© rob bouwman dreamstime.com
Technologie |
Izolacja sygnałów – skuteczne sposoby cz.1
Transoptory mają się dobrze od niemal 30 lat, jednak obecnie pojawiają się skuteczniejsze sposoby i metody izolowania sygnałów. W tym materiale opiszemy przykład magnetycznych izolatorów cyfrowych, których zastosowanie niesie ze sobą wiele korzyści.
Projektowanie izolowanych instrumentów pomiarowych bywa kłopotliwe, a czasem wręcz frustrujące. Izolowana część frontowa (front-end) chroni użytkownika przed potencjalnie szkodliwym, wysokim napięciem występującym w systemie pomiarowym. Zapewnia też inżynierom odpowiednio wysoki poziom dokładności.
Poniższy przykład dobrze to obrazuje. W takim zestawie baterii, znajomość stanu (jego napięcia pracy w danych warunkach pracy) każdego ogniwa pozwala na wydłużenie żywotności całości, a także pozwoli na jego bezpieczną eksploatację przez długi czas.
W takim wypadku pomiar napięcia na pojedynczym ogniwie odbywa się w towarzystwie wysokiego napięcia (common-mode), sięgającego nawet kilkuset woltów. Z podobnym problemem mierzą się projektanci przy tworzeniu aplikacji, gdzie wykonywany jest pomiar temperatury z wykorzystaniem termopar.
Wzmacniacze izolowane stanowiły pierwsze rozwiązanie tego problemu. Jednak okazały się być niewystarczające. Ograniczeniem było pasmo pracy (obecnie wymaga się pracy przy coraz to wyższych częstotliwościach) oraz rozdzielczość. Obecnie stosuje się nieco inne podejście.
Technika ta to izolowanie całego front-endu, z wykorzystaniem nowoczesnych przetworników ADC oraz izolowanych magistrali szeregowych, tak jak to pokazano na powyższym rysunku. Rozwiązanie takie jest bardziej dokładne, efektywniejsze i tańsze, niż zastosowanie wzmacniaczy izolowanych. Magistralą taką może być zarówno SPI, jak i RS485, pozwalające przesyłać dane na większe odległości.
Jeszcze do niedawna - jakieś 10 lat temu - najpopularniejszym sposobem izolowania sygnałów (choć nadal chętnie stosowanym) były transoptory. Jednakże obecnie nie korzysta się z tych rozwiązań w bardziej zaawansowanych konstrukcjach. Wielu projektantów niechętnie sięga po nie, gdyż powodują wiele trudności w tworzeniu rozwiązań wydajnych i wysoce niezawodnych.
Trudności te wynikać mogą z kilku elementów. Jednym z nich jest zapewnienie, by wbudowana dioda LED na pewno zadziałała. Trzeba więc odpowiedniego układu sterującego i zasilającego układ wejściowy transoptora. Z drugiej zaś strony, na wyjściu mamy fototranzystor, który musi być odpowiednio szybki (krótki czas narastania i opadania sygnału), by osiągnąć wymaganą częstotliwość pracy aplikacji. Elementy te mogą ponadto pociągać za sobą wzrost kosztów.
Z tych też wyżej wymienionych powodów, jednym z ważniejszych parametrów transoptorów jest współczynnik CTR. Jednak nie jest on stały: często ma szeroką tolerancję i ulega pogorszeniu wraz z upływem czasu pracy (co warto zaznaczyć, bardzo rzadko jest to opisane w nocie technicznej układu). W przypadku urządzeń pomiarowych, gdzie kluczowym parametrem jest precyzja, są to kwestie co najmniej niewygodne. Projektanci więc projektują aplikację zakładając najgorszy możliwy scenariusz, gdy CTR będzie najgorszy. Wynika to z konieczności zapewnienia odpowiednich parametrów pracy aplikacji przez jak najdłuższy czas.
