Введение

Гальваническая развязка (изоляция), обычно называемая просто развязкой, является способом, в соответствии с которым отдельные части электрической системы могут обладать различными потенциалами земли. Двумя наиболее распространенными причинами создания развязки является безопасность от сбоев в продуктах промышленного класса, и там, где требуется проводная связь между устройствами, каждое из которых имеет собственный источник питания.

Методы развязки по питанию

Трансформаторы

Наиболее распространенной формой развязки является использование трансформатора. При проектировании схемы стабилизации питания, где требуется развязка, изолирующая часть конструкции связана с необходимостью повышения/понижения уровня напряжения и не рассматривается как отдельная часть системы. В случае, если необходимо изолировать всю электрическую систему (например, для многого автомобильного тестирующего оборудования требуется, чтобы источники питания были изолированы от сети переменного тока), для создания необходимой изоляции последовательно с системой может быть установлен трансформатор 1:1.

Рисунок 1 - Ассортимент SMD трансформаторов

Конденсаторы

Менее распространенным методом создания развязки является использование последовательно включенных конденсаторов. Из-за возможности протекания сигналов переменного тока через конденсаторы этот метод может быть эффективным способом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем метод с трансформатором, поскольку в случае неисправности трансформатор разрывает цепь, а конденсатор закорачивает. Одна из целей создания гальванической развязки от сети переменного тока заключается в том, чтобы в случае неисправности пользователь находился в безопасности от работающего неограниченного источника тока.

Рисунок 2 - Пример использования конденсаторов для создания развязки

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Когда требуется, чтобы между двумя частями схемы с разными потенциалами земли проходил сигнал, популярным решением является оптоизолятор (оптопара). Оптоизолятор представляет собой фототранзистор, который открывается («включается»), когда внутренний светодиод находится под напряжением. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является путем прохождения сигнала, и, таким образом, изоляция между потенциалами земли не нарушается.

Рисунок 3 - Схема типового оптоизолятора

Датчик Холла

Другим методом передачи информации между электрическими системами с раздельными потенциалами земли является использование датчика, основанного на эффекте Холла. Датчик Холла детектирует индукцию неинвазивно и не требует прямого контакта с исследуемым сигналом и не нарушает изолирующий барьер. Наиболее распространенное использование проходящей индукционной информации через цепи с различными потенциалами земли - это датчики тока.

Рисунок 4 - Датчик тока, используемый для измерения тока через проводник

Заключение

Гальваническая развязка (изоляция) - это разделение электрических систем/подсистем, в которых может протекать не постоянный ток, и которые могут иметь различные потенциалы земли. Развязку можно разделить на основные категории: по питанию и по сигналу. Существует несколько способов достижения развязки, и в зависимости от требований к проекту некоторые методы могут быть предпочтительнее других.

Практический пример

Рисунок 5 - Схема проекта PoE (Power over Ethernet, питание через Ethernet) на основе контроллера TPS23753PW

На схеме выше несколько трансформаторов и оптоизолятор используются для создания импульсного источника питаний, который используется в устройствах Ethernet PD (Powered Device, питаемое устройство). Разъем J2 имеет внутренние магниты, которые изолируют всю систему от источника PoE. T1 и U2 изолируют источник питания (слева от красной линии) от стабилизированного выхода 3,3 В (справа от красной линии).

Для коммутации нагрузок в цепях переменного тока в последнее время все чаще стали применяться схемы с использованием мощных полевых транзисторов. Этот класс приборов представлен двумя группами. К первой отнесены биполярные транзисторы с изолированным затвором – БТИЗ. Западная аббревиатура – IGBT.

Во вторую, самую многочисленную вошли традиционные полевые (канальные) транзисторы. К этой группе относятся и транзисторы КП707 (см. таблицу 1), на которых и собран коммутатор нагрузки для сети 220 вольт.

Первична сеть переменного тока очень опасная вещь во всех отношениях. Поэтому существует много схемных решений, позволяющих избежать управления нагрузками в сети напрямую. Ранее для этих целей использовались разделительные трансформаторы, в настоящее время им на смену пришли разнообразные оптроны.

Транзисторный ключ с оптической развязкой

Схема, ставшая уже типовой, показана на рисунке 1.


Данная схема позволяет гальванически развязать управляющие цепи и цепь первичной сети 220 вольт. В качестве развязывающего элемента применен оптрон TLP521. Можно применить и другие импортные или отечественные транзисторные оптроны. Схема простая и работает следующим образом. Кода напряжение на входных клеммах равно нулю, светодиод оптрона не светится, транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных коммутирующих транзисторов. Таким образом, на их затворах присутствует открывающее напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона VD1. В этом случае транзисторы открыты и работают по очереди, в зависимости от полярности напряжения в данный момент времени. Допусти, на выходном выводе схемы 4 присутствует плюс, а на клемме 3 – минус. Тогда ток нагрузки потечет от клеммы 3 к клемме 5, через нагрузку к клемме 6, далее через внутренний защитный диод транзистора VT2, через открытый транзистор VT1 к клемме 4. При смене полярности питающего напряжения, ток нагрузки потечет уже через диод транзистора VT1 и открытый транзистор VT2. Элементы схемы R3, R3, C1 и VD1 не что иное, как безтрансформаторный источник питания. Номинал резистора R1 соответствует входному напряжению пять вольт и может быть изменен при необходимости.

