гальваническая изоляция для чего необходима

Гальваническая изоляция для чего необходима

Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Это передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними. Гальванические развязки используются для передачи сигналов, для бесконтактного управления и для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.

В качестве примера гальванической развязки может выступать трансформатор. Первичная обмотка трансформатора полностью изолирована от вторичной, поэтому между ними никаких токов возникнуть не может в принципе (кроме случаев пробоя), хотя разность потенциалов в обмотках может быть очень большой. Таким образом, даже если вторичная обмотка гальванически связана с корпусом и, соответственно, с землей, никаких паразитных токов, опасных для оборудования и персонала, на корпусе не возникнет.

Гальваническая изоляция применяется для решения двух задач:

1. Обеспечение независимости сигнальной цепи (при подключении приборов и устройств) за счёт того, что гальваническая изоляция обеспечивает независимый контур тока сигнальной цепи относительно других контуров токов, возникающих при соединении приборов и устройств. Например, это может быть независимость цепи измерения от силовой исполнительной цепи. Независимость сигнальной цепи решает целый ряд проблем электромагнитной совместимости (ЭМС): улучшает помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует лучшей его совместимости с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка бывает как групповая (одна на несколько каналов измерения), так и поканальная (индивидуальная для каждого канала измерения).

2. Обеспечение электробезопасности при работе с оборудованием согласно ГОСТам на электробезопасность. Для электрического оборудования для измерения, управления и лабораторного применения применяют ГОСТ52319-2005, согласно которому определяют требования к стойкости изоляции (испытательному напряжению). Важно отметить, что гальваническая изоляция – это одна из технических мер обеспечения электробезопасности, поэтому требования к изоляции конкретной цепи всегда следует рассматривать в совокупности с другими мерами электобезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д. по ГОСТ52319-2005), принятыми в данном конкретном случае.

Недостатки гальванической изоляции

Основным недостатком цепей с гальванической развязкой является повышенный уровень помех от DC/DC-преобразователя, который, однако, для низкочастотных схем можно сделать достаточно малым с помощью цифровой и аналоговой фильтрации. На высоких частотах ёмкость подсистемы на землю и ёмкость между обмотками трансформатора являются факторами, ограничивающими достоинства гальванически изолированных систем. Ёмкость на землю можно уменьшить, применяя оптический кабель и уменьшая геометрические размеры гальванически изолированной подсистемы.

Распространённой ошибкой при применении гальванически развязанных цепей является неверная трактовка понятия «напряжение изоляции». В частности, если напряжение изоляции модуля ввода составляет 3 кВ, это не означает, что его входы могут находиться под таким высоким напряжением в рабочих условиях.

В зарубежной литературе для этого используют три стандарта: UL 1577, VDE 0884 и IEC 61010-01, но в описаниях устройств гальванической развязки не всегда даются на них ссылки. Поэтому понятие «напряжение изоляции» трактуется в отечественных описаниях зарубежных приборов неоднозначно.

Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идёт о напряжении, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), а в других случаях речь идёт об испытательном напряжении (напряжение изоляции), которое прикладывается к образцу в течение времени от 1 минуты до нескольких микросекунд. Испытательное напряжение может в 10 раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку определяемое этим напряжением воздействие на изоляцию зависит также от длительности тестового импульса.

Связь между рабочим и испытательным (тестовым) напряжением изоляции по стандарту IEC 61010-01

Таблица показывает связь между рабочим и испытательным (тестовым) напряжением изоляции по стандарту IEC 61010-01. Как видно из таблицы, такие понятия, как рабочее напряжение, постоянное, среднеквадратическое или пиковое значение тестового напряжения могут отличаться очень сильно.

Электрическая прочность изоляции отечественных средств автоматизации испытывается по ГОСТ 51350 или ГОСТ Р МЭК 60950-2002, то есть синусоидальным напряжением с частотой 50 Гц в течение 1 минуты при напряжении, указываемом в руководстве по эксплуатации как напряжение изоляции. Например, при испытательном напряжении изоляции 2300 В рабочее напряжение изоляции составляет всего 300 В (табл. 1).

Источник

Термин: Развязка гальваническая

Гальваническая развязка (гальваноразвязка, гальваническая изоляция) – это название общего принципа электрической изоляции рассматриваемой электрической цепи относительно других цепей, присутствующих в данном устройстве. Гальваническая изоляция, как правило, применяется для решения одной из двух (или обеих) задач:

1. Обеспечение независимости сигнальной цепи (при подключении приборов и устройств) за счёт того, что гальваническая изоляция обеспечивает независимый контур тока сигнальной цепи относительно других контуров тока, возникающих при соединении приборов и устройств. Например, это может быть независимость цепи измерения от силовой исполнительной цепи. Независимость сигнальной цепи решает целый ряд проблем электромагнитной совместимости (ЭМС): улучшает помехозащищённость, соотношение сигнал/шум в сигнальной цепи, точность измерения. Гальванически изолированный вход или выход устройства всегда способствует лучшей его совместимости с другими устройствами в тяжелой электромагнитной обстановке. В многоканальных измерительных системах (системах сбора данных) гальваническая развязка бывает как групповая (одна на несколько каналов измерения), так и поканальная (индивидуальная для каждого канала измерения).

