع تغذیه جداگانه برای قسمت های کنترل و قدرت مدار کمک می کند تا از اثرات تداخل خلاص شوید، یعنی استفاده از به اصطلاح منبع تغذیه مجزا.
اگرچه قدرت جداگانه نه تنها برای مبارزه با تداخل استفاده می شود.

غذای جدا.

در شکل شکل 3 بلوک دیاگرام یک دستگاه را نشان می دهد. این مدار از دو منبع تغذیه استفاده می کند. قسمت برق مدار توسط منبع تغذیه 1، و طرح کنترل - از منبع تغذیه 2. هر دو منبع تغذیه توسط یکی از قطب ها متصل می شوند، این سیم در کل مدار مشترک است و سیگنال ها نسبت به آن از طریق خط ارتباطی منتقل می شوند.

برنج. 3. منبع تغذیه جداگانه برای قطعات کنترل و قدرت.

در نگاه اول، چنین مداری با دو منبع تغذیه دست و پا گیر و پیچیده به نظر می رسد. در واقع، چنین مدارهای منبع تغذیه جداگانه، به عنوان مثال، در 95٪ از تمام تجهیزات خانگی استفاده می شود. منبع تغذیه جداگانه فقط سیم پیچ های مختلف ترانسفورماتور با ولتاژها و جریان های مختلف وجود دارد. این یکی دیگر از مزایای مدارهای منبع تغذیه جداگانه است: چندین واحد با ولتاژهای تغذیه متفاوت را می توان در یک دستگاه استفاده کرد. مثلاً برای کنترلر از ولتاژ 5 ولت و برای موتور 10-15 ولت استفاده کنید.
با نگاهی به نمودار در شکل. 3، مشاهده می شود که تداخل از واحد قدرت قادر به وارد شدن به واحد کنترل در امتداد خط برق نیست. در نتیجه، نیاز به سرکوب یا فیلتر کردن آن به طور کامل از بین می رود.

برنج. 4. منبع تغذیه را با یک تثبیت کننده جدا کنید.

در سازه های متحرک، به عنوان مثال، ربات های متحرک، به دلیل ابعاد، استفاده از دو بسته باتری همیشه راحت نیست. بنابراین، می توان با استفاده از یک بسته باتری، یک منبع تغذیه جداگانه ساخت. در این حالت، مدار کنترل از منبع تغذیه اصلی از طریق یک تثبیت کننده با فیلتر کم مصرف تغذیه می شود، شکل. 4. در این مدار باید افت ولتاژ در تثبیت کننده نوع انتخابی را در نظر بگیرید. به طور معمول، یک بسته باتری با ولتاژ بالاتر از ولتاژ مورد نیاز مدار کنترل استفاده می شود. در این حالت، عملکرد مدار حتی با تخلیه جزئی باتری ها حفظ می شود.

برنج. 5. L293 با منبع تغذیه مجزا.

بسیاری از ریز مدارهای درایور بلافاصله برای استفاده در مدارهای منبع تغذیه جداگانه طراحی شده اند. به عنوان مثال، تراشه راه انداز معروف L293 ( برنج. 5) خروجی دارد در مقابل- برای تغذیه مدار کنترل (Logic Supply Voltage) و خروجی در مقابل- برای تغذیه مراحل پایانی درایور برق (ولتاژ منبع تغذیه یا ولتاژ منبع تغذیه خروجی).
در تمامی طرح های ربات های دارای میکروکنترلر یا تراشه منطقی از سری، می توانید L293 را با مدار منبع تغذیه جداگانه روشن کنید. در این حالت، ولتاژ تغذیه قسمت برق (ولتاژ برای موتورها) می تواند در محدوده 4.5 تا 36 ولت باشد و ولتاژ را می توان به Vss مانند تغذیه یک میکروکنترلر یا تراشه منطقی (معمولاً 5 ولت) اعمال کرد. .

اگر قسمت کنترل (میکروکنترلر یا تراشه منطقی) از طریق تثبیت کننده تغذیه شود و قسمت برق مستقیماً از بسته باتری تغذیه شود، این می تواند به میزان قابل توجهی در تلفات انرژی صرفه جویی کند. از آنجایی که تثبیت کننده فقط مدار کنترل را تغذیه می کند و نه کل ساختار را. آی تی - یکی دیگر از مزایای منبع تغذیه جداگانه: صرفه جویی در انرژی.

اگر دوباره به نمودار شکل 3 نگاه کنید، متوجه می شوید که علاوه بر سیم مشترک (GND)، قسمت برق نیز توسط خطوط ارتباطی به مدار کنترل متصل می شود. در برخی موارد، نویز نیز می تواند از طریق این سیم ها از قسمت برق به مدار کنترل عبور کند. علاوه بر این، این خطوط ارتباطی اغلب به شدت در برابر تأثیرات الکترومغناطیسی ("پیکاپ") حساس هستند. با به کار بردن اصطلاحا می توانید یک بار برای همیشه از شر این پدیده های مضر خلاص شوید جداسازی گالوانیکی.
اگرچه عایق گالوانیکی نیز نه تنها برای مبارزه با تداخل استفاده می شود.