Izolatory cyfrowe wykorzystują nie-optyczne metody transferu danych poprzez bariery izolacyjne. Przykładowo, układy Analog Devices wykorzystują technologię mikro-transformatorów przy przesłaniu impulsów poprzez barierę. Jednocześnie nie ma tu problemu z degradacją parametrów ze względu na czas pracy czy też zmiany temperaturowe, w przeciwieństwie do tego jak to ma miejsce w wielu transoptorach.
Projektanci mają zagwarantowane takie parametry jak: minimalny i maksymalny prąd pracy oraz jego zużycie, czas propagacji i poziom zakłóceń, w pełnym temperaturowym zakresie pracy i przez długi czas. Mając te stałe projektanci nie muszą dodatkowo tracić czasu na testowanie konstrukcji opartych na transoptorach, ani dokonywać kalkulacji wobec najgorszych scenariuszy. Tego typu komponenty, z cyfrową izolacją, są więc w obecnym czasie bardzo atrakcyjnym sposobem na bezpieczne przekazywanie sygnałów.
Ciekawą cechą izolatorów magnetycznych jest to, że można łatwo opanować kwestie zużycia energii, gdyż te są związane z częstotliwością pracy. Projektanci mogą więc łatwo zaprojektować układ zasilania, znając częstotliwość pracy. Co więcej, przy małych częstotliwościach, lub braku sygnałów, zużycie energii może być minimalne.
Jednak technologie izolacji cyfrowej są nadal dość nowe i nie tak powszechne. Transoptory goszczą w elektronice od 30 lat i wielu projektantów podchodzi ostrożnie od ich nowszych odpowiedników. Obawy są jednak nie uzasadnione. Wielu producentów poważnie podchodzi do swoich produktów, przesyłając je do odpowiednich agencji certyfikujących. Mamy więc pewność, że są to komponenty niezawodne i bezpieczne.
Przykładowo, komponenty Analog Devices wykorzystują poliamidy jako izolatory, czyli ten sam materiał, który wykorzystuje się powszechnie w wielu transoptorach. Dzięki temu, komponenty te przechodzą bez problemu te same testy co transoptory. Co więcej, w międzyczasie wyklarowały się standardy bardziej rygorystyczne, stworzone właśnie z myślą o izolatorach cyfrowych (np. VDE V 0884-10). Można być więc spokojnym o ich skuteczność.
Jedną z tych obaw może być pytanie, czy komponenty takie są w stanie wytrzymać nagłe, silne przepięcia, jak również to, czy tego typu elementy radzą sobie z napięciami przejściowymi (w wyniku pracy w towarzystwie wysokich napięć wspólnych - ‘common-mode’) oraz zakłóceniami magnetycznymi.
Można być spokojnym. Wspomniane testy dowodzą, że zastosowana bariera zapewnia wytrzymałość do 6 kV przez nawet 10 sekund. Komponenty takie, jak te od Analog Devices, świetnie też radzą sobie z napięciami przejściowymi (CMTI). Co więcej, wyniki te są lepsze niż w przypadku innych technologii.
Przykładowo: w przypadku transoptorów, wartość odporności CMTI kształtuje się zwykle w okolicach od 1 do 10 kV/µs. W przypadku cyfrowych izolatorów magnetycznych, wartości te kształtują się często od 35 kV/µs w górę.
Pozostaje kwestia zakłóceń magnetycznych. Owszem, izolatory takie bazują na tym i faktycznie obawa mogłaby być zasadna. Jednak średnice stosowanych mikro-transformatorów oraz odstęp miedzy nimi jest tak mały, że transfer impulsów będzie niezakłócony w większości przypadków. Choć faktycznie, bardzo silne zmienne pole magnetyczne o bardzo dużej częstotliwości mogłoby wpłynąć nieznacznie na poprawność ich pracy i powstanie błędów. O takie warunki jednak trudno i można być spokojnym.
Poniższy wykres przedstawia, jak dużego pola i jak wielkich częstotliwości trzeba, by zakłócić pracę układów, takich jak te z rodziny AD344x. Można tu zobaczyć, że wymaga się 500 A przy 1 MHz w odległości 5 mm, by wpłynąć na przekazywanie danych. W przypadku większości aplikacji nie musimy się więc martwić tego typu rzeczami.