2. Обеспечение электробезопасности при работе с оборудованием согласно ГОСТам на электробезопасность. Для электрического оборудования для измерения, управления и лабораторного применения применяют ГОСТ 12.2.091-2012, согласно которому определяют требования к стойкости изоляции (испытательному напряжению). Важно отметить, что гальваническая изоляция – это одна из технических мер обеспечения электробезопасности, поэтому требования к изоляции конкретной цепи всегда следует рассматривать в совокупности с другими мерами электобезопасности (защитное заземление, цепи ограничения тока и напряжения и т.д.), принятыми в данном конкретном случае. В любом случае, испытательное напряжение изоляции, указанное в документации на оборудование, должно многократно превышать номинальные напряжения изолируемых цепей.

Следует отметить, что гальваническая развязка цепей может обеспечиваться разными техническими способами: трансформаторная (индуктивная) гальваноразвязка (трансформаторы, цифровые изоляторы на высокочастотном трансформаторном принципе), оптическая гальваноразвязка (оптроны, оптореле), ёмкостная гальваноразвязка (цифровые изоляторы на ёмкостном принципе), электромеханическая развязка (электромеханические реле). Эти способы отличаются не только очевидными эксплуатационными параметрами «по назначению», но и, например, менее очевидными параметрами обеспечения «степени независимости» изолируемых цепей. Например, обычный сетевой трансформатор питания может иметь межобмоточную ёмкость – тысячи пФ, в то время как оптрон – десятые доли пФ. Эта ёмкость гальваноразвязки существенно влияет на сквозные токи высокой частоты через гальваноразвязку и фактически определяет независимость изолируемых цепей для синфазного напряжения с высокой скоростью нарастания.

Примеры использования термина

Термин используется при описании электрических свойств входов и выходов измерительных приборов, исполнительных и интерфейсных устройств. Ниже приводим примеры измерительных приборов с гальванической изоляцией измерительных цепей.

Источник

Гальваническая изоляция USB 2.0 High Speed

Рис.1 Краткое содержание статьи

Практическая часть

Мне повезло заполучить пару микросхем и протестировать их работоспособность. В схемотехнике я не выдумывал ничего за границами даташита и развёл небольшую платку с прицелом на имеющийся у меня на руках корпус. Я развёл собственный изолированный DC-DC преобразователь, но для того чтобы быстрее перейти к тестам я использовал старенький SBT01L-05

Рис. 2 Печатная плата после монтажа компонентов. Динозавры передают пакеты через гальванический барьер

В качестве первого теста я скопировал туда-обратно файлы на флешку, получив

23 МБайт/с (184 МБит/с) для чтения и

10 МБайт/с (80 МБит/с) для записи (см. Рис. 3)

Рис. 3а Скорость чтения и скорость записи (SanDisk Cruzer Blade USB Device) через изолятор Рис. 3б Скорость чтения и записи (SanDisk Cruzer Blade USB Device) без изолятора

Я результатом доволен скорость High Speed взята! Ура! Спасибо за внимание! Фото поделки в сборе на рисунке 4.

Рис. 4 Вид готового устройства

Факультативная теоретическая часть

Тэкс, почему-то некоторые не расходятся. Дайте угадаю, у вас в голове сейчас что-то такое: «Так, @coolebyak, ты говорил про USB 2.0 High Speed, у которого 480 Мбит/с или 60 МБайт/c. А результаты-то у тебя на скриншотах меньше! Обман!»
Я рад, что вы остались, потому что это действительно может сбить с толку. Лаконичный ответ на этот вопрос лежит в сети уже с 2011-го. По сути, я сейчас повторю, что ответили вот в этом посте, но только переводя с английского.

USB 2.0 использует фреймы в 1 мс, а в режиме High Speed (480 Мбит/с) они делятся на 8 микрофреймов. Максимальный размер пакетов, используемых запоминающими устройствами USB, составляет 512 Байт. Согласно этому очень информативному документу теоретический максимум составляет 13 пакетов на микрофрейм. Итак, теоретическая максимальная скорость USB-накопителя 2 составляет:

1000 * 8 * 512 * 13 = 53248000

Рис. 5 Таблица теоретических пределов скорости передачи Рис. 6 USB-фрейм для массовой передачи данных

На практике слабым местом, как правило, является сама флешка. В качестве примера приводят временную диаграмму записи в NAND Flash (Рис. 7). Время для каждого передаваемого пакета можно разбить на три участка: 1) время для выполнения USB-передачи, 2) первичные временные затраты операционной системы (или встроенного ПО) и 3) время программирования NAND Flash.