جداسازی گالوانیکی

در نگاه اول، چنین تعریفی ممکن است باورنکردنی به نظر برسد!
چگونه می توانید بدون سیگنال ارسال کنید تماس الکتریکی?
در واقع، حتی دو راه وجود دارد که این امکان را می دهد.

برنج. 6.

انتقال سیگنال نوریبر اساس پدیده حساسیت به نور نیمه هادی ها ساخته شده است. برای این کار، از یک جفت LED و یک دستگاه حساس به نور (ترانزیستور فوتو، فوتودیود) استفاده شده است، شکل 6.

برنج. 7.

یک جفت فتودیکتور LED در یک محفظه در مقابل یکدیگر جدا شده اند. این جزئیات نامیده می شود اپتوکوپلر(نام خارجی اپتوکوپلر) شکل 7.
اگر جریانی از LED کوپلر اپتوکوپلر عبور کند، مقاومت ردیاب نوری داخلی تغییر می کند. به این صورت است که انتقال سیگنال بدون تماس انجام می شود، زیرا LED کاملاً از ردیاب نوری جدا شده است.
یک اپتوکوپلر جداگانه برای هر خط انتقال سیگنال مورد نیاز است. فرکانس سیگنال ارسالی نوری می تواند از صفر تا چند ده یا صدها کیلوهرتز متغیر باشد.

برنج. هشت

انتقال سیگنال القاییبر اساس پدیده القای الکترومغناطیسی در یک ترانسفورماتور است. هنگامی که جریان در یکی از سیم پیچ های ترانسفورماتور تغییر می کند، جریان در سیم پیچ دیگر تغییر می کند. بنابراین، سیگنال از سیم پیچ اول به سیم پیچ دوم منتقل می شود (شکل 8). این اتصال بین سیم پیچ ها نیز نامیده می شود تبدیل کننده، و ترانسفورماتور برای جداسازی گالوانیکی گاهی اوقات به عنوان نامیده می شود ترانسفورماتور جدا کننده.

برنج. 9.

از نظر ساختاری، ترانسفورماتورها معمولاً بر روی یک هسته فریت حلقه ای ساخته می شوند و سیم پیچ ها حاوی چندین ده دور سیم هستند (شکل 9). با وجود پیچیدگی ظاهری چنین ترانسفورماتور، می توان آن را به طور مستقل در چند دقیقه ساخت. ترانسفورماتورهای آماده سایز کوچک برای ایزولاسیون گالوانیکی نیز به فروش می رسد.
یک چنین ترانسفورماتور جداگانه برای هر خط انتقال سیگنال مورد نیاز است. فرکانس سیگنال ارسالی می تواند از چند ده هرتز تا صدها هزار مگاهرتز متغیر باشد.

بسته به نوع سیگنال ارسالی و الزامات مدار، می توانید ترانسفورماتور یا عایق گالوانیکی نوری را انتخاب کنید. در مدارهایی با عایق گالوانیکی در دو طرف، مبدل های مخصوصی نصب می شوند تا با بقیه مدار مطابقت داشته باشند (کوپلینگ، واسط).

اکنون یک بلوک دیاگرام با استفاده از جداسازی گالوانیکی بین قطعات کنترل و قدرت در شکل 10 در نظر بگیرید.

برنج. 10. منبع تغذیه و عایق گالوانیکی مجزای کانال ارتباطی.

با توجه به این نمودار، مشاهده می شود که هرگونه تداخلی از قسمت پاور راهی برای نفوذ به قسمت کنترل ندارد، زیرا هیچ تماس الکتریکی بین قطعات مدار وجود ندارد.
عدم وجود تماس الکتریکی بین بخش‌های مدار در مورد عایق‌سازی گالوانیکی به شما امکان می‌دهد با خیال راحت محرک‌های با قدرت ولتاژ بالا را کنترل کنید. به عنوان مثال، نوعی از پانل کنترل که با چندین ولت تغذیه می شود، می تواند به صورت گالوانیکی از ولتاژ فاز اصلی چند صد ولتی جدا شود که باعث افزایش ایمنی برای پرسنل عملیاتی می شود. این یک مزیت مهم مدارهای با عایق گالوانیکی است.

مدارهای کنترل با عایق گالوانیکی را تقریباً همیشه می توان در دستگاه های حیاتی و همچنین در منابع تغذیه سوئیچینگ یافت. به خصوص در جایی که حتی کوچکترین احتمال تداخل وجود دارد. اما حتی در دستگاه های آماتور نیز از ایزولاسیون گالوانیکی استفاده می شود. از آنجایی که یک عارضه جزئی مدار توسط ایزولاسیون گالوانیکی، اطمینان کامل را در عملکرد روان دستگاه به ارمغان می آورد.

با قضاوت بر اساس چندین پست اخیر، خوب است که مشخص شود عایق کاری گالوانیکی چیست و چرا به آن نیاز است. بنابراین:

جداسازی گالوانیکی- انتقال انرژی یا سیگنال بین مدارهای الکتریکی بدون تماس الکتریکی بین آنها.

