Опубликовано

Оптронная развязка схема

Содержание

Оптопара принцип работы, оптроны принцип работы

Что такое оптопара – электронно-оптический аппарат (прибор), в котором присутствуют источник светового излучения и приемник того же излучения – фотоприемник, которые в свою очередь связаны конструктивно электрическими и оптическими связями.

  • Принцип работы оптопары
  • Как работают оптронные устройства
  • Схемы работы оптопар
  • Устройство оптронов
  • Применение оптопар
  • Достоинства и недостатки оптопар

В практическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в последнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:

  • Оптопара – полупроводниковый оптическо-электронный прибор, в котором оптическая связь обеспечивает изоляцию входа и выхода излучающего и принимающего элементов.
  • Электронно-оптическая микросхема, которая состоит из определенного количества оптопар и так называемых усилителей, которые имеют электрическое соединение с элементами оптронов.

Рисунок 1 – Общий вид оптопары в герметичном корпусе

Схемы работы оптопар

Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в диагностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.

В качестве примера приведем несколько линейных схем:

Рисунок 2 – Линейная развязка аналогового сигнала с помощью оптронов: 01- оптопары; У1, У2 — усилители

Передача аналоговых сигналов осуществляется по развязанной гальванически цепи с использованием двух одинаковых оптронов, один из которых предназначен осуществляет обратную связь.

Рисунок 3 – Развязка между блоков U1- оптопара; VT1 – транзистор; R2 – сопротивление

Часто применяется в радиотехнике. Выходной сигнал Блока 1 подается на Блок 2 посредством оптопары-диода. В случае использования в Блоке 2 микросхемы с небольшим током на входе, то усилитель не требуется и оптопара-диод работает в фотогенерирующем режиме.

Рисунок 4 – Реле оптоэлектронное

Сигналы от фотоприемника оптопары удобно и практично использовать на воздействие исполнительных механизмов опять же через гальваническую развязку (к примеру: включение света, электродвигателе и другого оборудования).

На рисунке 4 изображена схема полупроводникового разомкнутого реле. Коммутация тока происходит в реле. Транзистор оптопары принимает фотосигнал и открывает VT1, VT2 транзисторы, далее включается нагрузка.

Достоинства и недостатки оптопар

К основным достоинствам оптронов относится следующее:

  • управление различного рода объектами осуществляется бесконтактно;
  • разнообразие и гибкость управления;
  • абсолютная невосприимчивость и независимость от посторонних электромагнитных волн, что не создает дополнительных помех в работе;
  • возможность использования, как импульса, так и постоянного сигнала;
  • возможность изменения выходного сигнала за счет воздействия на вещество оптоканала (из этого следует возможность использования датчиков различных типов);
  • конструктивная и физическая совместимость с иными электронными и полупроводниковыми аппаратами и приборами;
  • с точки зрения пропускания оптопары, то в низких частотах нет ограничений.

К недостаткам оптронов относятся:

  • достаточно на высоком уровне потребляемая мощность, вызванная двойной трансформацией энергии (электрический ток – световой поток – электрический ток;
  • сравнительно невысокий КПД переходных процессов;
  • снижение качества параметров в процессе длительного времени;
  • высокий уровень шумовых характеристик;
  • достаточно сложно реализовать обратную связь из-за разностью выходных и входных схем.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: , для нас это очень важно: Проголосовавших: 16 чел.

статья: Опыт схемотехнических решений гальванической развязки в устройствах ЦОС для лабораторных и промышленных применений 1999 г.

В. Буткевич, В. Невзоров, А. Абакумов

При построении измерительных систем цифровой обработки сигналов (ЦОС) для сбора и обработки данных, контроля и управления, особенно связанных с функционированием в производственных условиях, разработчикам приходится сталкиваться с необходимостью обеспечения гальванической развязки измерительных цепей, цепей ввода/вывода данных, с одной стороны, и цепей персонального компьютера, а также цепей цифровой обработки сигналов, с другой. При этом решаются следующие основные задачи:

  • Защита цепей компьютера от воздействия электрических напряжений и токов. Это важно при эксплуатации оборудования в условиях, связанных с возможным влиянием на него несанкционированных электромагнитных воздействий, с невозможностью обеспечения качественного заземления и т. п., например, в цехах промышленных предприятий, на транспорте, а также в условиях, где возможно возникновение субъективного фактора “человеческой” ошибки, приводящей к выводу дорогостоящего оборудования из строя.
  • Защита пользователя от возможного электрического удара. Необходимость подобной защиты возникает при опасности воздействия электрического удара, опасного для здоровья человека, например, при построении систем медицинского применения.
  • Обеспечение необходимой помехозащищённости. Эта проблема актуальна при построении измерительных прецизионных систем, например, в научных исследованиях и метрологических лабораториях.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили схемы, использующие два варианта гальванической развязки:

  • трансформаторной;
  • оптоэлектронной.

Гальваническая развязка трансформаторного типа предполагает использование магнитоиндукционного элемента с сердечником или без него, напряжение Uвых на вторичной обмотке которого пропорционально напряжению Uвх на входе устройства. При применении трансформаторной гальванической развязки необходимо учитывать следующие её недостатки:

  • несущий сигнал может создавать помехи, влияющие на выходной сигнал развязки;
  • полоса пропускания ограничена частотой модуляции развязки;
  • сравнительно большие габаритные размеры компонентов, реализующих развязку.

В настоящее время в связи с развитием технологии полупроводниковых устройств расширяются возможности по использованию оптоэлектронных развязывающих устройств, оптических вентилей (оптронов). Принцип работы оптрона проиллюстрирован на рис. 1. Светоизлучающий диод, p-n-переход которого смещён в прямом направлении, излучает свет, воспринимаемый фототранзистором. Таким образом, осуществляется гальваническая развязка цепей, связанных со светодиодом, с одной стороны, и с фототранзистором, с другой.

Рис. 1. Принцип работы оптрона

К достоинствам оптоэлектронных развязывающих устройств можно отнести:

  • способность осуществлять развязку в широком диапазоне напряжений, в том числе до величины 500 В, что является значением, принятым при реализации систем ввода данных;
  • возможность передавать сигналы на высокой частоте (до десятков МГц);
  • малые габаритные размеры.

В данной статье обобщён положительный опыт создания систем ЦОС с гальваноразвязкой в ЗАО “»Л Кард»”. Основанием для этого является не только субъективная причина лучшего знакомства авторов с этими изделиями, но и ряд объективных факторов. В нашей стране основное серийное производство электроники для систем сбора данных на базе ЦОС для сторонних потребителей сосредоточено в ЗАО “»Л Кард»”, Центре АЦП “Руднев-Шиляев”, АОЗТ “Инструментальные системы” и ЗАО “Компания Сигнал”. Отечественные устройства ЦОС с гальваноразвязкой в последнее время поставляли лишь ЗАО “»Л Кард»” и Центр АЦП ЗАО “Руднев-Шиляев”. В то время как Центр АЦП ЗАО “Руднев-Шиляев” предлагает лишь несколько типов встраиваемых плат с гальваноразвязкой на шину ISA, в номенклатуре ЗАО “»Л Кард»” представлен весьма широкий спектр исполнения изделий (встроенные платы на шины ISA и PCI, внешний модуль АЦП, модули крейтовой системы). Кроме того, важным фактором продвижения систем ЦОС в нашей стране является цена изделия при условии соблюдения гарантированного качества продукции. В этом отношении изделия ЗАО “»Л Кард»” являются показательными. Это обусловлено тем, что:

  • производственная программа изделий исчисляется сотнями штук при практическом отсутствии рекламаций;
  • ведётся систематическая работа по сертификации изделий;
  • цена измерительного канала ниже, чем у потенциальных конкурентов (от 8,75 у.е. за гальваноразвязанный канал АЦП платы L-264).