Рис. 7 Пример узкого места для скорости передачи данных по USB

Получается, для моей видавшей виды флешки результаты вполне достойные. Главное, что они выше 1.5 МБайт/с.

Результаты и выводы

Испытание высоким напряжением еще предстоит, пока что могу сказать лишь, что электрический разряд от шерстяного свитера микросхема выдерживает. Прототип изолятора получен и успешно испытан на флешках, камерах, внешних аудиокартах. Что очень меня радует, чем делюсь и хвастаюсь здесь. Надеюсь, Texas Instruments наладят производство и в скором времени эти микросхемы снова появятся в продаже и будут дешевле

13$. Надеюсь, было полезно. Теперь точно Спасибо за внимание!

Прикладываю схему. На ней отсутствует разработанный мною изолированный DC-DC, т.к. я его ещё не тестировал.

Схема принципиальная

Источник

Гальваническая развязка (Часть 2). Виды и задачи. Особенности

Гальваническая развязка это один из способов защитить работающий с электрическим оборудованием персонал. Такая развязка является основной мерой создания безопасности, которую необходимо рассматривать наровне с другими мерами безопасности: ограничение напряжения, заземление и зануление.

Емкостная гальваническая развязка

Такой вид развязки электрических цепей является еще одной разновидностью развязки цепей. При этом между цепями нет связи по току, земле и другим элементам.

В развязке, выполненной емкостями, для передачи данных применяется переменное электрическое поле. Между пластинами конденсаторов находится диэлектрик, который является изолятором между цепями.

Электрические параметры такой развязки определяют свойства диэлектрика, расстояние между обкладками и их размер. Достоинством емкостной гальванической изоляции является повышенная энергетическая эффективность, небольшие размеры устройства, способность передачи электроэнергии и невосприимчивость к внешним электромагнитным полям.

Это дает возможность создать экономичные и дешевые интегральные изоляторы, которые обладают устойчивостью к внешним факторам. Одним из недостатков развязки на основе конденсаторов является отсутствие дифференциального сигнала, в отличие от гальванической развязки индуктивного вида. В результате помехи и шум будут проходить вместе с рабочим сигналом.

Поэтому для нормальной работы помехи и частоту сигнала разделяют таким образом, чтобы емкость оказывала незначительное сопротивление рабочему сигналу, а для помех была бы хорошей преградой. Так же как и в трансформаторной развязке, здесь применяется кодирование сигнала с дальнейшим его детектированием.

Недостатком конденсаторной развязки можно назвать невозможность передачи данных с постоянной составляющей. Емкостная гальваноразвязка – это наиболее дешевый вариант развязки электрических цепей. Однако из-за своей малой эффективности и отсутствия защиты от помех он не нашел широкого применения.

Электромеханическая развязка

Принцип работы электромеханического варианта развязки заключается в использовании реле, которое служит для соединения электрических цепей при определенных изменениях входящих данных. Такую развязку называют релейной.

Электромагнитное реле из-за своего простого принципа работы и повышенной надежности получило широкую популярность автоматических системах и защитных схемах электроустановок. Такие реле разделяют по виду рабочего тока на реле переменного и постоянного тока.

Реле, функционирующие на постоянном токе в свою очередь разделяют на поляризованные и нейтральные. Поляризованные реле работают в зависимости от полярности сигнала управления, реагируя соответствующим образом. Работа нейтрального реле не зависит от направления тока (полярности), который протекает по обмотке.

Действие электромагнитных реле заключается в применении электромагнитных сил, образующихся в металлическом сердечнике во время протекания тока по обмотке. Элементы реле закрепляются на основании, а сверху закрываются крышкой. Над сердечником смонтирован подвижный якорь, выполненный в виде пластины, с несколькими контактами, напротив которых расположены парные стационарные контакты.

В первоначальном положении якорь притянут пружиной. При включении питания электромагнит преодолевает усилие пружины и притягивает якорь, тем самым размыкает или замыкает пары контактов, в зависимости от устройства реле.

После отключения питания пружина притягивает якорь в первоначальное положение. Некоторые исполнения реле содержат в схеме электронные компоненты в виде конденсатора, подключенного параллельно контактам для снижения помех и уменьшения искрения, а также резистора, подключенного к катушке для четкости работы реле.

Задачи гальванической изоляции

Гальваническая развязка призвана решать две основные задачи, которые в свою очередь разделяются на несколько определенных задач.

Независимость сигнальных цепей

Обеспечение независимости цепей сигналов при подключении устройств и приборов осуществляется за счет создания гальванической изоляции независимого контура сигналов относительно других цепей, которые имеются в этих устройствах и приборах.