حالا بیایید به چند نمونه نگاه کنیم :)

مثال 1. شبکه

اغلب، آنها در مورد انزوا گالوانیکی در رابطه با برق اصلی صحبت می کنند، و در اینجا دلیل آن است. تصور کنید که سیم را با دست خود از پریز گرفته اید. "اتصال" شما از نظر برق به این صورت است:

و بله، جریان نشتی دمپایی ها به اندازه ای است که هنگام لمس سیم "فاز" شبکه، احساس "ضربه" در شما ایجاد کند. اگر دمپایی ها خشک هستند، چنین "ضربه ای" معمولا بی ضرر است. اما، اگر با پای برهنه روی زمین مرطوب بایستید، عواقب آن می تواند بسیار وحشتناک باشد.

اگر یک ترانسفورماتور در مدار وجود داشته باشد، موضوع کاملاً دیگری است:

اگر یکی از پایانه های ترانسفورماتور را لمس کنید، هیچ جریانی از شما عبور نمی کند - به سادگی جایی برای جریان ندارد، ترمینال دوم ترانسفورماتور در هوا آویزان است. البته اگر هر دو ترمینال ترانسفورماتور را بگیرید، و ولتاژ کافی از آن خارج شود، آن وقت بلعیده می شود و غیره.

بنابراین، در این مورد، ترانسفورماتور عایق گالوانیکی را فراهم می کند. علاوه بر ترانسفورماتور، تعداد بیشتری نیز وجود دارد روش های مختلفارسال سیگنال بدون ایجاد تماس الکتریکی:

• نوری: کوپلرهای نوری، فیبر نوری، پنل های خورشیدی
• رادیو: گیرنده ها، فرستنده ها
• صدا: بلندگو، میکروفون
• خازنی: از طریق یک خازن بسیار کوچک
• مکانیکی: موتور ژنراتور
• هنوز هم میتونی فکر کنی

مثال 2: اسیلوسکوپ

یک راه مگا کلاسیک برای منفجر کردن نیمی از طرح وجود دارد. انجمن حتی یک انجمن مربوطه دارد. واقعیت این است که بسیاری از مردم فراموش می کنند که اسیلوسکوپ (و بسیاری از تجهیزات دیگر) به زمین متصل است. هنگامی که یک اسیلوسکوپ را به مداری که مستقیماً از برق تغذیه می شود وصل می کنید، تصویر کامل به این صورت است:

به یاد داشته باشید - هنگامی که چیزی را به مدار وصل می کنید، بخشی از مدار می شود! این موضوع در مورد تجهیزات اندازه گیری مختلف نیز صادق است.

روش صحیح اندازه گیری در چنین مداری این است که آن را از طریق یک ترانسفورماتور ایزولاسیون 220-> 220 وصل کنید:

پیدا کردن ترانسفورماتورهای آماده 220-> 220 بسیار دشوار است. بنابراین، می توانید از شیفترهای به اصطلاح استفاده کنید. یک شیفتر دو ترانسفورماتور است، به عنوان مثال 220-> 24، به صورت سری مانند زیر خاموش می شوند:

چگونه در عمل به نظر می رسد، احتمالاً در موارد زیر دیده اید:

تعویض حتی بهتر از یک ترانسفورماتور 220->220 است.

• آنها نیمی از ظرفیت بین ورودی و خروجی را فراهم می کنند
• قسمت میانی را می توان به زمین متصل کرد و بنابراین فیلتر کردن تداخل از شبکه بسیار خوب است
• شما می توانید 3 ترانسفورماتور را روشن کنید و سپس می توانید 440 یا 110 ولت دریافت کنید

به طور طبیعی از تنش بیشتردر خروجی ترانسفورماتورها، جریان کمتر و بهتر است.

ترانه

خیلی وقت پیش حتی آهنگی با موضوع جداسازی گالوانیکی نوشتم. آهنگ زیر اسپویلر.

آهنگ، متن و توضیحات

این مینی آهنگ را زمانی ضبط کردم که در حال انجام کارهای الکترونیکی صوتی مختلف بودم. یکی از دوستان یک لوسیون گیتار تیوپ درست کرد و به این فکر کرد که ترانسفورماتوری که 220 را به 220 تبدیل می کند کاملاً بی فایده است، آن را از مدار بیرون انداخت و بهای آن را پرداخت. من فکر کردم که این موضوع کاملاً برای یک مینی آهنگ متال است.

هی اولدفگ! مرورگر شما از html5 پشتیبانی نمی کند! تازه کردن!

شما ترانسفورماتور آند نگذاشتید
به طور مستقیم از شبکه تغذیه می شود
باتری زیر پا بود
و تو با دستت گیتار رو گرفتی

جریان بدن فانی را سوراخ می کند
چرخاندن گوشت فانی
نمیتونی دستتو باز کنی
شما تنها هستید و هیچ کس نمی تواند کمک کند

پاره شدن و سوزش
الکترون ها قلب شما را فشرده می کنند
ضربه می زند یا فروکش می کند؟
ایمنی، به یاد داشته باشید، بالاتر از همه چیز است.

