.png)
© Sabmeet PIXABAY
Technologie |
Anatomia izolatora cyfrowego
Izolatory cyfrowe cechuje znacząca przewaga nad transoptorami w zakresie rozmiarów, szybkości, poboru mocy, łatwości użytkowania oraz niezawodności.
Przez lata projektanci przemysłowych, medycznych oraz innych systemów izolowanych mieli do wyboru ograniczony zakres możliwości stosowania izolacji zabezpieczającej: jedynym rozsądnym wyjściem było zastosowanie transoptorów. Dziś izolatory cyfrowe oferują znaczną przewagę jeśli chodzi o wymiary, koszt, pobór mocy oraz integrację. Zrozumienie natury oraz współzależności trzech kluczowych elementów cyfrowego izolatora stanowi podstawę wyboru odpowiedniego izolatora. Wspomniane elementy to: materiał izolujący, jego struktura oraz metoda przesyłu danych. Projektanci stosują izolację ze względu na wymagania dot. bezpieczeństwa oraz aby zredukować m.in. szum pochodzący z pętli masy.
Transfer danych przy wykorzystaniu izolacji galwanicznej nie wymaga połączenia elektrycznego, nie występują także prądy upływu, dzięki czemu znacznie redukuje się ewentualne zagrożenia. Izolacja wprowadza jednak pewne ograniczenia związane z opóźnieniami, poborem mocy, kosztem oraz wymiarami. Celem stosowania izolatora cyfrowego jest spełnienie wymagań dotyczących bezpieczeństwa, minimalizując jednocześnie wszelkie powstałe niedogodności. Stosowanie transoptorów - tradycyjnych izolatorów - niesie za sobą największe ograniczenia. Są to m.in.: wysoki pobór mocy czy niski transfer danych. Bardziej wydajne oraz szybsze transoptory są dostępne na rynku, jednak ich zakup wiąże się ze znacznie większymi wydatkami.
Izolatory cyfrowe po raz pierwszy zostały zaprezentowane ponad 10 lat temu, stanowiąc rozwiązanie problemów związanych z transoptorami. Wykorzystano w nich obwody oparte na CMOS, a do ich głównych zalet należały znaczne oszczędności kosztów i energii z jednocześnie zwiększoną prędkością przesyłu danych. Zastosowany w nich materiał izolacyjny zapewnia zgodność ze standardami bezpieczeństwa oraz immanentną zdolność izolacyjną. Struktura oraz metoda transferu danych zostały dobrane tak, aby przezwyciężyć wspomniane ograniczenia. Wszystkie trzy elementy muszą ze sobą współgrać, aby osiągnąć założenia projektu, natomiast celem, który pozostaje nadrzędny dla pozostałych jest zgodność z wymaganiami dotyczącymi bezpieczeństwa.
Materiał izolujący
Izolatory cyfrowe wykorzystują procesy CMOS, a do ich budowy wykorzystywane są materiały powszechnie stosowane w odlewniach. Niestandardowe materiały znacznie komplikują produkcję, owocując obniżoną jakością wyrobu oraz wyższymi kosztami produkcji. Popularne materiały izolujące to m.in. polimery, takie jak dwutlenek krzemu (SiO2), bądź poliamid (PI), który może być walcowany w formie cienkiej tafli. Obydwa są powszechnie znane ze swoich właściwości izolacyjnych i były stosowane w produkcji standardowych półprzewodników od lat. Polimery leżą u podstaw wielu transoptorów, wielokrotnie umożliwiając stosowanie ich jako izolatorów wysokiego napięcia.
Rys. 1. Transformator z cienką poliamidową izolacją, w którym impulsy elektryczne wytwarzają pola magnetyczne, indukując prąd w drugiej cewce (lewa); Kondensator z cienką izolacją SiO2 używający pól elektrycznych o niskim natężeniu do sprzęgania płytek poprzez barierę izolacyjną (prawa).
Tabela 1. Izolatory oparte na polimerach/poliamidach charakteryzują się najlepszymi właściwościami izolacyjnymi.
Standardy bezpieczeństwa zwykle określają 1-minutowy wskaźnik wytrzymałości napięciowej (średnio od 2,5 kV rms do 5 kV rms) oraz napięcie robocze (zwykle od 125 V rms do 400 V rms). Niektóre wymogi również określają krótsze oddziaływanie wyższych napięć (np. skok 10 kV trwający 50 µs) jako element certyfikacji izolacji wzmocnionej. Izolatory oparte na polimerach/poliamidach wykazują największe właściwości izolacyjne, jak pokazano w Tabeli 1. Izolatory cyfrowe oparte na poliamidach cechuje znaczne podobieństwo do transoptorów dając jednocześnie większą żywotność przy pracy na standardowych napięciach roboczych.