Вся схема выполнена в виде функционально законченного блочка. Элементы схемы установлены на небольшой П-образной печатной плате, показанной на рисунке 2.


Сама плата одним винтом крепится к пластине из алюминия с размерами 56×43х6 мм, являющейся первичным теплоотводом. К ней же через теплопроводную пасту и слюдяные изолирующие прокладки с помощью винтов с втулками крепятся и мощные транзисторы VT1 и VT2. Угловые отверстия сверятся и в плате и в пластине и служат, при необходимости, для крепления блока к другому более мощному теплоотводу.

В этой статье речь пойдет в первую очередь об оптической развязке аналогового сигнала. Будет рассматриваться бюджетный вариант. Также основное внимание уделяется быстродействию схемотехнического решения.

Способы развязки аналогового сигнала

Небольшой обзор. Существует три основных способа гальванической развязки аналогового сигнала: трансформаторный, оптический и конденсаторный. Первые два нашли наибольшее применение. На сегодняшний день существует целый класс устройств, которые называются изолирующие усилители или развязывающие усилители (Isolated Amplifier). Такие устройства передают сигнал по средствам его преобразования (в схеме присутствует модулятор и демодулятор сигнала).

Рис.1. Общая схема изолирующих усилителей.

Есть устройства как для передачи аналогового сигнала по напряжению (ADUM3190, ACPL-C87), так и специализированные, для подключения непосредственно к токовому шунту (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). В данной статье мы не будем рассматривать дорогие устройства, однако перечислим некоторые из них: iso100, iso124, ad202..ad215 и др.

Существует также другой класс устройств – развязывающие оптические усилители с линеаризующей обратной связью (Linear Optocoupler) к этим устройствам относятся il300, loc110, hcnr201. Принцип действия этих устройств легко понять, посмотрев на их типовую схему подключения.

Рис.2. Типовая схема для развязывающих оптических усилителей.

Подробнее о развязывающих усилителях вы можете почитать: А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях» (глава 2), также будет полезен документ AN614 «A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers» от silicon labs, там есть хорошая сравнительная таблица. Оба источника есть в интернете.

Специальные микросхемы оптической развязки сигнала

Теперь к делу! Для начала сравним три специализированных микросхемы: il300, loc110, hcnr201. Подключенные по одной и той же схеме:

Рис.3. Тестовая схема для il300, hc n r201 и loc110.

Разница только в номиналах для il300, hcnr201 R1,R3=30k, R2=100R, а для loc110 10k и 200R соответственно (я подбирал разные номиналы чтобы добиться максимального быстродействия, но при этом не выйти за допустимые пределы, например, по току излучающего диода). Ниже приведены осциллограммы, которые говорят сами за себя (здесь и далее: синий – входной сигнал, желтый — выходной).

Рис.4. Осциллограмма переходного процесса il300.

Рис.5. Осциллограмма переходного процесса hcnr201.

Рис.6. Осциллограмма переходного процесса loc 110.

Теперь рассмотрим микросхему ACPL-C87B (диапазон входного сигнала 0..2В). Честно говоря с ней я провозился достаточно долго. У меня в наличии было две микросхемы, после того как получил неожиданный результат на первой, со второй обращался очень аккуратно, особенно при пайке. Собирал всё по схеме, указанной в документации:

Рис.7. Типовая схема для ACPL — C 87 из документации.

Результат один и тот же. Подпаивал керамические конденсаторы непосредственно вблизи ножек питания, менял ОУ (естественно проверял его на других схемах), пересобирал схему и т.д. В чем собственно загвоздка: выходной сигнал имеет значительные флуктуации.

Рис.8. Осциллограмма переходного процесса ACPL — C 87.

Несмотря на то, что производитель обещает уровень шума выходного сигнала 0.013 mVrms и для варианта «B» точность ±0.5%. В чем же дело? Возможно ошибка в документации, поскольку с трудом верится в 0.013 mVrms. Непонятно. Но посмотрим в графу Test Conditions/Notes напротив Vout Noise и на Рис.12 документации:

Рис.9. Зависимость уровня шума от величины входного сигнала и частоты выходного фильтра.

Здесь картина немного проясняется. Видимо производитель говорит нам о том, что мы можем задушить эти шумы через ФНЧ. Ну что ж, спасибо за совет (иронично). Зачем вот только всё это таким хитрым образом вывернули. Скорее всего понятно зачем. Ниже приведены графики без и с выходным RC фильтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Рис.10. Осциллограмма переходного процесса ACPL — C 87 без и с выходным фильтром.