به هر حال، علاوه بر پایان دادن به این آهنگ کوچک، دو نکته خوب دیگر نیز وجود دارد:

• بله، همه با ولتاژ شبکهباید توسط حداقل دو نفر انجام شود.
• هنگامی که با جریان برخورد می کند، دست جمع می شود، بنابراین در ابتدا بهتر است دستگاه ها را با پشت دست راست لمس کنید.

نتیجه

طبیعتاً موضوع پایان نامه به همین جا ختم نمی شود. به عنوان مثال، انتقال سیگنال های سریع از طریق یک تبادل بسیار دشوار است. اما در مورد این - کمی بعد.

جداسازی گالوانیکی مدار اپتوکوپلر

اپتوکوپلر چیست

اپتوکوپلر که به عنوان اپتوکوپلر نیز شناخته می شود، یک قطعه الکترونیکی است که سیگنال های الکتریکی را با استفاده از نور مادون قرمز بین دو مدار الکتریکی جدا شده ارسال می کند. به عنوان یک عایق، اپتوکوپلر می تواند از عبور جلوگیری کند ولتاژ بالادر امتداد زنجیره انتقال سیگنال از طریق مانع نوری با کمک یک LED IR انجام می شود و یک عنصر حساس به نور، مانند ترانزیستور نوری، اساس ساختار اپتوکوپلر است. Optocoupler ها در مدل ها و پیکربندی های داخلی مختلف موجود هستند. یکی از رایج ترین آنها یک دیود IR و یک ترانزیستور فوتو در یک بسته 4 پین است که در شکل نشان داده شده است. در حین کار نباید از برخی پارامترها تجاوز کرد. این حداکثر مقادیر در ارتباط با نمودارها برای طراحی مناسب حالت کار استفاده می شود. در سمت ورودی، دیود ساطع کننده مادون قرمز دارای حداکثر جریان و ولتاژ رو به جلو مشخصی است که بیش از آن باعث سوختن عنصر ساطع می شود. اما حتی سیگنالی که خیلی کوچک باشد نمی تواند آن را درخشان کند و اجازه نمی دهد که ضربه بیشتر در طول مدار منتقل شود. مزایای کوپلرهای نوری امکان ایجاد ایزولاسیون گالوانیکی بین ورودی و خروجی. برای اپتوکوپلرها، هیچ محدودیت فیزیکی یا طراحی اساسی برای دستیابی به ولتاژهای بالا و مقاومت های جداسازی و ظرفیت کوچک دلخواه وجود ندارد. امکان اجرای کنترل نوری بدون تماس اجسام الکترونیکی و تنوع و انعطاف پذیری حاصل از راه حل های طراحی برای مدارهای کنترل. توزیع یک طرفه اطلاعات در کانال نوری، بدون بازخورد از گیرنده به امیتر. پهنای باند فرکانس وسیع اپتوکوپلر، بدون محدودیت از جانب فرکانس های پایین; امکان انتقال سیگنال پالس و یک جزء ثابت از طریق مدار اپتوکوپلر. توانایی کنترل سیگنال خروجی اپتوکوپلر با تأثیرگذاری بر مواد کانال نوری و احتمال متعاقب آن ایجاد انواع سنسورها و همچنین انواع دستگاه ها برای انتقال اطلاعات. امکان ایجاد میکرو عملکردی لوازم برقیبا آشکارسازهای نوری، که ویژگی های آنها، هنگام روشن شدن، طبق یک قانون پیچیده تغییر می کند. مصونیت کانال های ارتباطی نوری در برابر اثرات میدان های الکترومغناطیسی، که آنها را در برابر تداخل و نشت اطلاعات مصون می کند و همچنین تداخل متقابل را حذف می کند. سازگاری فیزیکی و سازنده-تکنولوژیکی با سایر دستگاه های نیمه هادی و رادیویی الکترونیکی. معایب اپتوکوپلرها مصرف انرژی قابل توجه به دلیل نیاز به تبدیل انرژی مضاعف (برق - نور - الکتریسیته) و راندمان پایین این انتقال ها. افزایش حساسیت پارامترها و ویژگی ها به اثرات دمای بالا و تشعشعات نافذ؛ تخریب موقت پارامترهای اپتوکوپلر؛ سطح نسبتاً بالایی از نویز ذاتی، به دلیل، مانند دو اشکال قبلی، به ویژگی های فیزیک LED ها. پیچیدگی اجرا بازخورد، ناشی از جداسازی الکتریکی مدارهای ورودی و خروجی. نقص سازنده و تکنولوژیکی مرتبط با استفاده از فناوری غیر مسطح هیبریدی، با نیاز به ترکیب در یک دستگاه چندین - کریستال های جداگانه از نیمه هادی های مختلف واقع در سطوح مختلف. کاربرد کوپلرهای نوری به عنوان عناصر جداسازی گالوانیکی، اپتوکوپلرها استفاده می شوند: برای اتصال بلوک های تجهیزات، که بین آنها تفاوت پتانسیل قابل توجهی وجود دارد. برای محافظت از مدارهای ورودی دستگاه های اندازه گیری از تداخل و تداخل. یکی دیگر از زمینه های اصلی کاربرد کوپلرهای نوری، کنترل نوری و بدون تماس مدارهای با جریان بالا و ولتاژ بالا است. راه اندازی تریستورهای قدرتمند، تریاک ها، کنترل دستگاه های رله الکترومکانیکی. بلوک های ضربه ایتغذیه. ایجاد کوپلرهای نوری "طولانی" (دستگاه هایی با راهنمای نور فیبر نوری انعطاف پذیر گسترده) مسیر کاملاً جدیدی را برای استفاده از محصولات اپتوکوپلر - ارتباط در فواصل کوتاه باز کرد. اپتوکوپلرهای مختلفی نیز در مدارهای مدولاسیون مهندسی رادیویی استفاده می شوند. تنظیم خودکارتقویت و دیگران در اینجا از ضربه روی کانال نوری برای وارد کردن مدار به حالت عملکرد بهینه برای تغییر حالت غیر تماسی استفاده می شود. توانایی تغییر خواص کانال نوری تحت تأثیرات خارجی مختلف روی آن به شما امکان می دهد یک سری کامل از سنسورهای اپتوکوپلر ایجاد کنید: اینها سنسورهایی برای رطوبت و آلودگی گاز، سنسوری برای حضور مایع خاص در حجم، سنسورها هستند. برای تمیزی سطح یک جسم و سرعت حرکت آن. تطبیق پذیری اپتوکوپلرها به عنوان عناصر ایزولاسیون گالوانیکی و کنترل غیر تماسی، تنوع و منحصر به فرد بودن بسیاری از عملکردهای دیگر دلیلی بر این است که زمینه های کاربرد اپتوکوپلر عبارتند از فناوری رایانه، اتوماسیون، تجهیزات ارتباطی و رادیویی، سیستم های کنترل خودکار، تجهیزات اندازه گیری. ، سیستم های کنترل و تنظیم، الکترونیک پزشکی، دستگاه های نمایش بصری. بیشتر در مورد انواع مختلف optocouplers، این سند را ببینید.