Izolatory oparte na SiO2 cechuje niższy stopień zabezpieczenia przeciwko zmianom amplitudy, co eliminuje je ze stosowania w medycynie i tym podobnych. Naprężenia wewnętrzne tych dwóch materiałów również znacząco się różnią. Poliamid posiada niższy wskaźnik naprężeń, niż SiO2, przez co zwiększona może być grubość stosowanego materiału. Z kolei SiO2 posiada ograniczenia ze względu na swoją grubość, a więc także zdolność izolacji - naprężenia powyżej 15 µm mogą zaowocować pęknięciami płatów podczas obróbki bądź delaminacji następującej w okresie użytkowania. Izolatory cyfrowe oparte na poliamidzie wykorzystują warstwy izolacji o grubości 26 µm.
Struktura izolatora
W izolatorach cyfrowych wykorzystuje się transformatory, bądź kondensatory do magnetycznego lub pojemnościowego sprzęgania danych przez barierę izolacyjną, podczas gdy transoptory używają światła z diod LED. Transformatory przesyłają impulsy elektryczne przez cewkę, jak pokazano na Rys. 1, podanie impulsu po stronie pierwotnej takiego układu cewek sprzężonych magnetycznie powoduje powstanie pola magnetycznego, które indukuje prąd w drugiej cewce, po stronie wtórnej. Wartość średniego natężenia prądu po stronie wtórnej wynika min. z czasu trwania impulsu, podanego do cewki pierwotnej.
Kolejnymi istotnymi parametrami transformatorów jest ich różnicowość oraz CMTI (Common Mode Transient Immunity) na poziomie do 100 kV/µs (transoptory zwykle cechuje CMTI na poziomie 15 kV/µs). Sprzężenie magnetyczne również w mniejszym stopniu zależy od odległości pomiędzy cewkami w porównaniu z zależnością sprzężenia pojemnościowego od odległości pomiędzy powierzchniami. Pozwala to na zastosowanie cieńszej warstwy izolacji pomiędzy cewkami transformatora, owocując w rezultacie wyższą zdolnością izolacyjną.
W połączeniu z powłokami poliamidowymi niskiego obciążenia, w transformatorach z użyciem poliamidu może zostać osiągnięty wyższy poziom izolacji, niż w kondensatorach wykorzystujących SiO2. Kondensatory cechuje również niezbalansowanie oraz niższy wskaźnik CMTI. Części różnicowe kondensatorów mogą służyć do kompensacji, jednak kosztem większych rozmiarów oraz wyższej ceny. Główną zaletą kondensatorów jest fakt, iż używają one niskich natężeń do wytwarzania pola sprzęgającego. Zaczyna to być odczuwalne przy wyższych prędkościach przesyłu danych, przekraczających 25 Mbps.
Transoptory używają światła wytwarzanego przez diody LED do transmitowania danych przez warstwę izolacyjną: dioda włącza się dla logicznego sygnału HIGH i wyłącza dla sygnału LOW. Kiedykolwiek dioda jest załączana, transoptor zużywa prąd, co czyni go nieprzydatnym w zastosowaniach wymagających niskiego poboru energii. W przypadku większości transoptorów parametry sygnału na wejściu i wyjściu zależą od projektanta, nie zawsze będąc łatwymi do implementacji.
Izolatory cyfrowe używają bardziej zaawansowanych obwodów do kodowania i dekodowania danych dając przy tym możliwość szybszego transferu danych oraz obsługi bardziej skomplikowanych, dwukierunkowych interfejsów, takich jak USB czy I2C. Jedna z metod zakłada kodowanie wzniesień i spadków krawędzi jako pojedyncze lub podwójne impulsy napędzające transformator (Rys. 2). Impulsy te dekodowane są z powrotem po drugiej stronie. Pobór mocy może spaść dziesięcio, a nawet stukrotnie w stosunku do transoptorów, ponieważ zasilanie nie jest stosowane w tym przypadku bezustannie. Zastosować można również obwody odświeżające, których zadaniem jest regulacja natężenia prądu stałego.