Применение оптопар общего назначения для развязки сигнала

Теперь перейдем к самому интересному. Ниже приведены схемы, которые я нашел в интернете.

Рис.11. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.12. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.13. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Такое решение имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществу отнесем большее напряжение изоляции, к недостаткам то, что две микросхемы могут значительно отличаться по параметрам, поэтому кстати рекомендуется использовать микросхемы из одной партии.

Я собрал эту схему на микросхеме 6n136:

Рис.14. Осциллограмма переходного процесса развязки на 6 N 136.

Получилось, но медленно. Пробовал собирать и на других микросхемах (типа sfh615), получается, но тоже медленно. Мне надо было быстрее. К тому же часто схема не работает из-за возникающих автоколебаний (в таких случаях говорят САР неустойчива))) Помогает увеличение номинала конденсатора С2 рис. 16.

Один знакомый посоветовал отечественную оптопару АОД130А . Результат на лицо:

Рис.15. Осциллограмма переходного процесса развязки на АОД130А.

А вот и схема:

Рис.16: Схема развязки на АОД130А.

Потенциометр нужен один (RV1 или RV2) в зависимость от того будет выходной сигнал меньше или больше входного. В принципе можно было поставить только один RV=2k последовательно с R3=4.7k, ну или вообще оставить только RV2=10k без R3. Принцип понятен: иметь возможность подстройки в районе 5k.

Микросхема трансформаторной развязки сигнала

Перейдем к трансформаторному варианту. Микросхема ADUM3190 в двух вариантах на 200 и 400 кГц (у меня на 400 — ADUM3190TRQZ), также есть микросхема на более высокое напряжение изоляции ADUM4190. Замечу, корпус самый маленький из всех – QSOP16. Выходное напряжение Eaout от 0.4 до 2.4В. В моей микросхеме выходное напряжение смещения около 100мВ (видно на осциллограмме рис. 18). В целом работает неплохо, но лично меня несовсем устраивает выходной диапазон напряжения. Собрано по схеме из документации:

Рис.17. Схема ADUM3190 из документации.

Немного осциллограмм:

Рис.18. Осциллограмма переходного процесса ADUM3190.

Итоги

Подведем итог. На мой взгляд наилучшим вариантом является схема на отечественных АДО130А (где они их только взяли?!). Ну и напоследок небольшая сравнительная таблица:

Микросхема	tr+задерж. (по осцилл.), мкс	tf+задерж. (по осцилл.), мкс	Диап. напряж., В	Напряж. изоляции, В	Шум (по осцилл.) мВп-п.	Цена** за шт., р (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	нд	500
6N136	10	8	0-3*	2500	15	50
АОД130А	2	3	0.01-3*	1500	10	90
ADUM3190T	2	2	0.4-2.4	2500	20	210

*- приблизительно (по собранной схеме с оптимизацией по быстродействию)

**- цена средняя по минимальным.
Ярослав Власов

P.S. АОД130А производства ОАО «Протон» (с гравировкой их логотипа в черном корпусе) — хороший. Старые (90х годов в коричневом корпусе) не годятся.

Цикл статей состоит из трёх частей:

Помехи в схемах.

В процессе нормальной работы электронного устройства могут появляться помехи в схеме.

Помехи могут не только препятствовать нормальной работе устройства, но и привести к его полному выходу из строя.

Рис. 1. Помехи в полезном сигнале.

Увидеть помехи можно на экране осциллографа, включив его в исследуемую часть схемы (Рис. 1). Длительность помех может быть как очень маленькой (единицы наносекунд, так называемые "иголки"), так и очень большой (несколько секунд). Форма и полярность помех тоже бывает разная.
Распространение (прохождение) помех происходит не только по проводным соединениям схемы, но иногда даже и между частями схемы, не соединёнными проводкниами. Кроме того помехи могут накладываясь, суммироваться друг с другом. Так, единичная слабая помеха может не вызвать сбоя в схеме устройства, но одновременное скопление нескольких слабых случайных помех приводит к неверной работе устройства. Этот факт во много раз усложняют поиск и устранение помех, так как они принимают ещё более случайный харрактер.

Источники помех можно грубо разделить:

• Внешний источник помех. Находящийся рядом с устройством источник сильного электромагнитного или электростатического поля может привести к сбоям в электронном устройстве. Например разряд молнии, релейная коммутация больших токов или работа электросварки.
• Внутненний источник помех. Например, при включении/выключении нагрузки с реактивным собпротивлением (электромотора или электромагнита) в устройстве, может происходить сбой в работе остальной части схемы. Неверный алгоритм программы тоже может быть источником внутренних помех.