Такая независимость способна решить множество проблем электромагнитной совместимости:

Изолированный выход или вход с помощью гальванической развязки часто способствует качественной совместимости с различными устройствами.

В измерительных системах с несколькими каналами для сбора информации гальваническая изоляция бывает:

Создание электробезопасности

С помощью гальванической развязки можно сделать безопасной работу с электрооборудованием. Такая электробезопасность будет полностью удовлетворять требованиям соответствующих действующих стандартов. Для электрооборудования при работах по управлению, измерению, а также при лабораторных работах используется ГОСТ52319 – 2005. В нем определены требования к устойчивости изоляции при испытаниях.

Следует отметить, что гальваническая изоляция является технической мерой создания электробезопасности, поэтому ее рассматривают совместно с различными защитами и блокировками.

Недостатки

Главным недостатком гальванической развязки цепи является высокий уровень помех. Однако в схемах с низкой частотой эта задача решается подключением аналоговых и цифровых фильтров.

В высокочастотных цепях емкость системы по отношению к земле и емкость между катушками трансформатора является ограничивающим фактором по отношению к преимуществам систем с гальванической развязкой. Емкость с землей можно снизить с помощью оптического кабеля и уменьшения геометрических размеров изолированной системы.

Популярной ошибкой при использовании цепей с гальванической изоляцией является неправильное понимание такого термина, как «напряжение изоляции». Если эта величина в модуле ввода равна 3000 В, это отнюдь не говорит о том, что на входы модуля можно подавать такую величину напряжения при эксплуатации.

В описаниях импортных устройств гальванической изоляции не всегда имеется толковое объяснение этому понятию. В отечественной литературе по импортным приборам и устройствам неоднозначно описывается параметр напряжения изоляции. Одни описывают напряжение, допустимое при работе изоляции длительное время (рабочее напряжение).

Другие этот параметр объясняют напряжением при испытании изоляции. При этом напряжение прикладывают к изоляции в течение определенного времени. Напряжение при испытании может в несколько раз быть выше рабочего напряжения, и служит для ускоренных методов испытаний в процессе эксплуатации. Воздействие на изоляцию, определяемое таким высоким напряжением, зависит от продолжительности тестового импульса.

Источник

Новый уровень безопасности в промышленных применениях: обзор решений с гальванической изоляцией от MAXIM

Гальваническая изоляция – один из наиболее эффективных методов обеспечения сохранности оборудования и увеличения качества передаваемых сигналов. Компания MAXIM Integrated активно использует эту технологию в своих решениях. Представляем новинки компании: цифровые изоляторы, драйверы RS-485 и трансиверы RS-232, АЦП, дискретные входы и многое другое.

Применение гальванической изоляции в схемотехнических решениях позволяет ограничить возможность возникновения высоких напряжений, которые могут оказать негативное воздействие на электронные компоненты, а также ограничить возникновение нежелательных контуров в системах передачи сигналов, что в свою очередь позволяет снизить уровень шумов, увеличить дальность передачи сигнала и обеспечить устройству лучшую электромагнитную совместимость.

Необходимость применения гальванической развязки в приложении определяется, в первую очередь, стандартами, действующими в данной конкретной отрасли: многие из действующих на данный момент стандартов безопасности медицинского, промышленного, телекоммуникационного и прочего оборудования, осуществляющего работу в жестких условиях, требуют обязательного наличия развязки в цепях питания, а также в цепях передачи сигналов.

Сама по себе гальваническая развязка цепей может быть организована на основе нескольких отличных друг от друга принципов построения:

Гальваническая развязка на основе оптронов является традиционным решением (рисунок 1). Скорость работы развязки данного типа достаточна для передачи цифровых сигналов, однако эта технология имеет ряд существенных недостатков:

Рис. 1. Согласование оптрона на основе фототранзистора с цифровыми цепями

С развитием полупроводниковой промышленности стали доступны микросхемы, позволяющие создать изоляционный барьер за счет других, более современных технологий, отличных от развязки на основе оптрона, снизив габариты и стоимость конечного решения, а также получив ряд других преимуществ. Такие микросхемы получили название цифровых изоляторов.

Вся аналоговая составляющая цифровых изоляторов интегрирована внутрь корпуса (рисунок 2): входной и выходной буферы, прямой и обратный преобразователи неэлектрических сигналов (служат, например, для преобразования тока светодиода в свет и наоборот – света в ток фототранзистора), цепи согласования и смещения, которые находятся внутри одного и того же устройства, а на выходе и входе присутствуют только цифровые сигналы.

Рис. 2. Функциональная схема цифрового изолятора

На сегодняшний день существует несколько технологий построения изоляции, позволяющих осуществлять прямое и обратное преобразование сигналов и, соответственно, использовать их при реализации гальванической развязки. Наиболее распространенными среди них являются оптическая, индуктивная и емкостная (рисунки 3, 4 и 5).

