reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Sabmeet PIXABAY Technologie | 10 stycznia 2017

Anatomia izolatora cyfrowego

Izolatory cyfrowe cechuje znacz膮ca przewaga nad transoptorami w zakresie rozmiar贸w, szybko艣ci, poboru mocy, 艂atwo艣ci u偶ytkowania oraz niezawodno艣ci.
Przez lata projektanci przemys艂owych, medycznych oraz innych system贸w izolowanych mieli do wyboru ograniczony zakres mo偶liwo艣ci stosowania izolacji zabezpieczaj膮cej: jedynym rozs膮dnym wyj艣ciem by艂o zastosowanie transoptor贸w. Dzi艣 izolatory cyfrowe oferuj膮 znaczn膮 przewag臋 je艣li chodzi o wymiary, koszt, pob贸r mocy oraz integracj臋. Zrozumienie natury oraz wsp贸艂zale偶no艣ci trzech kluczowych element贸w cyfrowego izolatora stanowi podstaw臋 wyboru odpowiedniego izolatora. Wspomniane elementy to: materia艂 izoluj膮cy, jego struktura oraz metoda przesy艂u danych. Projektanci stosuj膮 izolacj臋 ze wzgl臋du na wymagania dot. bezpiecze艅stwa oraz aby zredukowa膰 m.in. szum pochodz膮cy z p臋tli masy.

Transfer danych przy wykorzystaniu izolacji galwanicznej nie wymaga po艂膮czenia elektrycznego, nie wyst臋puj膮 tak偶e pr膮dy up艂ywu, dzi臋ki czemu znacznie redukuje si臋 ewentualne zagro偶enia. Izolacja wprowadza jednak pewne ograniczenia zwi膮zane z op贸藕nieniami, poborem mocy, kosztem oraz wymiarami. Celem stosowania izolatora cyfrowego jest spe艂nienie wymaga艅 dotycz膮cych bezpiecze艅stwa, minimalizuj膮c jednocze艣nie wszelkie powsta艂e niedogodno艣ci. Stosowanie transoptor贸w - tradycyjnych izolator贸w - niesie za sob膮 najwi臋ksze ograniczenia. S膮 to m.in.: wysoki pob贸r mocy czy niski transfer danych. Bardziej wydajne oraz szybsze transoptory s膮 dost臋pne na rynku, jednak ich zakup wi膮偶e si臋 ze znacznie wi臋kszymi wydatkami.

Izolatory cyfrowe po raz pierwszy zosta艂y zaprezentowane ponad 10 lat temu, stanowi膮c rozwi膮zanie problem贸w zwi膮zanych z transoptorami. Wykorzystano w nich obwody oparte na CMOS, a do ich g艂贸wnych zalet nale偶a艂y znaczne oszcz臋dno艣ci koszt贸w i energii z jednocze艣nie zwi臋kszon膮 pr臋dko艣ci膮 przesy艂u danych. Zastosowany w nich materia艂 izolacyjny zapewnia zgodno艣膰 ze standardami bezpiecze艅stwa oraz immanentn膮 zdolno艣膰 izolacyjn膮. Struktura oraz metoda transferu danych zosta艂y dobrane tak, aby przezwyci臋偶y膰 wspomniane ograniczenia. Wszystkie trzy elementy musz膮 ze sob膮 wsp贸艂gra膰, aby osi膮gn膮膰 za艂o偶enia projektu, natomiast celem, kt贸ry pozostaje nadrz臋dny dla pozosta艂ych jest zgodno艣膰 z wymaganiami dotycz膮cymi bezpiecze艅stwa.

Materia艂 izoluj膮cy

Izolatory cyfrowe wykorzystuj膮 procesy CMOS, a do ich budowy wykorzystywane s膮 materia艂y powszechnie stosowane w odlewniach. Niestandardowe materia艂y znacznie komplikuj膮 produkcj臋, owocuj膮c obni偶on膮 jako艣ci膮 wyrobu oraz wy偶szymi kosztami produkcji. Popularne materia艂y izoluj膮ce to m.in. polimery, takie jak dwutlenek krzemu (SiO2), b膮d藕 poliamid (PI), kt贸ry mo偶e by膰 walcowany w formie cienkiej tafli. Obydwa s膮 powszechnie znane ze swoich w艂a艣ciwo艣ci izolacyjnych i by艂y stosowane w produkcji standardowych p贸艂przewodnik贸w od lat. Polimery le偶膮 u podstaw wielu transoptor贸w, wielokrotnie umo偶liwiaj膮c stosowanie ich jako izolator贸w wysokiego napi臋cia.