Для защиты от внешних помех конструкцию или отдельные её части помещают в металлический или электромагнитный экран, а так же применяют схемные решения с меньшей чувствительностью к внешним помехам. От внутренних помех помогает применение фильтров, оптимизация алгоритма работы, изменение построения всей схемы и расположения её частей относительно друг друга.
Очень элегантным считается не безразборное подавление всех помех, а сознательное направление их в те места схемы, где они затухнут, не причинив вреда. В ряде случаев такой путь намного проще, компактнее и дешевле.

Оценка вероятности появления помех в схемах и пути их предотвращения - задача не простая, требующая теоретических знаний и практического опыта. Но тем не менее с твёрдостью можно сказать, что вероятность появления помехи возрастает:

• с увеличением коммутируемого тока или напряжения в цепи,
• с увеличением чувствительности частей схемы,
• с увеличением быстродействия применённых деталей.

Что бы не переделывать готовую конструкцию из за частых сбоев, лучше уже на стадии проектирования схемы ознакомиться с возможными источниками и путями распространения помех. Так как около половины всех проялвений помех связаны с "плохим" питанием, то начинать проектировать устройство лучше всего с выбора способа питания его частей.

Помехи по цепям питания.

На рисунке 2 представлена типичная блок-схема некоего электронного устройства, которое состоит из источника питания, схемы управления, драйвера и исполнительного устройства.
По такой схеме построены большинство простейших роботов из серии на этом сайте.

Рис. 2. Совместное питание управляющей и силовой части.

В таких схемах можно условно выделить две части: управляющую и силовую. Управляющая часть потребляет относительно мало тока и содержит какие-либо контролирующие или вычислительные схемы. Силовая часть потребляет значительно больше тока и в неё входит улилитель и оконечная нагрузка.
Рассмотрим каждую часть схемы подробнее.

Рис. 2 a.

Источник питания (Рис. 2 a.) может представлять собой "батарейки" или сетевой трансформаторный блок питания. В источник питания так же может входить стабилизатор напряжения и небольшой фильтр.

Рис. 2 б.

Схема управления - это часть схемы (Рис. 2 б.), где просиходит обработка какой либо информации в соответствии с работой алгоритма. Сюда же могут поступать сигналы с внешних источников, например, с каких либо сенсоров. Сама схема управления может быть собрана с применением микроконтроллеров или других микросхем, или же на дисретных элементах.

Линии связи просто соединяют схему управления с драйвером исполнительным устройством, то есть это просто проводки или дорожки печатной платы.

Рис. 2 в.

Исполнительное устройство (Рис. 2 в.) часто представляет собой механизм, который преобразует электрический сигнал в механическую работу, например электромотор или электромагнит. То есть исполнительное устройство преобразовывает электрический ток в другой вид энергии и обычно потребляет относительно большой ток.

Рис. 2 г.

Так как сигнал от схемы управления очень слабый, поэтому драйвер или усилитель (Рис. 2 г.) является неотъемлемой частью многих схем. Драйвер может быть выполненн, например, на одном лишь транзисторе или специальной микросхеме, в зависимости от типа исполнительного устройства.


Как правило, основным источником сильных помех является исполнительное устройство. Появившаяся тут помеха, пройдя через драйвер, распространяется и дальше по шине питания (Помеха на Рис. 2 показана схематично оранжевой стрелкой). А так как схема управления запитана от того же источника питания, то велика вероятность воздействия этой помехи и на неё. То есть, например, помеха, появившись в моторе, пройдёт через драйвер и может привести к сбою в схеме управления.
В простых схемах бывает достаточно поставить параллельно с источником питания конденсатор большой ёмкости около 1000 мкФ и керамический 0,1 мкФ. Они будут выполнять роль простейшего фильтра. В схемах с токами потребления около 1 ампера и более для защиты от сильных помех сложной формы придётся ставить громоздкий, сложный фильтр, но и это не всегда помогает.
Во многих схемах наиболее простым способом избавиться от воздействия помех помогает применение отдельных источников питания для управляющей и силовой части схемы, то есть применение так называемого раздельного питания .
Хотя раздельное питание применяют не только для борьбы с помехами.

Раздельное питание.

На Рис. 3 приведена блок-схема некоего устройства. В этой схеме используется два источника питания. Силовая часть схемы запитана от источника питания 1 , а схема управления - от источника питания 2 . Оба источника питания соединены одним из полюсов, этот провод является общим для всей схемы и относительно него передаются сигналы по линии связи.

Рис. 3. Раздельное питание управляющей и силовой части.

На первый взгляд такая схема с двумя источниками питания выглядит громоздкой и сложной. На самом деле подобные схемы с раздельным питанием используются, например, в 95% всей бытовой аппаратуры. Раздельные источники питания там представляют собой лишь разные обмотки трансформаторов с разным напряжением и током. Это ещё одно достоинство схем с раздельным питанием: в одном устройстве можно использовать несколько блоков с различным напряжением питания . Например, для контроллера использовать 5 вольт, а для мотора - 10-15 вольт.
Если приглядеться к схеме на Рис. 3, то видно, что помеха из силовой части не имеет возможности попасть в управляющую часть по линии питания. Следовательно, полностью отпадает и необходимость её подавлять или фильтровать.