Рис. 3. Оптический цифровой изолятор

Рис. 4. Изолятор с индуктивной связью

Рис. 5. Изолятор с емкостной связью

Оптические цифровые изоляторы

Данный тип изоляторов появился первым и является прямым наследником оптронов. Принцип действия изоляторов основан на преобразовании электрического сигнала в свет через светодиод и на обратном преобразовании при помощи фотоэлемента. Схема устройства довольно проста и может передавать как постоянную, так и переменную составляющую сигналов.

По сравнению со стандартными оптронами такие изоляторы обладают повышенным быстродействием и относительно просты в использовании, но, как и оптроны, такие изоляторы имеют ряд недостатков, в частности – довольно большие габаритные размеры и высокое энергопотребление. Кроме того, в подавляющем большинстве случаев входным элементом таких компонентов остается светодиод, из чего следует, что входной сигнал не является цифровым, хотя в ряде приложений этот аспект является скорее плюсом и применяется для преобразования двоичного аналогового сигнала в цифровой вид.

Индуктивные цифровые изоляторы

Действие изоляторов данного типа основано на электромагнитной индукции. Для преобразования электрических сигналов в электромагнитное поле в таких изоляторах применяются интегральные трансформаторы, которые могут быть реализованы, например, в виде плоских индуктивностей, располагающихся друг над другом и разделенных полиамидным изоляционным слоем.

Недостатком такой технологии является возможность передачи только переменной составляющей сигналов, из-за чего схемотехника решения требует включения на передающей стороне кодера, преобразующего цифровой сигнал в импульсную форму, а на принимающей – декодера, восстанавливающего сигнал. Кодирование сигнала, в свою очередь, может осуществляться несколькими способами:

Еще одним недостатком является необходимость использования в качестве изолятора полиамидной пленки, из-за чего индуктивные изоляторы не могут быть произведены в рамках одного технологического цикла.

Емкостные цифровые изоляторы

Технология передачи данных в таком типе изоляторов основана на высокочастотной модуляции, а цепи приема и передачи сигналов изолятора разделены с помощью интегральных конденсаторов. Однако как и в индуктивных изоляторах, передача постоянной составляющей сигналов здесь невозможна, и, чтобы восстановить сигнал, требуется дополнительный демодулятор. Стоит также отметить, что в отличие от индуктивных изоляторов, емкостные не используют в своем составе полиамидные пленки и построены на базе стандартной интегральной технологии. Такие изоляторы могут быть произведены в рамках одного технологического цикла.

На сегодняшний день большинство компаний, производящих цифровые изоляторы, имеет собственные запатентованные технологии их производства, которые, однако, так или иначе основаны на приведенных выше принципах. Каждая их таких технологий имеет свои преимущества и недостатки, но выявить их можно, только рассмотрев конкретные изоляторы более подробно.

Цифровые изоляторы Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated входит в число ведущих мировых производителей на рынке интегральных схем. В состав выпускаемой продукции входят и цифровые изоляторы. Характерной их особенностью является способность работать с приложенным к изоляционному барьеру напряжением до 5 кВ и с сигналами, скорость передачи которых составляет до 200 Мбит/c. Изоляторы Maxim производятся по запатентованной технологии и имеют высокие изолирующие характеристики, при этом выдвигают невысокие требования по энергопотреблению и имеют сравнительно небольшие габаритные размеры.

Изоляторы Maxim включают в себя семейства с различной конфигурацией для выполнения тех или иных конкретных задач. В частности, помимо изоляторов с каналами, способными работать только в одном направлении (на вход или выход), клиентам компании доступны микросхемы с двунаправленными каналами, по которым сигналы способны передаваться в обе стороны.

Каналы изолятора, работающие в двух направлениях, имеют выходы с открытым стоком и не требуют специального управления направлением передачи. Малый уровень сигнала на одной стороне вызывает появление низкого логического уровня на соответствующем выходе с другой стороны, причем выходы двунаправленных каналов выполнены по схеме с открытым стоком, и их подключение к источнику должно происходить через внешние нагрузочные резисторы (рисунок 6).

Рис. 6. Пример подключения изолятора МАХ14937

Еще одной особенностью изоляторов Maxim является специально организованная блокировка, отсекающая на выходе ложные сигналы, возникающие при коммутации и провалах питающего напряжения в процессе работы: в случае возникновения ложного сигнала все выходы каналов, работающих в одном направлении, переводятся в состояние, прописанное по умолчанию, а выходы двунаправленных каналов переходят в высокоимпедансное состояние.

Ряд изоляторов Maxim без наличия сигнала на входе коммутирует на выходе сигнал, который может иметь как низкий, так и высокий уровень, на что стоит обращать внимание при подборе устройства.