elwo.ru

جداسازی گالوانیکی: اصول و طرح

ایزولاسیون گالوانیکی اصل ایزولاسیون الکتریکی مدار جریان مورد بررسی در رابطه با مدارهای دیگری است که در یک دستگاه وجود دارد و عملکرد فنی را بهبود می بخشد. جداسازی گالوانیکیبرای حل وظایف زیر استفاده می شود:

1. دستیابی به استقلال زنجیره سیگنال. هنگام اتصال دستگاه ها و دستگاه های مختلف استفاده می شود، استقلال مدار سیگنال الکتریکی را در مورد جریان هایی که در طول اتصال انواع مختلف دستگاه ها ایجاد می شود، تضمین می کند. کوپلینگ گالوانیکی مستقل مشکلات سازگاری الکترومغناطیسی را حل می کند، تأثیر تداخل را کاهش می دهد، نسبت سیگنال به نویز را در مدارهای سیگنال بهبود می بخشد و دقت واقعی اندازه گیری فرآیندهای در حال انجام را افزایش می دهد. ایزولاسیون گالوانیکی با ورودی و خروجی ایزوله به سازگاری دستگاه ها با دستگاه های مختلفتحت پارامترهای پیچیده محیط الکترومغناطیسی. چند کاناله ابزار اندازه گیریتبادل گروهی یا کانالی داشته باشید. جداسازی می‌تواند برای چندین کانال اندازه‌گیری یکسان باشد یا برای هر کانال به طور مستقل کانال به کانال باشد.
2. تحقق الزامات GOST 52319-2005 فعلی در مورد ایمنی الکتریکی. این استاندارد مقاومت عایق را در تجهیزات کنترل و اندازه گیری الکتریکی تنظیم می کند. ایزولاسیون گالوانیکی به عنوان یکی از مجموعه اقدامات برای اطمینان از ایمنی الکتریکی در نظر گرفته می شود، باید به موازات سایر روش های حفاظتی (زمین، مدارهای محدود کننده ولتاژ و جریان، اتصالات ایمنی و غیره) کار کند.

جداسازی می تواند ارائه شود روش های مختلفو وسایل فنی: حمام های گالوانیکی، ترانسفورماتورهای القایی، ایزولاتورهای دیجیتال، رله های الکترومکانیکی.

نمودارهای حل برای جداسازی گالوانیکی

در طول ساخت سیستم های پیچیده برای پردازش دیجیتال سیگنال های دریافتی مربوط به عملیات در شرایط صنعتی، جداسازی گالوانیکی باید وظایف زیر را حل کند:

1. از مدارهای کامپیوتری در برابر جریان ها و ولتاژهای بحرانی محافظت کنید. این امر در صورتی مهم است که شرایط عملیاتی شامل قرار گرفتن در معرض امواج الکترومغناطیسی صنعتی باشد، مشکلاتی برای اتصال به زمین و غیره وجود داشته باشد. چنین شرایطی در خودروهایی که ضریب نفوذ انسانی زیادی دارند نیز رخ می دهد. خطاها می توانند باعث خرابی کامل تجهیزات گران قیمت شوند.
2. از کاربران در برابر آسیب محافظت کنید شوک الکتریکی. شایع ترین مشکل مربوط به دستگاه های پزشکی است.
3. اثرات مضر تداخل های مختلف را به حداقل برسانید. یک عامل مهم در آزمایشگاه هایی که اندازه گیری های دقیق را هنگام ساختن سیستم های دقیق در ایستگاه های مترولوژی انجام می دهند.