Рис. 4. Раздельное питание со стабилизатором.

В передвижных конструкциях, например, мобильных роботах, из-за габаритов не всегда удобно использовать два блока батареек. Поэтому раздельное питание можно построить с применением одного блока батареек. Схема управления при этом будет питаться от основного источника питания через стабилизатор с маломощным фильтром, Рис. 4. В этой схеме нужно учесть падение напряжения на стабилизаторе выбранного типа. Обычно применяется блок батарей с более высоким напряжением, чем необходимое для схемы управления напряжение. Работоспособность схемы в таком случае сохраняется и при частичном разряде батарей.

Рис. 5. L293 при раздельном питании.

Многие микросхемы-драйверы сразу специально расчитаны на использование в схемах с раздельным питанием. Например, широко известная микросхема драйвера L293 (Рис. 5 ) имеет вывод Vss - для питания схемы управления (Logic Supply Voltage) и вывод Vs - для питания оконечных каскадов силового драйвера (Supply Voltage или Output Supply Voltage).
Во всех конструкциях роботов с микроконтроллером или логической микросхемой из серии можно включить L293 схемой с раздельным питанием. При этом напряжение питания силовой части (напряжение для моторов) может быть в пределах от 4,5 до 36 вольт, а напряжение на Vss можно подать то же, что и для питания микроконтроллера или логической микросхемы (обычно 5 вольт).

Если питание управляющей части (микроконтроллера или логической микросхемы) происходит через стабилизатор, а питание силовой части берётся напрямую от блока батареек, то это позволяет значительно сэкономить потери энергии. Так как стабилизатор будет питать только схему управления, а не всю конструкцию. Это - ещё одно достоинство раздельного питания: экономия энергии .

Если взглянуть ещё раз на схему рисунка 3, то можно заметить, что кроме общего провода (GND) силовую часть со схемой управления соединяют ещё и линии связи. По этим проводам в некоторых случаях тоже могут проходить помехи из силовой части внутрь схемы управления. Кроме того эти линии связи часто сильно подвержены электромагнитным воздействиям ("наводкам"). Избавиться раз и на всегда от этих вредных явлений можно, применив так называемую гальваническую развязку .
Хотя гальваническую развязку применяют тоже не только для борьбы с помехами.

Гальваническая развязка.

На первый взгляд такое определение может показаться невероятным!
Как можно передать сигнал без электрического контакта?
На самом деле есть даже два способа, которые это позволяют.

Рис. 6.

Оптический способ передачи сигнала построен на явлении фоточувствительности полупроводников. Для этого применяется пара из светодиода и фоточувствительного прибора (фототранзистор, фотодиод), рис 6.

Рис. 7.

Пара светодиод-фотоприёмник изолированно рас- положены в одном корпусе напротив друг друга. Такая деталь так и называется оптопара (зарубежное название optocopler ), рис 7.
Если через светодиод оптопары пропустить ток, то сопротивление встроенного фотоприёмника будет изменяться. Так происходит безконтактная передача сигнала, так как светодиод полностью изолированн от фотоприёмника.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельная оптопара. Частота передаваемого оптическим способом сигнала может лежать в пределах от нуля до нескольких десятков-сотен килогерц.

Рис. 8.

Индуктивный способ передачи сигнала основывается на явлении электромагнитной индукции в трансформаторе. При изменении тока в одной из обмоток трансформатора происходит изменение тока в другой его обмотке. Таким образом сигнал передаётся из первой обмотки во вторую (рис. 8). Такую связь между обмотками ещё называют трансформатороной , а трансформатор для гальваноразвязки иногда именуют разделительный трансформатор .

Рис. 9.

Конструктивно трансформаторы обычно выполненны на кольцевом ферритовом сердечнике, а обмотки содержат несколько десятков витков провода (рис. 9). Не смотря на кажущуюся сложность такого трансформатора, его можно изготовить самостоятельно за несколько минут. Так же продаются и готовые малогабаритные трансформаторы для гальванической развязки.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельный такой трансформатор. Частота передаваемого сигнала может лежать в пределах от нескольких десятков герц до сотен-тысяч мегагерц.

В зависимости от типа передаваемого сигнала и требований к схеме можно выбрать либо трансформаторную, либо оптическую гальваноразвязку. В схемах с гальванической развязкой с обоих сторон для согласования (связывания, сопряжения) с остальной схемой часто ставят специальные преобразователи.

Расмотрим теперь блок-схему с использованием гальванической развязки между управляющей и силовой частью на рисунке 10.

Рис. 10. Раздельное питание и гальваническая развязка канала связи.