Изоляторы соответствуют современным промышленным стандартам связи и находят применение во многих приложениях вместе с преобразователями уровня входных сигналов и мультиплексорами, реализуя тем самым комплексное решение, которое снижает потребление энергии конечного устройства, уменьшает его габариты, а также повышает надежность.

Изоляторы Maxim могут быть использованы для решения целого ряда задач, среди которых:

Новые линейки изоляторов MAXIM

Не так давно компания MAXIM Integrated представила новые цифровые изоляторы: MAX14432/31/30, MAX22445, MAX12934/35, MAX14851 и MAX14483.

MAX14432/31/30

Данные микросхемы представляют собой четырехканальные маломощностные цифровые изоляторы, способные выдерживать напряжение до 3,75 кВ (рисунок 7).

Рис. 7. Функциональные диаграммы цифровых изоляторов MAX14432/31/30

Изоляторы MAX14432/31/30 могут работать с сигналами, скорость передачи которых составляет до 200 Мбит/с, и способны выдерживать приложенное напряжение величиной в 3,75 кВ в течение 60 с. Они являются прекрасным решением для изоляции порта на общей шине SPI с CS, так как имеют, в отличие от изоляторов других семейств, активный низкий уровень сигнала. MAX14430…MAX14432 доступны в корпусе SOIC 16.

MAX22444/45/46

Данное семейство маломощных четырехканальных цифровых изоляторов создано для работы с напряжениями до 5 кВ (рисунок 8).

Рис. 8. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX22444…MAX22446

MAX22444/45/46 могут работать с сигналами скоростью до 200 Мбит/с. Двойные барьеры изоляции микросхем обеспечивают защиту от напряжений величиной до 5 кВ и импульсных выбросов до 10 кВ, гарантируя тем самым надежную работу в течение длительного периода службы. Семейство может быть использовано для передачи сигналов по SPI, RS-232 и RS-485. Данные изоляторы доступны в корпусе SOIC 16.

MAX12934/MAX12935

Внешний вид изоляторов MAX12934/MAX12935 представлен на рисунке 9. Это двухканальные цифровые изоляторы с высоким быстродействием. Каналы микросхемы MAX12935 могут осуществлять передачу сигналов в противоположных направлениях, что делает данный изолятор прекрасным выбором для создания решений изоляции линий Rx- и Tx-трансиверов, в то же время два канала MAX12934 передают данные только в одном направлении, что следует учитывать при выборе изолятора.

Рис. 9. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX12934/MAX12935

Оба изолятора способны выдерживать напряжение величиной до 5 кВ и передачу сигналов со скоростью до 200 Мбит/с. Они передают цифровые сигналы между цепями с различными доменами питания и потребляют всего 0,65 мВт мощности на канал при скорости передачи сигнала 1 Мбит/с и напряжении питания 1,8 В. Изоляторы способны работать в диапазоне напряжений питания 1,71…5,5 В, а сами микросхемы доступны в 16-выводном корпусе SOIC.

MAX14851

Шестиканальный цифровой изолятор MAX14851 (рисунок 10) имеет четыре однонаправленных канала: 2 In/2 Out, и два двунаправленных канала с открытым стоком. Независимые входы 3,0…5,5 В с каждой стороны также позволяют использовать данный изолятор в качестве преобразователя уровней напряжения.

Рис. 10. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX14851

Микросхемы MAX14851 могут применяться в решениях, имеющих на борту интерфейсы CAN, I²C, RS-232 или RS-485/RS-422 и так далее. MAX14851 поставляются в 16-выводном корпусе QSOP.

MAX14483

Цифровой изолятор MAX14483 для высоконадежного SPI (рисунок 11) имеет на борту шесть каналов и способен работать с напряжениями величиной до 3,75 кВ. Данный цифровой изолятор предназначен в первую очередь для работы с SPI-интерфейсом. Каждый из шести сигнальных каналов (2 In/4 Out) оптимизирован для работы с SPI-интерфейсом и имеет малую задержку распространения сигнала (около 10 нс) по каналам SDI, SDO и SCLK. Управление каналом SDO производится через вход CS, а также через второй входной контакт (SDOEN), что позволяет одному изолятору работать сразу с несколькими SPI-устройствами. Выход FAULT изолятора может быть соединен с несколькими выходами других микросхем через дополнительный монтажный элемент «или». Также на изоляторе расположен вспомогательный канал (AUX), предназначенный для передачи сигналов синхронизации или управления от ведущей стороны к ведомой. Для мониторинга питания (SAA, SBA) доступны оба домена питания, что позволяет получать информацию о готовности противоположной стороны изолятора к работе. Независимые входы 1,71…5,5 В с каждой стороны также позволяют использовать данный изолятор в качестве преобразователя уровней напряжения. Изоляторы MAX14483 доступны в 20-выводном корпусе SSOP.