در حال حاضر، جداسازی ترانسفورماتور و نوری به طور گسترده ای استفاده می شود.

اصل عملکرد اپتوکوپلر

مدار اپتوکوپلر

دیود ساطع کننده نور بایاس رو به جلو است و فقط نور را از ترانزیستور فوتو دریافت می کند. طبق این روش اتصال گالوانیکی مدارهایی انجام می شود که از یک طرف با LED و از طرف دیگر با فوتوترانزیستور متصل می شوند. از مزایای دستگاه های اپتوالکترونیک می توان به توانایی انتقال ارتباطات در محدوده وسیع، توانایی انتقال سیگنال های تمیز در فرکانس های بالا و ابعاد خطی کوچک اشاره کرد.

ضرب کننده های تکانه های الکتریکی

آنها سطح مورد نیاز عایق الکتریکی را فراهم می کنند، از فرستنده-فرستنده، خطوط ارتباطی و دستگاه های گیرنده تشکیل شده اند.

ضرب کننده های پالس

خط ارتباطی باید سطح مورد نیاز ایزولاسیون سیگنال را فراهم کند؛ در دستگاه های دریافت کننده، پالس ها به مقادیر لازم برای شروع تریستورها تقویت می شوند.

استفاده از ترانسفورماتورهای الکتریکی برای جداسازی قابلیت اطمینان را افزایش می دهد سیستم های نصب شدهساخته شده بر اساس کانال های چند مجتمع سریال در صورت خرابی یکی از آنها.

پارامترهای کانال های چندگانه

پیام های کانال شامل اطلاعات، فرمان یا سیگنال های پاسخ است، یکی از آدرس ها رایگان است و برای انجام وظایف سیستم استفاده می شود. استفاده از ترانسفورماتورها قابلیت اطمینان عملکرد سیستم های مونتاژ شده بر اساس کانال های چند مجتمع سریال را افزایش می دهد و عملکرد دستگاه را در صورت خرابی چندین گیرنده تضمین می کند. با توجه به استفاده از کنترل انتقال چند مرحله ای در سطح سیگنال، نشانگرهای ایمنی بالای نویز ارائه شده است. AT حالت عمومیعملکرد، ارسال پیام به چندین مصرف کننده مجاز است، که شروع اولیه سیستم را تسهیل می کند.

ساده ترین وسیله الکتریکی یک رله الکترومغناطیسی است. اما عایق گالوانیکی مبتنی بر این دستگاه دارای اینرسی بالا، ابعاد نسبتاً بزرگ است و تنها می تواند انرژی مصرفی زیادی را برای تعداد کمی از مصرف کنندگان فراهم کند. چنین کاستی هایی از کاربرد گسترده رله ها جلوگیری می کند.

عایق گالوانیکی فشاری می تواند مقدار انرژی الکتریکی مصرفی در حالت بار کامل را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و در نتیجه عملکرد اقتصادی دستگاه ها را بهبود بخشد.

جداسازی فشاری-کششی

با توجه به استفاده از ایزولاسیون گالوانیکی، امکان ایجاد مدارهای مدرن وجود دارد کنترل خودکار، تشخیص و کنترل با ایمنی بالا، قابلیت اطمینان و پایداری عملیات.

plast-product.ru

جداسازی گالوانیکی چه کسی، اگر نه یک اپتوکوپلر؟

در الکترونیک چیزی به عنوان عایق گالوانیکی وجود دارد. تعریف کلاسیک آن انتقال انرژی یا سیگنال بین مدارهای الکتریکی بدون تماس الکتریکی است. اگر مبتدی هستید، این عبارت بسیار کلی و حتی مرموز به نظر می رسد. اگر تجربه مهندسی دارید یا فقط فیزیک را به خوبی به خاطر دارید، به احتمال زیاد قبلاً به ترانسفورماتورها و کوپلرهای نوری فکر کرده اید.

مقاله زیر برش اختصاص داده شده است روش های مختلفجداسازی گالوانیکی سیگنال های دیجیتال. ما به شما خواهیم گفت که چرا اصلاً مورد نیاز است و چگونه تولید کنندگان یک مانع عایق "داخل" ریز مدارهای مدرن را اجرا می کنند.

همانطور که قبلاً ذکر شد گفتار بر جداسازی سیگنال های دیجیتال متمرکز خواهد بود. در ادامه متن، منظور از جداسازی گالوانیکی، انتقال یک سیگنال اطلاعاتی بین دو مدار الکتریکی مستقل است.

چرا نیاز است

سه کار اصلی وجود دارد که با جدا کردن یک سیگنال دیجیتال حل می شود.