Rys. 1. Transformator z cienk膮 poliamidow膮 izolacj膮, w kt贸rym impulsy elektryczne wytwarzaj膮 pola magnetyczne, indukuj膮c pr膮d w drugiej cewce (lewa); Kondensator z cienk膮 izolacj膮 SiO2 u偶ywaj膮cy p贸l elektrycznych o niskim nat臋偶eniu do sprz臋gania p艂ytek poprzez barier臋 izolacyjn膮 (prawa).



Tabela 1. Izolatory oparte na polimerach/poliamidach charakteryzuj膮 si臋 najlepszymi w艂a艣ciwo艣ciami izolacyjnymi.


Standardy bezpiecze艅stwa zwykle okre艣laj膮 1-minutowy wska藕nik wytrzyma艂o艣ci napi臋ciowej (艣rednio od 2,5 kV rms do 5 kV rms) oraz napi臋cie robocze (zwykle od 125 V rms do 400 V rms). Niekt贸re wymogi r贸wnie偶 okre艣laj膮 kr贸tsze oddzia艂ywanie wy偶szych napi臋膰 (np. skok 10 kV trwaj膮cy 50 碌s) jako element certyfikacji izolacji wzmocnionej. Izolatory oparte na polimerach/poliamidach wykazuj膮 najwi臋ksze w艂a艣ciwo艣ci izolacyjne, jak pokazano w Tabeli 1. Izolatory cyfrowe oparte na poliamidach cechuje znaczne podobie艅stwo do transoptor贸w daj膮c jednocze艣nie wi臋ksz膮 偶ywotno艣膰 przy pracy na standardowych napi臋ciach roboczych.

Izolatory oparte na SiO2 cechuje ni偶szy stopie艅 zabezpieczenia przeciwko zmianom amplitudy, co eliminuje je ze stosowania w medycynie i tym podobnych. Napr臋偶enia wewn臋trzne tych dw贸ch materia艂贸w r贸wnie偶 znacz膮co si臋 r贸偶ni膮. Poliamid posiada ni偶szy wska藕nik napr臋偶e艅, ni偶 SiO2, przez co zwi臋kszona mo偶e by膰 grubo艣膰 stosowanego materia艂u. Z kolei SiO2 posiada ograniczenia ze wzgl臋du na swoj膮 grubo艣膰, a wi臋c tak偶e zdolno艣膰 izolacji - napr臋偶enia powy偶ej 15 碌m mog膮 zaowocowa膰 p臋kni臋ciami p艂at贸w podczas obr贸bki b膮d藕 delaminacji nast臋puj膮cej w okresie u偶ytkowania. Izolatory cyfrowe oparte na poliamidzie wykorzystuj膮 warstwy izolacji o grubo艣ci 26 碌m.

Struktura izolatora

W izolatorach cyfrowych wykorzystuje si臋 transformatory, b膮d藕 kondensatory do magnetycznego lub pojemno艣ciowego sprz臋gania danych przez barier臋 izolacyjn膮, podczas gdy transoptory u偶ywaj膮 艣wiat艂a z diod LED. Transformatory przesy艂aj膮 impulsy elektryczne przez cewk臋, jak pokazano na Rys. 1, podanie impulsu po stronie pierwotnej takiego uk艂adu cewek sprz臋偶onych magnetycznie powoduje powstanie pola magnetycznego, kt贸re indukuje pr膮d w drugiej cewce, po stronie wt贸rnej. Warto艣膰 艣redniego nat臋偶enia pr膮du po stronie wt贸rnej wynika min. z czasu trwania impulsu, podanego do cewki pierwotnej.

Kolejnymi istotnymi parametrami transformator贸w jest ich r贸偶nicowo艣膰 oraz CMTI (Common Mode Transient Immunity) na poziomie do 100 kV/碌s (transoptory zwykle cechuje CMTI na poziomie 15 kV/碌s). Sprz臋偶enie magnetyczne r贸wnie偶 w mniejszym stopniu zale偶y od odleg艂o艣ci pomi臋dzy cewkami w por贸wnaniu z zale偶no艣ci膮 sprz臋偶enia pojemno艣ciowego od odleg艂o艣ci pomi臋dzy powierzchniami. Pozwala to na zastosowanie cie艅szej warstwy izolacji pomi臋dzy cewkami transformatora, owocuj膮c w rezultacie wy偶sz膮 zdolno艣ci膮 izolacyjn膮.

W po艂膮czeniu z pow艂okami poliamidowymi niskiego obci膮偶enia, w transformatorach z u偶yciem poliamidu mo偶e zosta膰 osi膮gni臋ty wy偶szy poziom izolacji, ni偶 w kondensatorach wykorzystuj膮cych SiO2. Kondensatory cechuje r贸wnie偶 niezbalansowanie oraz ni偶szy wska藕nik CMTI. Cz臋艣ci r贸偶nicowe kondensator贸w mog膮 s艂u偶y膰 do kompensacji, jednak kosztem wi臋kszych rozmiar贸w oraz wy偶szej ceny. G艂贸wn膮 zalet膮 kondensator贸w jest fakt, i偶 u偶ywaj膮 one niskich nat臋偶e艅 do wytwarzania pola sprz臋gaj膮cego. Zaczyna to by膰 odczuwalne przy wy偶szych pr臋dko艣ciach przesy艂u danych, przekraczaj膮cych 25 Mbps.