Рис. 11. Функциональная схема цифрового изолятора MAX14483

Более подробные характеристики приведенных цифровых изоляторов, а также других изоляторов Maxim Integrated, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики цифровых изоляторов Maxim

MAXM22510/11 – новый драйвер RS-485 с питанием

Микросхемы MAXM22510 и MAXM22511 представляют собой изолированные (2,5 кВ) полнодуплексные драйверы RS-485 c интегрированным питанием (рисунок 12). Драйверы включают в себя один канал для приема и один – для передачи данных, а их схемотехническая реализация проста и не требует дополнительной внешней обвязки, в том числе конденсаторов в цепях питания. В то же время простое подключение к микроконтроллеру дает возможность быстро создать изолированный и компактный RS-485-интерфейс.

Рис. 12. Функциональная схема драйверов MAXM22510/11

MAXM22510/11 имеют прекрасные показатели электромагнитной совместимости и значительно более высокий коэффициент полезного действия узла питания, чем решения других производителей. Микросхемы MAXM22510 и MAXM22511 – улучшенная альтернатива трансиверам от Analog Devices, в частности – ADM2582 и ADM2682 (таблица 2).

Таблица 2. Характеристики MAX22510/11 и решений от Analog Devices

Драйверы работают от напряжения питания 3,3 В и выпускаются с двумя скоростями передачи сигналов: 500 кбит/с у микросхемы MAXM22510 и 25 Мбит/с у MAXM22511. Также обладают интегрированной защитой от электростатического разряда величиной до ±35 кВ (согласно модели человеческого тела). MAXM22510/MAXM22511 выпускаются в 44-выводном исполнении LGA 9,35×11,5 мм.

MAX3250 – трансивер RS-232 для функциональной изоляции

Компания Maxim Integrated создала микросхему MAX3250, которая по сути является коммуникационным интерфейсом с функцией высокоскоростной передачи данных. Этот интерфейс может работать с сигналами, разница потенциалов которых составляет до ±50 В (рисунок 13).

Рис. 13. Функциональная схема трансивера MAX3250

Микросхема MAX3250 произведена при помощи гибридной технологии, которая дает возможность работать с разностью потенциалов 50 В между стороной RS-232 и логической стороной (от ISOCOM до GND), что в свою очередь делает микросхему MAX3250 прекрасным решением для применения в условиях высокой шумовой загрязненности. Кроме того, такой подход построения дает возможность предотвращать повреждение микросхемы в случае замыкания линий RS-232 на шины питания 24 или 48 В.

MAX3250 работает от напряжений питания в диапазоне 3…5,5 В. Питание поступает на изолированную сторону от логической стороны при помощи внешних конденсаторов 100 В.

Изолятор MAX3250 имеет на борту два приемных (Rx) и два передающих (Tx) каскада, способных работать со скоростью передачи до 250 кбит/с, при наличии выходных уровней сигнала, соответствующих требованиям интерфейса RS-232. Трансиверы имеют оригинальные выходные передающие каскады с малым значением падения напряжения, обеспечивающими полную реализацию уровней RS-232.

MAX3250 также имеет выходной сигнал аварийного состояния с открытым стоком FAULT (активный – низкий), который служит, в том числе, для сигнализации о превышении максимально допустимого синфазного напряжения на любом из входов RS-232. Данный сигнал в свою очередь может управлять аварийным светодиодным индикатором или может отслеживаться центральным процессором для исключения возможности работы устройства в аварийном режиме. Выходы приемника микросхемы в режиме отключения принимают высокоимпедансное состояние, что дает возможность реализовать подключение нескольких интерфейсов (IrDA, RS-232, RS-485) к одному UART. Типичная схема включения MAX3250 приведена на рисунке 14.

Рис. 14. Типичная схема включения трансивера MAX3250

Микросхема MAX3250 выпускается в 28-контактном корпусе SSOP и может быть использована в решениях промышленной автоматизации, ПЛК, телекоммуникационном оборудовании и так далее.

MAX22192 – дискретные входы с изоляцией

Еще одним решением от Maxim Integrated является микросхема MAX22192, представляющая собой набор дискретных входов, соответствующих стандарту IEC 61131-2, с изоляцией (рисунок 15).

Рис. 15. Функциональная схема трансивера MAX22192

MAX22192 позволяет создавать решения, в которых цифровой сигнал уровня 0…24 В передается на изолированный SPI-совместимый выход, который взаимодействует с напряжениями 1,71…5,5 В.