Kolejną metodą transferu danych jest przesyłanie zmodulowanych sygnałów radiowych w podobny sposób, w jaki transoptory przesyłają światło - sygnał HIGH oznacza stałą transmisję sygnału. Metoda ta cechuje się większym poborem mocy, ponieważ wszystkie sygnały HIGH wymagają stałego zasilania. Zastosować można również techniki różnicowe dla regulacji wskaźnika CMRR (Common-Mode Rejection Ratio), jednak najlepiej sprawdzają się one przy użyciu elementów różnicowych, takich jak transformatory.
Rys. 2. Jedna z metod transferu danych koduje krawędzie jako pojedyncze lub podwójne impulsy.
Wybór odpowiedniej kombinacji
Izolatory cyfrowe oferują znaczną przewagę nad transoptorami pod względem rozmiaru, szybkości, poboru mocy, łatwości użytkowania oraz niezawodności. Zróżnicowane kombinacje materiałów izolujących, struktur i metod przesyłu danych wyróżniają poszczególne produkty pod względem zastosowania ich do konkretnych celów. Jak wspomniano powyżej, materiały oparte na polimerach cechuje największa zdolność izolacyjna. Materiałów tych można używać praktycznie do wszystkich zadań, natomiast te najbardziej wymagające, takie jak medycyna i przemysł ciężki zyskają na ich zastosowaniu najwięcej.
Dla uzyskania najbardziej efektywnej izolacji można zwiększyć grubość poliamidu poza wartości maksymalne, typowe dla kondensatorów. Stąd izolacja oparta na kondensatorach znajdzie zastosowanie w izolacji funkcjonalnej, gdzie bezpieczeństwo izolacji nie jest wymagane. W przeciwnym razie izolacja oparta na transformatorach jest zdecydowanie lepszym wyborem, zwłaszcza, gd połączymy go z różnicową metodą przesyłu danych, która czerpie najwięcej korzyści z różnicowej natury transformatorów.
Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Analog Devices
Rys. 1. Transformator z cienką poliamidową izolacją, w którym impulsy elektryczne wytwarzają pola magnetyczne, indukując prąd w drugiej cewce (lewa); Kondensator z cienką izolacją SiO2 używający pól elektrycznych o niskim natężeniu do sprzęgania płytek poprzez barierę izolacyjną (prawa).
Tabela 1. Izolatory oparte na polimerach/poliamidach charakteryzują się najlepszymi właściwościami izolacyjnymi.
Standardy bezpieczeństwa zwykle określają 1-minutowy wskaźnik wytrzymałości napięciowej (średnio od 2,5 kV rms do 5 kV rms) oraz napięcie robocze (zwykle od 125 V rms do 400 V rms). Niektóre wymogi również określają krótsze oddziaływanie wyższych napięć (np. skok 10 kV trwający 50 µs) jako element certyfikacji izolacji wzmocnionej. Izolatory oparte na polimerach/poliamidach wykazują największe właściwości izolacyjne, jak pokazano w Tabeli 1. Izolatory cyfrowe oparte na poliamidach cechuje znaczne podobieństwo do transoptorów dając jednocześnie większą żywotność przy pracy na standardowych napięciach roboczych.
Izolatory oparte na SiO2 cechuje niższy stopień zabezpieczenia przeciwko zmianom amplitudy, co eliminuje je ze stosowania w medycynie i tym podobnych. Naprężenia wewnętrzne tych dwóch materiałów również znacząco się różnią. Poliamid posiada niższy wskaźnik naprężeń, niż SiO2, przez co zwiększona może być grubość stosowanego materiału. Z kolei SiO2 posiada ograniczenia ze względu na swoją grubość, a więc także zdolność izolacji - naprężenia powyżej 15 µm mogą zaowocować pęknięciami płatów podczas obróbki bądź delaminacji następującej w okresie użytkowania. Izolatory cyfrowe oparte na poliamidzie wykorzystują warstwy izolacji o grubości 26 µm.
Struktura izolatora
W izolatorach cyfrowych wykorzystuje się transformatory, bądź kondensatory do magnetycznego lub pojemnościowego sprzęgania danych przez barierę izolacyjną, podczas gdy transoptory używają światła z diod LED. Transformatory przesyłają impulsy elektryczne przez cewkę, jak pokazano na Rys. 1, podanie impulsu po stronie pierwotnej takiego układu cewek sprzężonych magnetycznie powoduje powstanie pola magnetycznego, które indukuje prąd w drugiej cewce, po stronie wtórnej. Wartość średniego natężenia prądu po stronie wtórnej wynika min. z czasu trwania impulsu, podanego do cewki pierwotnej.