По этой схеме видно, что любые помехи из силовой части не имеют никакой возможности проникнуть в управляющую часть, так как электрического контакта между частями схемы не существует.
Отсутствие электрического контакта между частями схемы в случае с гальваноразвязкой позволяет безопасно управлять исполнительными механизмами с высоковольтным питанием. Например, какой нибудь пульт управления с питанием от нескольких вольт может быть гальванически разделён от фазового напряжения сети в несколько сотен вольт, что повышает безопасность для обслуживающего персонала. Это является важным достоинством схем с гальваноразвязкой.

Схемы управления с гальваноразвязкой практически всегда можно встретить в ответственных устройствах, а так же в испульсных блоках питания. Оссобенно там, где присутствует хоть малейшая вероятность появления помех. Но даже в любительских устройствах гальваническая развязка находит применение. Так как небольшое усложнение схемы гальваноразвязкой приносит полную уверенность в бесперебойной работе устройства.

Компания International Rectifier — разработчик и производитель силовой электроники с 1947 года — выпускает огромную номенклатуру оптореле для всевозможных применений. Наиболее популярные из них можно условно разделить на следующие группы:

• Быстродействующие (PVA, PVD, PVR);

• Общего назначения (PVT);

• Низковольтные средней мощности (PVG, PVN);

• Высоковольтные мощные (PVX).

PVA33: быстродействующее реле
для коммутации сигналов

Реле переменного тока серии PVA33 — однополюсное, нормально разомкнутое. Предназначено для общих целей коммутации аналоговых сигналов.

Принцип действия устройства — следующий (рис. 1). Напряжение, подаваемое на вход реле, вызывает протекание тока через арсенидо-галлиевый светодиод (GaAlAs), что приводит к интенсивному свечению последнего. Световой поток попадает на интегральный фотогальванический генератор (ФГГ), который создает разницу потенциалов между затвором и истоком выходного ключа, тем самым переводя последний в проводящее состояние. В качестве силовых выходных ключей применены силовые МОП-транзисторы (HEXFET — запатентованная IR технология). Таким образом достигается полная гальваническая изоляция входных цепей от выходных.

Рис. 1.

Преимущества подобного решения по сравнению с обычными электромеханическими и герконовыми реле состоит в значительном повышении срока службы и быстродействия, уменьшении потерь мощности, минимизации размеров. Эти преимущества позволяют повысить качество разрабатываемой продукции для различных применений, например, в области мультиплексирования сигналов, автоматического испытательного оборудования, систем сбора данных и других.

Уровень напряжений, который способен коммутировать реле этой серии, лежит в диапазоне от 0 до 300 В (амплитудное значение) как переменного, так и постоянного тока. При этом минимальный уровень определяется (при постоянном токе) сопротивлением канала выходных транзисторов, которое составляет в среднем около 1 Ом (максимально до 20 Ом).

Динамические характеристики устройства определяются временем включения-выключения, составляющим порядка 100 мкс. Таким образом, гарантированная частота переключений реле может достигать 500 Гц и более.

Максимальная частота коммутируемого сигнала зависит в основном от частотных характеристик применяемых транзисторов и для МОП-ключей достигает сотен килогерц. Реле поставляются в 8-выводных DIP-корпусах и доступны в двух вариантах: для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа.

PVT312: телекоммуникационное реле
общего назначения

Фотоэлектрическое реле PVT312, однополюсное, нормально разомкнутое, может быть использовано как на постоянном, так и на переменном токе.

Это твердотельное реле специально разработано для применения в телекоммуникационных системах. Реле серии PVT312L (с суффиксом «L») используют активную схему ограничения тока, что позволяет им выдерживать всплески токов переходных процессов. PVT312 выпускается в 6-контактном DIP-корпусе.

Применение: телекоммуникационные ключи, пусковые механизмы, общие схемы переключения.

Схемы подключения могут быть трех типов (рис. 2). В первом случае два ключа микросхемы подключаются последовательно. Это позволяет за счет симметрии получившийся схемы коммутировать переменное напряжение. Такая схема называется включением типа «А». Тип «В» отличается тем, что используется только один из двух ключей микросхемы. Это позволяет коммутировать больший, однако, уже только постоянный ток. В третьем варианте (тип «С») ключи подключаются параллельно, тем самым увеличивая максимально возможное значение тока.

Рис. 2.

PVG612: низковольтное реле средней
мощности для переменного тока

Фотоэлектрические реле серии PVG612 — однополярные, нормально разомкнутые твердотельные реле. Компактные устройства серии PVG612 используются для изолированного переключения токов до 1 А с напряжением от 12 до 48 В переменного или постоянного тока.

Реле этого типа интересны тем, что они способны коммутировать относительно большие (для данного типа устройств) переменные токи, при этом сохраняя скорость работы, присущую решениям на МОП-транзисторах.