Tego typu technologii jest jednak więcej. Do najpowszechniejszych można zaliczyć technologie pojemnościowe, RF, a także magnetorezystancyjne (GMR).
Komponenty tego typu mają więc przed sobą przyszłość i w większości aplikacji z pewnością wyprą transoptory. Proces ten właściwie już się zaczął i warto iść w tym kierunku, bo korzyści jest na pewno więcej niż wad: większa efektywność, niezawodność i oszczędność.
Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Analog Devices
© Analog Devices
W takim wypadku pomiar napięcia na pojedynczym ogniwie odbywa się w towarzystwie wysokiego napięcia (common-mode), sięgającego nawet kilkuset woltów. Z podobnym problemem mierzą się projektanci przy tworzeniu aplikacji, gdzie wykonywany jest pomiar temperatury z wykorzystaniem termopar.
Wzmacniacze izolowane stanowiły pierwsze rozwiązanie tego problemu. Jednak okazały się być niewystarczające. Ograniczeniem było pasmo pracy (obecnie wymaga się pracy przy coraz to wyższych częstotliwościach) oraz rozdzielczość. Obecnie stosuje się nieco inne podejście.
Technika ta to izolowanie całego front-endu, z wykorzystaniem nowoczesnych przetworników ADC oraz izolowanych magistrali szeregowych, tak jak to pokazano na powyższym rysunku. Rozwiązanie takie jest bardziej dokładne, efektywniejsze i tańsze, niż zastosowanie wzmacniaczy izolowanych. Magistralą taką może być zarówno SPI, jak i RS485, pozwalające przesyłać dane na większe odległości.
Jeszcze do niedawna - jakieś 10 lat temu - najpopularniejszym sposobem izolowania sygnałów (choć nadal chętnie stosowanym) były transoptory. Jednakże obecnie nie korzysta się z tych rozwiązań w bardziej zaawansowanych konstrukcjach. Wielu projektantów niechętnie sięga po nie, gdyż powodują wiele trudności w tworzeniu rozwiązań wydajnych i wysoce niezawodnych.
Trudności te wynikać mogą z kilku elementów. Jednym z nich jest zapewnienie, by wbudowana dioda LED na pewno zadziałała. Trzeba więc odpowiedniego układu sterującego i zasilającego układ wejściowy transoptora. Z drugiej zaś strony, na wyjściu mamy fototranzystor, który musi być odpowiednio szybki (krótki czas narastania i opadania sygnału), by osiągnąć wymaganą częstotliwość pracy aplikacji. Elementy te mogą ponadto pociągać za sobą wzrost kosztów.
Z tych też wyżej wymienionych powodów, jednym z ważniejszych parametrów transoptorów jest współczynnik CTR. Jednak nie jest on stały: często ma szeroką tolerancję i ulega pogorszeniu wraz z upływem czasu pracy (co warto zaznaczyć, bardzo rzadko jest to opisane w nocie technicznej układu). W przypadku urządzeń pomiarowych, gdzie kluczowym parametrem jest precyzja, są to kwestie co najmniej niewygodne. Projektanci więc projektują aplikację zakładając najgorszy możliwy scenariusz, gdy CTR będzie najgorszy. Wynika to z konieczności zapewnienia odpowiednich parametrów pracy aplikacji przez jak najdłuższy czas.
Izolatory cyfrowe wykorzystują nie-optyczne metody transferu danych poprzez bariery izolacyjne. Przykładowo, układy Analog Devices wykorzystują technologię mikro-transformatorów przy przesłaniu impulsów poprzez barierę. Jednocześnie nie ma tu problemu z degradacją parametrów ze względu na czas pracy czy też zmiany temperaturowe, w przeciwieństwie do tego jak to ma miejsce w wielu transoptorach.