При помощи подстроечного резистора входам MAX22192 можно присваивать необходимый тип – 1, 2 или 3, согласно IEC 61131-2. Для постоянного напряжения питания 24 В вход типа 1 должен переходить в состояние «ВКЛ» при напряжениях 15…30 В и токе 2…15 мА. Для входа типа 2 напряжение включения составляет 11…30 В, ток – 6…30 мА. Для входа типа 3 диапазон напряжений включения составляет 11…30 В при токе 2…15 мА. Для переключения между типами используется подача низкого уровня сигнала (или, проще говоря, обрыв провода): когда обрыв провода включен и входной ток падает ниже порога обрыва провода на протяжении более 20 мс, уровень LFAULT записывается в регистре. Кроме того, отслеживание состояния сигнала на выходе LFAULT позволяет защитить устройство от перегрева, диагностировать низкий уровень напряжения сигнала или его отсутствие и так далее.

Для корректной работы в промышленных приложениях каждый вход оснащен программируемым глитч-фильтром. Задержка фильтра на канал может быть запрограммирована на одно из восьми значений в диапазоне 50 мкс…20 мс.

MAX22192 имеет на борту изолированный четырехконтактный интерфейс SPI и в дополнение использует активный низкий уровень входа LLATCH для синхронизации входных данных параллельно на нескольких устройствах, а также, о чем было упомянуто выше, активный низкий уровень выходного LFAULT для мгновенного оповещения о возникновении каких-либо диагностических проблем.

Напряжение изоляции MAX22192 на барьер составляет 600 В, а защита от ESD составляет до ±8 кВ, согласно модели человеческого тела. MAX22192 выпускается в 70-контактном корпусе GQFN.

MAX14001/2 – универсальный интеллектуальный изолированный дискретный вход

Микросхемы MAX14001 и MAX14002 представляют собой изолированные одноканальные АЦП, которые могут быть использованы при проектировании систем, имеющих в своем составе изолированные дискретные входы с широким диапазоном входных напряжений.

Благодаря встроенному в микросхему 10-битному АЦП появляется возможность расширить динамический диапазон напряжений на входе канала и тем самым взаимодействовать как с низковольтными дискретными сигналами (12 и 24 В), так и с высоковольтными (220 В). Еще одной ключевой особенностью микросхем является наличие программируемого компаратора, источника тока для очистки контактов реле и источника тока смещения. Встроенный компаратор дает возможность избежать постоянного считывания и обработки данных с АЦП путем задания порога срабатывания при помощи SPI-интерфейса и начинать обработку данных с аналого-цифрового преобразователя (если таковая требуется) только после срабатывания компаратора.

Помимо прочего, запитывание всех гальванически развязанных частей схемы происходит от встроенного изолированного преобразователя постоянного напряжения, благодаря которому отпадает необходимость использовать дополнительный внешний источник питания. Все это делает MAX14001 и MAX14002 прекрасным выбором при проектировании универсальных дискретных входов с индивидуальной изоляцией и широким диапазоном входных напряжений.

На рисунке 16 отображены основные функциональные блоки MAX14001/MAX14002, среди которых стоит отметить четыре наиболее значимых:

Рис. 16. Функциональная схема MAX14001/MAX14002

В качестве примера реального применения MAX14001 и MAX14002 (помимо их включения в качестве обычных изолированных АЦП, как показано на рисунке 16) может послужить построение универсального программируемого дискретного входа с широким диапазоном входных напряжений: в данном случае встроенный функционал аналого-цифрового преобразователя дает возможность регулировать работу высоковольтного полевого транзистора, служащего для очистки релейных контактов за счет пропускания небольших постоянных или импульсных токов. Схема построения такого дискретного входа приведена на рисунке 17.

Рис. 17. Универсальный дискретный вход с широким диапазоном входных напряжений на базе MAX14001

Средства отладки

Компания MAXIM Integrated предоставляет своим клиентам возможность ознакомления и создания прототипов на основе своих решений при помощи специально разработанных отладочных средств (рисунок 18). В частности, для микросхем, представленных в данной статье, существует перечень отладочных плат, краткие характеристики которых приведены в таблице 3.

Рис. 18. Внешний вид отладочных плат для цифровых изоляторов MAXIM Integrated: а) MAX14432FSEVKIT; б) MAX2244XWEVKIT; в) MAX12935BWEVKIT; г) MAX14483EVKIT; д) MAX22192EVKIT; е) MAX14001EVSYS

Таблица 3. Отладочные платы Maxim Integrated

Заключение

Предложенные в статье решения компании Maxim Integrated имеют высокие параметры надежности и совместимости, небольшие габаритные размеры и широкий диапазон рабочих температур, благодаря чему находят применение и могут быть использованы для решения самых разных типов задач, среди которых:

Гальваническая развязка микросхем позволяет организовать защиту чувствительных электрических цепей от повреждения импульсами повышенного напряжения, благодаря чему продукты, выпускаемые компанией Maxim, подходят для использования со многими промышленными стандартами и могут быть использованы в широком спектре приложений промышленной автоматизации, телекоммуникационного оборудования, медицинской техники, программируемых логических котроллеров и прочего.

Источник