PVDZ172N: низковольтное средней
мощности для постоянного тока

Реле данной серии (рис. 3), в отличие от вышеописанных, предназначены для коммутации токов только постоянной полярности силой до 1,5 А и напряжением до 60 В. Например, эти реле находят применение в управлении осветительными приборами, двигателями, нагревательными элементами и т.д.

Рис. 3.

PVDZ172N выпускаются нормально разомкнутыми в однополюсном исполнении в 8-выводных DIP-корпусах.

Остальные возможные сферы применения: аудиоаппаратура, источники питания, компьютеры и периферийные устройства.

PVX6012: для больших нагрузок

Для больших низкочастотных нагрузок компания IR предлагает фотоэлектрическое реле PVX6012 (рис. 4) (однополюсное, нормально разомкнутое). В устройстве использован выходной ключ на базе биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), что позволило получить малое падение напряжения в открытом состоянии и низкие токи потерь в закрытом при достаточно высокой скорости работы (7 мс — включение/1мс — выключение).

Рис. 4.

PVX6012 выпускается в 14-контактном DIP-корпусе, в котором, что интересно, используется всего четыре вывода — такое решение позволяет обеспечивать лучшее охлаждение устройства.

Основные сферы применения включают в себя: тестовое оборудование; промышленный контроль и автоматизацию; замену электромеханических реле; замену ртутных реле.

PVI: фотоизолятор для внешних
ключей большой мощности

Приборы этой серии не являются реле в собственном смысле слова. То есть не способны коммутировать потоки большой энергии с помощью малой. Они лишь обеспечивают гальваническую развязку входа от выхода, откуда и их название — фотоэлектрический изолятор (рис. 5).

Рис. 5.

Зачем же нужно такое «недореле»? Дело в том, что приборы серии PVI вырабатывают при получении входного сигнала электрически изолированное постоянное напряжение, которое достаточно для непосредственного управления затворами мощных MOSFET и IGBT. Фактически это оптореле, но без выходного ключа, в качестве которого разработчик может использовать подходящий для него по мощности отдельный транзистор.

PVI идеально подходят для применений, требующих высокотокового и/или высоковольтного переключения с оптической изоляцией между схемой управления и мощными схемами нагрузки.

К тому же изолятор серии PVI1050N содержит в себе два одновременно управляемых выхода, что дает возможность подключать их последовательно или параллельно для обеспечения более высокого значения тока управления (МОП) или более высокого значения напряжения управления (БТИЗ). Таким образом фактически можно получить выходной сигнал 10 В/5 мкА при последовательном включении и 5 В/10 мкА — при параллельном.

Два выхода PVI1050N могут применяться и по отдельности, при условии что разность потенциалов между выходами не превышает 1200 В (пост.) Изоляция вход-выход составляет 2500 В (действ.).

Приборы данной серии выпускаются в 8-выводных DIP-корпусах и находят применение в организации управления мощными нагрузками, преобразователях напряжения и т.п.

PVR13: двойное быстродействующее реле

Главной особенностью данной серии является наличие двух независимых реле в одном корпусе (рис. 6), каждое из которых может быть включено по типу «А», «В», или «С» (объяснение типов см. выше в описании PVT312). Максимальное напряжение коммутации 100 В (пост./перем.), ток 300 мА. В остальном данное реле по области применения и характеристикам близко к PVA33 и предназначено также для коммутации аналоговых сигналов средней частоты (до сотен килогерц).

Рис. 6.

Выпускаются в 16-контактных DIP-корпусах с выводами для монтажа в отверстия.

Основные характеристики оптоэлектронных реле IR представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры оптоэлектронных реле компании IR

Характеристики	PVA33	PVT312	PVG612N	PVDZ172N	PVX6012
Входные характеристики
Минимальный ток управления, мА	1…2	2	10	10	5
Макс. ток управления для нахождения в закрытом состоянии, мА	0,01	0,4	0,4	0,4	0,4
Диапазон управляющего тока (необходимо ограничение тока!), мА	5…25	2…25	5…25	5…25	5…25
Максимальное обратное напряжение, В	6	6	6	6	6
Выходные характеристики
Рабочий диапазон напряжения, В	0…300	0…250	0…60	0…60 (пост.)	280 (пер.)/400 (пост.)
Максимальный длительный ток нагрузки при 40°С, А	0,15	-	-	1,5	1
А соед. (пост или перем)	-	0,19	1	-	-
В соед. (пост.)	-	0,21	1,5	-	-
С соед. (пост.)	-	0,32	2	-	-
Максимальный импульсный ток, А	-	-	2,4	4	не повтор. 5 А (1 сек)
Сопротивление в открытом состоянии, не более, Ом	24	-	-	0,25	-
А соед.	-	10	0,5	-	-
В соед.	-	5,5	0,25	-	-
С соед.	-	3	0,15	-	-
Сопротивление в закрытом состоянии, не менее, МОм	10000	-	100	100	-
Время включения, не более. мс	0,1	3	2	2	7
Время выключения, не более, мс	0,11	0,5	0,5	0,5	1
Выходная емкость, не более, пФ	6	50	130	150	50
Скорость нарастания напряжения, не менее, В/мкс	1000	-	-	-	-
Прочее
Электрическая прочность изоляции «вход-выход», В (СКВ)	4000	4000	4000	4000	3750
Сопротивление изоляции, вход-выход, 90 В пост.напр., Ом	1012	1012	1012	1012	1012
Емкость «вход-выход», пФ	1	1	1	1	1
Максимальная температура пайки контактов, °С	260	260	260	260	260
Рабочая температура, °С	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85	-40…85
Температура хранения,°С	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100	-40…100