Transoptory u偶ywaj膮 艣wiat艂a wytwarzanego przez diody LED do transmitowania danych przez warstw臋 izolacyjn膮: dioda w艂膮cza si臋 dla logicznego sygna艂u HIGH i wy艂膮cza dla sygna艂u LOW. Kiedykolwiek dioda jest za艂膮czana, transoptor zu偶ywa pr膮d, co czyni go nieprzydatnym w zastosowaniach wymagaj膮cych niskiego poboru energii. W przypadku wi臋kszo艣ci transoptor贸w parametry sygna艂u na wej艣ciu i wyj艣ciu zale偶膮 od projektanta, nie zawsze b臋d膮c 艂atwymi do implementacji.

Izolatory cyfrowe u偶ywaj膮 bardziej zaawansowanych obwod贸w do kodowania i dekodowania danych daj膮c przy tym mo偶liwo艣膰 szybszego transferu danych oraz obs艂ugi bardziej skomplikowanych, dwukierunkowych interfejs贸w, takich jak USB czy I2C. Jedna z metod zak艂ada kodowanie wzniesie艅 i spadk贸w kraw臋dzi jako pojedyncze lub podw贸jne impulsy nap臋dzaj膮ce transformator (Rys. 2). Impulsy te dekodowane s膮 z powrotem po drugiej stronie. Pob贸r mocy mo偶e spa艣膰 dziesi臋cio, a nawet stukrotnie w stosunku do transoptor贸w, poniewa偶 zasilanie nie jest stosowane w tym przypadku bezustannie. Zastosowa膰 mo偶na r贸wnie偶 obwody od艣wie偶aj膮ce, kt贸rych zadaniem jest regulacja nat臋偶enia pr膮du sta艂ego.

Kolejn膮 metod膮 transferu danych jest przesy艂anie zmodulowanych sygna艂贸w radiowych w podobny spos贸b, w jaki transoptory przesy艂aj膮 艣wiat艂o - sygna艂 HIGH oznacza sta艂膮 transmisj臋 sygna艂u. Metoda ta cechuje si臋 wi臋kszym poborem mocy, poniewa偶 wszystkie sygna艂y HIGH wymagaj膮 sta艂ego zasilania. Zastosowa膰 mo偶na r贸wnie偶 techniki r贸偶nicowe dla regulacji wska藕nika CMRR (Common-Mode Rejection Ratio), jednak najlepiej sprawdzaj膮 si臋 one przy u偶yciu element贸w r贸偶nicowych, takich jak transformatory.


Rys. 2. Jedna z metod transferu danych koduje kraw臋dzie jako pojedyncze lub podw贸jne impulsy.
Wyb贸r odpowiedniej kombinacji

Izolatory cyfrowe oferuj膮 znaczn膮 przewag臋 nad transoptorami pod wzgl臋dem rozmiaru, szybko艣ci, poboru mocy, 艂atwo艣ci u偶ytkowania oraz niezawodno艣ci. Zr贸偶nicowane kombinacje materia艂贸w izoluj膮cych, struktur i metod przesy艂u danych wyr贸偶niaj膮 poszczeg贸lne produkty pod wzgl臋dem zastosowania ich do konkretnych cel贸w. Jak wspomniano powy偶ej, materia艂y oparte na polimerach cechuje najwi臋ksza zdolno艣膰 izolacyjna. Materia艂贸w tych mo偶na u偶ywa膰 praktycznie do wszystkich zada艅, natomiast te najbardziej wymagaj膮ce, takie jak medycyna i przemys艂 ci臋偶ki zyskaj膮 na ich zastosowaniu najwi臋cej.

Dla uzyskania najbardziej efektywnej izolacji mo偶na zwi臋kszy膰 grubo艣膰 poliamidu poza warto艣ci maksymalne, typowe dla kondensator贸w. St膮d izolacja oparta na kondensatorach znajdzie zastosowanie w izolacji funkcjonalnej, gdzie bezpiecze艅stwo izolacji nie jest wymagane. W przeciwnym razie izolacja oparta na transformatorach jest zdecydowanie lepszym wyborem, zw艂aszcza, gd po艂膮czymy go z r贸偶nicow膮 metod膮 przesy艂u danych, kt贸ra czerpie najwi臋cej korzy艣ci z r贸偶nicowej natury transformator贸w.

Artyku艂 uzyskany dzi臋ki uprzejmo艣ci Analog Devices
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
December 13 2018 13:08 V11.10.14-2