اولین چیزی که به ذهن می رسد محافظت در برابر ولتاژ بالا است. در واقع، ارائه عایق گالوانیکی یک الزام ایمنی برای اکثر وسایل الکتریکی است. اجازه دهید میکروکنترلر که به طور طبیعی دارای ولتاژ تغذیه پایینی است، سیگنال های کنترلی را برای ترانزیستور قدرت یا سایر دستگاه های ولتاژ بالا تنظیم کند. این بیش از یک کار رایج است. اگر بین درایور، که سیگنال کنترل را از نظر قدرت و ولتاژ افزایش می دهد، و دستگاه کنترل، جداسازی وجود نداشته باشد، میکروکنترلر خطر سوختن ساده را دارد. علاوه بر این، دستگاه های ورودی-خروجی معمولاً با مدارهای کنترل مرتبط هستند، به این معنی که فردی که دکمه روشن را فشار می دهد، می تواند به راحتی مدار را ببندد و شوک چند صد ولتی دریافت کند. از افراد و تجهیزات محافظت کنید.
استفاده از ریز مدارها با یک مانع عایق برای اتصال مدارهای الکتریکی با ولتاژهای تغذیه متفاوت کمتر محبوب نیست. همه چیز در اینجا ساده است: هیچ "اتصال الکتریکی" بین مدارها وجود ندارد، بنابراین سیگنال، سطوح منطقی سیگنال اطلاعات در ورودی و خروجی ریز مدار، با منبع تغذیه در "ورودی" و "خروجی" مطابقت دارد. ” مدارها به ترتیب.
از عایق گالوانیکی نیز برای افزایش ایمنی سیستم ها در برابر نویز استفاده می شود. یکی از منابع اصلی تداخل در تجهیزات رادیویی الکترونیکی، سیم به اصطلاح رایج است که اغلب بدنه دستگاه است. هنگام انتقال اطلاعات بدون جداسازی گالوانیکی، سیم مشترک پتانسیل کل فرستنده و گیرنده لازم برای انتقال سیگنال اطلاعات را فراهم می کند. از آنجایی که سیم مشترک معمولاً به عنوان یکی از قطب های برق عمل می کند، اتصال دستگاه های الکترونیکی مختلف به آن، به ویژه برق، منجر به نویز ضربه ای کوتاه مدت می شود. آنها هنگام تعویض حذف می شوند اتصال الکتریکی» برای اتصال از طریق یک مانع عایق.

چگونه کار می کند

به طور سنتی، عایق گالوانیکی بر روی دو عنصر ساخته می شود - ترانسفورماتور و اپتوکوپلر. اگر جزئیات را حذف کنید، اولی برای سیگنال های آنالوگ و دومی برای دیجیتال استفاده می شود. ما فقط مورد دوم را در نظر می گیریم، بنابراین منطقی است که به خواننده یادآوری کنیم که یک اپتوکوپلر چه کسی است. برای انتقال یک سیگنال بدون تماس الکتریکی، از یک جفت ساطع کننده نور (اغلب یک LED) و یک آشکارساز نور استفاده می شود. سیگنال الکتریکی در ورودی به "پالس های نور" تبدیل می شود، از لایه انتقال دهنده نور عبور می کند، توسط ردیاب نوری دریافت می شود و دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود.

جداسازی Optocoupler محبوبیت زیادی به دست آورده است و برای چندین دهه تنها فناوری برای جداسازی سیگنال های دیجیتال بود. با این حال، با توسعه صنعت نیمه هادی ها، با ادغام همه چیز و همه چیز، ریزمدارها ظاهر شده اند که یک مانع عایق را به قیمت هزینه های دیگر اجرا می کنند. فن آوری های مدرن. ایزولاتورهای دیجیتال ریزمدارهایی هستند که یک یا چند کانال ایزوله را ارائه می دهند که هر کدام از نظر سرعت و دقت انتقال سیگنال، از نظر ایمنی نویز و اغلب از نظر هزینه هر کانال، از اپتوکوپلر بهتر عمل می کنند.

سد ایزولاسیون ایزولاتورهای دیجیتال با استفاده از فناوری های مختلفی ساخته می شود. شرکت معروف Analog Devices از ترانسفورماتور پالس به عنوان مانع در جداکننده های دیجیتال ADUM استفاده می کند. در داخل محفظه ریز مدار دو کریستال وجود دارد و یک ترانسفورماتور پالس به طور جداگانه روی یک فیلم پولیمید ساخته شده است. فرستنده کریستالی دو پالس کوتاه در جلوی سیگنال اطلاعات و یک پالس در امتداد کاهش سیگنال اطلاعات تولید می کند. ترانسفورماتور پالساجازه می دهد تا با کمی تاخیر، پالس های کریستالی فرستنده را که تبدیل معکوس بر روی آنها انجام می شود، دریافت کند.

فن آوری توصیف شده با موفقیت در اجرای عایق گالوانیکی استفاده می شود، از بسیاری جهات برتر از کوپلرهای نوری است، با این حال، دارای تعدادی معایب مرتبط با حساسیت ترانسفورماتور به تداخل و خطر اعوجاج هنگام کار با پالس های ورودی کوتاه است.

سطح بسیار بالاتری از مقاومت در برابر تداخل در ریزمدارها ارائه می شود، جایی که مانع جداسازی بر روی خازن ها اجرا می شود. استفاده از خازن ها این امکان را فراهم می کند که ارتباط را حذف کنید جریان مستقیمبین گیرنده و فرستنده که در مدارهای سیگنال معادل جداسازی گالوانیکی است.