Kolejnymi istotnymi parametrami transformatorów jest ich różnicowość oraz CMTI (Common Mode Transient Immunity) na poziomie do 100 kV/µs (transoptory zwykle cechuje CMTI na poziomie 15 kV/µs). Sprzężenie magnetyczne również w mniejszym stopniu zależy od odległości pomiędzy cewkami w porównaniu z zależnością sprzężenia pojemnościowego od odległości pomiędzy powierzchniami. Pozwala to na zastosowanie cieńszej warstwy izolacji pomiędzy cewkami transformatora, owocując w rezultacie wyższą zdolnością izolacyjną.
W połączeniu z powłokami poliamidowymi niskiego obciążenia, w transformatorach z użyciem poliamidu może zostać osiągnięty wyższy poziom izolacji, niż w kondensatorach wykorzystujących SiO2. Kondensatory cechuje również niezbalansowanie oraz niższy wskaźnik CMTI. Części różnicowe kondensatorów mogą służyć do kompensacji, jednak kosztem większych rozmiarów oraz wyższej ceny. Główną zaletą kondensatorów jest fakt, iż używają one niskich natężeń do wytwarzania pola sprzęgającego. Zaczyna to być odczuwalne przy wyższych prędkościach przesyłu danych, przekraczających 25 Mbps.
Transoptory używają światła wytwarzanego przez diody LED do transmitowania danych przez warstwę izolacyjną: dioda włącza się dla logicznego sygnału HIGH i wyłącza dla sygnału LOW. Kiedykolwiek dioda jest załączana, transoptor zużywa prąd, co czyni go nieprzydatnym w zastosowaniach wymagających niskiego poboru energii. W przypadku większości transoptorów parametry sygnału na wejściu i wyjściu zależą od projektanta, nie zawsze będąc łatwymi do implementacji.
Izolatory cyfrowe używają bardziej zaawansowanych obwodów do kodowania i dekodowania danych dając przy tym możliwość szybszego transferu danych oraz obsługi bardziej skomplikowanych, dwukierunkowych interfejsów, takich jak USB czy I2C. Jedna z metod zakłada kodowanie wzniesień i spadków krawędzi jako pojedyncze lub podwójne impulsy napędzające transformator (Rys. 2). Impulsy te dekodowane są z powrotem po drugiej stronie. Pobór mocy może spaść dziesięcio, a nawet stukrotnie w stosunku do transoptorów, ponieważ zasilanie nie jest stosowane w tym przypadku bezustannie. Zastosować można również obwody odświeżające, których zadaniem jest regulacja natężenia prądu stałego.
Kolejną metodą transferu danych jest przesyłanie zmodulowanych sygnałów radiowych w podobny sposób, w jaki transoptory przesyłają światło - sygnał HIGH oznacza stałą transmisję sygnału. Metoda ta cechuje się większym poborem mocy, ponieważ wszystkie sygnały HIGH wymagają stałego zasilania. Zastosować można również techniki różnicowe dla regulacji wskaźnika CMRR (Common-Mode Rejection Ratio), jednak najlepiej sprawdzają się one przy użyciu elementów różnicowych, takich jak transformatory.
Rys. 2. Jedna z metod transferu danych koduje krawędzie jako pojedyncze lub podwójne impulsy.
Wybór odpowiedniej kombinacji
Izolatory cyfrowe oferują znaczną przewagę nad transoptorami pod względem rozmiaru, szybkości, poboru mocy, łatwości użytkowania oraz niezawodności. Zróżnicowane kombinacje materiałów izolujących, struktur i metod przesyłu danych wyróżniają poszczególne produkty pod względem zastosowania ich do konkretnych celów. Jak wspomniano powyżej, materiały oparte na polimerach cechuje największa zdolność izolacyjna. Materiałów tych można używać praktycznie do wszystkich zadań, natomiast te najbardziej wymagające, takie jak medycyna i przemysł ciężki zyskają na ich zastosowaniu najwięcej.
Dla uzyskania najbardziej efektywnej izolacji można zwiększyć grubość poliamidu poza wartości maksymalne, typowe dla kondensatorów. Stąd izolacja oparta na kondensatorach znajdzie zastosowanie w izolacji funkcjonalnej, gdzie bezpieczeństwo izolacji nie jest wymagane. W przeciwnym razie izolacja oparta na transformatorach jest zdecydowanie lepszym wyborem, zwłaszcza, gd połączymy go z różnicową metodą przesyłu danych, która czerpie najwięcej korzyści z różnicowej natury transformatorów.
Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Analog Devices