Projektanci mają zagwarantowane takie parametry jak: minimalny i maksymalny prąd pracy oraz jego zużycie, czas propagacji i poziom zakłóceń, w pełnym temperaturowym zakresie pracy i przez długi czas. Mając te stałe projektanci nie muszą dodatkowo tracić czasu na testowanie konstrukcji opartych na transoptorach, ani dokonywać kalkulacji wobec najgorszych scenariuszy. Tego typu komponenty, z cyfrową izolacją, są więc w obecnym czasie bardzo atrakcyjnym sposobem na bezpieczne przekazywanie sygnałów.
Ciekawą cechą izolatorów magnetycznych jest to, że można łatwo opanować kwestie zużycia energii, gdyż te są związane z częstotliwością pracy. Projektanci mogą więc łatwo zaprojektować układ zasilania, znając częstotliwość pracy. Co więcej, przy małych częstotliwościach, lub braku sygnałów, zużycie energii może być minimalne.
Jednak technologie izolacji cyfrowej są nadal dość nowe i nie tak powszechne. Transoptory goszczą w elektronice od 30 lat i wielu projektantów podchodzi ostrożnie od ich nowszych odpowiedników. Obawy są jednak nie uzasadnione. Wielu producentów poważnie podchodzi do swoich produktów, przesyłając je do odpowiednich agencji certyfikujących. Mamy więc pewność, że są to komponenty niezawodne i bezpieczne.
Przykładowo, komponenty Analog Devices wykorzystują poliamidy jako izolatory, czyli ten sam materiał, który wykorzystuje się powszechnie w wielu transoptorach. Dzięki temu, komponenty te przechodzą bez problemu te same testy co transoptory. Co więcej, w międzyczasie wyklarowały się standardy bardziej rygorystyczne, stworzone właśnie z myślą o izolatorach cyfrowych (np. VDE V 0884-10). Można być więc spokojnym o ich skuteczność.
Jedną z tych obaw może być pytanie, czy komponenty takie są w stanie wytrzymać nagłe, silne przepięcia, jak również to, czy tego typu elementy radzą sobie z napięciami przejściowymi (w wyniku pracy w towarzystwie wysokich napięć wspólnych - ‘common-mode’) oraz zakłóceniami magnetycznymi.
Można być spokojnym. Wspomniane testy dowodzą, że zastosowana bariera zapewnia wytrzymałość do 6 kV przez nawet 10 sekund. Komponenty takie, jak te od Analog Devices, świetnie też radzą sobie z napięciami przejściowymi (CMTI). Co więcej, wyniki te są lepsze niż w przypadku innych technologii.
Przykładowo: w przypadku transoptorów, wartość odporności CMTI kształtuje się zwykle w okolicach od 1 do 10 kV/µs. W przypadku cyfrowych izolatorów magnetycznych, wartości te kształtują się często od 35 kV/µs w górę.
Pozostaje kwestia zakłóceń magnetycznych. Owszem, izolatory takie bazują na tym i faktycznie obawa mogłaby być zasadna. Jednak średnice stosowanych mikro-transformatorów oraz odstęp miedzy nimi jest tak mały, że transfer impulsów będzie niezakłócony w większości przypadków. Choć faktycznie, bardzo silne zmienne pole magnetyczne o bardzo dużej częstotliwości mogłoby wpłynąć nieznacznie na poprawność ich pracy i powstanie błędów. O takie warunki jednak trudno i można być spokojnym.
Poniższy wykres przedstawia, jak dużego pola i jak wielkich częstotliwości trzeba, by zakłócić pracę układów, takich jak te z rodziny AD344x. Można tu zobaczyć, że wymaga się 500 A przy 1 MHz w odległości 5 mm, by wpłynąć na przekazywanie danych. W przypadku większości aplikacji nie musimy się więc martwić tego typu rzeczami.
Tego typu technologii jest jednak więcej. Do najpowszechniejszych można zaliczyć technologie pojemnościowe, RF, a także magnetorezystancyjne (GMR).
Komponenty tego typu mają więc przed sobą przyszłość i w większości aplikacji z pewnością wyprą transoptory. Proces ten właściwie już się zaczął i warto iść w tym kierunku, bo korzyści jest na pewno więcej niż wad: większa efektywność, niezawodność i oszczędność.
Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Analog Devices
© Analog Devices