اگر جمله آخر شما را هیجان زده کرد.. اگر میل شدیدی به فریاد زدن دارید که هیچ عایق گالوانیکی روی خازن ها وجود ندارد، پس توصیه می کنم از موضوعاتی مانند این بازدید کنید. وقتی خشم شما فروکش کرد، لطفاً توجه داشته باشید که همه این بحث ها به سال 2006 برمی گردد. در آنجا، همانطور که در سال 2007، ما، همانطور که می دانید، باز نمی گردیم. و عایق های دارای مانع خازنی مدت هاست که ساخته شده، استفاده می شود و کاملاً کار می کند.

از مزایای جداسازی خازنی راندمان انرژی بالا، ابعاد کوچک و مقاومت در برابر میدان های مغناطیسی خارجی است. این به شما امکان می دهد عایق های یکپارچه ارزان قیمتی را با آن ایجاد کنید نرخ بالاقابلیت اطمینان. آنها توسط دو شرکت - Texas Instruments و Silicon Labs تولید می شوند. این شرکت ها از فناوری های مختلفی برای ایجاد کانال استفاده می کنند، اما در هر دو مورد از دی اکسید سیلیکون به عنوان دی الکتریک استفاده می شود. این ماده از استحکام الکتریکی بالایی برخوردار است و چندین دهه است که در ساخت ریز مدارها استفاده می شود. در نتیجه، SiO2 به راحتی در کریستال ادغام می شود و یک لایه دی الکتریک با ضخامت چند میکرومتر برای ایجاد ولتاژ جداسازی چندین کیلوولت کافی است.بر روی یکی (برای Texas Instruments) یا هر دو (برای Silicon Labs) پدهای کندانسور قرار دارند. کریستال ها از طریق این پدها به هم متصل می شوند، بنابراین سیگنال اطلاعات از طریق مانع جداسازی از گیرنده به فرستنده منتقل می شود.اگر چه تگزاس اینسترومنتز و آزمایشگاه سیلیکون از فناوری های بسیار مشابهی برای ادغام مانع خازنی روی تراشه استفاده می کنند، اما از اصول کاملاً متفاوتی برای انتقال استفاده می کنند. سیگنال اطلاعات

هر کانال جدا شده در Texas Instruments یک مدار نسبتاً پیچیده است.

"نیمه پایین" آن را در نظر بگیرید. سیگنال اطلاعات به زنجیره های RC تغذیه می شود، که از آنها پالس های کوتاه در امتداد لبه های بالا و پایین سیگنال ورودی گرفته می شود و سیگنال با استفاده از این پالس ها بازیابی می شود. این روش عبور از مانع خازنی برای سیگنال های با تغییر کند (فرکانس پایین) مناسب نیست. سازنده این مشکل را با تکرار کانال ها حل می کند - "نیمه پایین" مدار یک کانال با فرکانس بالا است و برای سیگنال های 100 کیلوبیت بر ثانیه در نظر گرفته شده است. سیگنال های زیر 100 کیلوبیت در ثانیه در "نیمه بالایی" مدار پردازش می شوند. سیگنال ورودی تحت مدولاسیون اولیه PWM با فرکانس کلاک بالا قرار می‌گیرد، سیگنال مدوله‌شده به مانع جداسازی می‌شود، سیگنال توسط پالس‌های زنجیره‌های RC بازیابی می‌شود و بیشتر دمودوله می‌شود. مدار تصمیم گیری در خروجی کانال ایزوله "تصمیم می گیرد" که از کدام "نصف" سیگنال باید به خروجی ریزمدار ارسال شود.

همانطور که در نمودار کانال ایزولاتور تگزاس اینسترومنت مشاهده می کنید، هر دو کانال فرکانس پایین و بالا از سیگنال دهی دیفرانسیل استفاده می کنند. اجازه دهید ماهیت آن را به خواننده یادآوری کنم.

انتقال دیفرانسیل ساده و راه موثرمحافظت در برابر تداخل حالت مشترک سیگنال ورودی در سمت فرستنده به دو سیگنال V+ و V- برعکس یکدیگر تقسیم می شود که به همان اندازه تحت تأثیر تداخل حالت مشترک با طبیعت متفاوت قرار می گیرند. گیرنده سیگنال ها را کم می کند و در نتیجه نویز Vsp حذف می شود.

انتقال دیفرانسیل نیز در جداسازهای دیجیتال از آزمایشگاه سیلیکون استفاده می شود. این ریز مدارها ساختار ساده تر و قابل اعتمادتری دارند. برای عبور از مانع خازنی، سیگنال ورودی تحت مدولاسیون OOK فرکانس بالا (On-Off Keyring) قرار می گیرد. به عبارت دیگر، "یک" از سیگنال اطلاعات با وجود یک سیگنال فرکانس بالا، و "صفر" - با عدم وجود سیگنال فرکانس بالا رمزگذاری می شود. سیگنال مدوله شده بدون اعوجاج از یک جفت خازن عبور می کند و در سمت فرستنده بازیابی می شود.