Применение оптоэлектронных реле IR

Системы управления. В интерфейсах АСУ одной из актуальных проблем является организация связи между управляющей и коммутируемой цепью с обеспечением надежной гальванической развязки. То есть необходимо организовать передачу информации (например, сигнала исполнительному устройству) без электрического контакта. Одними из первых устройств подобного рода были электромеханические реле, в которых информация передавалась посредством магнитного поля. Однако наличие механических частей приводило к искрению контактов и низкому быстродействию таких систем.

Применение передачи сигнала через световой поток (оптоэлектронные реле) в интерфейсах АСУ (рис. 7) по сравнению с электромеханическими коммутаторами обеспечивает более высокие показатели по надежности, скорости переключения, долговечности, лучшие массогабаритные показатели; а преимущество в сравнении с электронными коммутаторами — отсутствие общей точки и взаимного влияния цепей при коммутации.

Рис. 7.

Наличие в системе управления гальванической развязки является одним из важных свойств коммутатора, т.к. позволяет создавать отдельные потоки управления, что, в свою очередь, дает возможность обеспечивать электрическую независимость информационной и исполнительной зон системы. Оптическая гальваническая развязка изолирует микроэлектронную управляющую аппаратуру от сильноточных и высоковольтных цепей периферийных исполняющих устройств, что приводит к повышению помехоустойчивости, срока службы и снижению цены такой аппаратуры.

Рис. 8.

Еще одной необходимой функцией в измерительном оборудовании является переключение режимов работы (диапазона измерений, коэффициента усиления, вида соединения и проч.), которое ранее выполнялось механически. Например, для измерения напряжения вольтметр подключается к цепи параллельно, в то время как для измерения тока необходимо последовательное соединение измерительного оборудования с цепью. В некоторых приборах для реализации такого переключения необходимо было использовать другой вход, механически переключив измерительную линию. Это довольно неудобно в случае частой смены измеряемого параметра, поэтому применение оптоэлектронных реле может эффективно решить данную проблему, значительно увеличив удобство пользования прибором.

С другой стороны, в системах сбора данных необходимость использования оптореле часто обусловлена большой вероятностью повреждения чувствительных входных цепей измерительной аппаратуры (аналогово-цифровых и частотных преобразователей). Такой нежелательный эффект может возникать, например, в связи с большой длиной проводников от первичного преобразователя до измерительного элемента, что способствует наведению электростатических помех. Кроме того, существенное влияние могут оказать как переходные процессы во время включения/выключения аппаратуры, так и ошибки в ее использовании, например, присутствие входного сигнала большой амплитуды при пропадании напряжения питания.

Все эти факторы приводят к необходимости использования гальванической развязки. Как пример можно привести реле серии PVT312L со встроенной активной схемой подавления пульсации токов, которая может быть эффективно использована в устройствах, сопряженных с длинными проводниками или работающих в сложных электромагнитных условиях (проводные системы экологического мониторинга предприятий, индустриальные измерительные преобразователи).

Телекоммуникации. Применение оптореле в области связи также является перспективным направлением. Есть несколько уникальных функций, для реализации которых можно эффективно использовать преимущества оптореле. Сюда относятся гальваническая развязка между модемом и телефонной линей для предотвращения повреждений, связанных с электростатическими (в т.ч. грозовыми) разрядами; реализации специфических функций телефонного оборудования (импульсный и тоновый набор, подключение и определение состояния линии) и т.п.

Заключение

В последние годы наблюдается тенденция к постоянному росту спроса на оптоэлектронные реле компании IR. Главными потребителями твердотельных реле являются промышленные гиганты нашей страны — приборостроительные и транспортные предприятия, крупные государственные корпорации Ростелеком, Росатом, РЖД. Производители ценят удобство и высокие технические характеристики реле компании IR для индустриального применения.

С другой стороны, постоянно растут требования к надежности радиоэлектронной аппаратуры со стороны военной и авиакосмической промышленности. Вопрос очень актуальный, который требует конкретных технических решений, которые позволят понизить отказы техники в процессе эксплуатации. Ни у кого из специалистов не вызывает сомнения, что твердотельные реле способны повысить надежность аппаратуры специального назначения.