Основные характеристики упоминаемых изделий приведены в таблице:

Устройство Интерфейс / скорость передачи данных Подавления индустриальных помех, дБ Максимальная частота преобр. Тип гальванической развязки Напряжение развязки, В Цена канала АЦП, у.е.
L-264 ISA / 200-300 кСлов/сек. 100 200 кГц Групповая 1500 7,5
L-761 PCI / до 10 Мбайт/с

125 кГц

Групповая

Шина крейтовой системы LTC

100 кГц

Поканальная

LC-111 Шина крейтовой системы LTC 100 50 кГц Групповая 500 6
E-24 СОМ порт / до 57600 бод. 100 1 кГц Групповая 500 43

В системах сбора данных ЗАО “»Л Кард»” нашли применение как трансформаторный, так и оптоэлектронный способы реализации гальванической развязки. Трансформаторный тип применяется для развязки линий электропитания, что даёт возможность создания источников вторичного питания устройств. Оптоэлектронные компоненты используются для развязки сигнальных магистралей.

Наиболее показательными с точки зрения развития и практической реализации схемы гальванической развязки являются платы сбора данных на шину ISA и PCI (соответственно, L-264 и L-761).

Гальваническая развязка плат ввода/вывода большинства производителей средств сбора данных используется для согласования интерфейсных линий шины данных персонального компьютера и узлов самой платы. Обычно при использовании параллельного способа передачи данных между шиной компьютера и платой ввода/вывода введение гальванической развязки понижает надёжность и увеличивает стоимость системы. Это обусловлено необходимостью использования для развязки информационных линий шины большого количества оптронов, представляющих собой наиболее уязвимые с точки зрения надёжности, и дорогие с точки зрения цены элементы.

Для частичной компенсации упомянутых недостатков введения гальваноразвязки специалистами “»Л Кард»” предложен и реализован иной способ управления гальванической развязкой, предполагающий использование меньшего числа оптронов и, следовательно, гарантирующий более высокую надёжность и низкую стоимость устройства. Он основан на применении частичного мультиплексирования линий связи между компьютером и платой ввода/вывода. Такой подход даёт возможность уменьшить необходимое количество гальваноразвязанных магистралей передачи данных и оптоэлектронных компонентов развязки.

В частности, обмен данными между опторазвязанными элементами системы в платах L-264 осуществляется потетрадно, а в платах L-761 — побитно. Управление передачей данных через гальваническую развязку в первом случае осуществляется сигнальным процессором ADSP2184/85, а во втором — микроконтроллером AVR90S2313 фирмы Atmel.

Рис. 2. Структурная схема платы L-264

В основе построения АЦП/ЦАП L-264 из семейства плат на шину ISA, структурная схема которой приведена на рис. 2, лежит идея гальванического разделения как аналоговых, так и цифровых узлов ввода/вывода и цепей персонального компьютера. Её реализация даёт возможность осуществить полную гальваническую развязку не только АЦП и ЦАП, но и цифровых блоков обмена данными. При этом в плате L-264 применена оптоэлектронная развязка сигнальных проводников и трансформаторная — цепей вторичного питания схемы.

Находящийся на плате сигнальный процессор ADSP2105 фирмы Analog Devices производит цифровую обработку измеряемого сигнала, управляет вводом/выводом сигналов и обменом информацией с ПК, а также контролирует работу оптронов гальваноразвязки.

Дальнейшего совершенствования системы гальванической развязки удалось добиться в платах АЦП/ЦАП L-761. Её структурная схема дана на рис. 3. Функционально она разделена на две гальванически развязанные части. На опторазвязанной с компьютером стороне находятся микроконтроллер AVR, который обеспечивает функционирование последовательного АЦП AD7894 и цепей коммутации входных сигналов, и ЦАП AD7294, управляемый непосредственно цифровым сигнальным процессором (ЦСП). Кроме того, микроконтроллер AVR управляет цепями коммутатора входных сигналов, коэффициентом усиления программируемого усилителя, частотой запуска АЦП и, при необходимости, синхронизацией ввода данных.

Рис. 3. Структурная схема платы L-761

На другой стороне опторазвязки расположен контроллер PCI (микросхема PCI9050-1), обеспечивающая обмен данными с компьютером через интерфейс PCI, цифровой сигнальный процессор (ЦСП), а также порт внешних цифровых линий. ЦСП осуществляет получение данных с АЦП, управление работой микроконтроллера AVR с помощью одного из своих последовательных портов SPORT0, обеспечивает также взаимодействие с микросхемой двухканального ЦАП через последовательный порт SPORT1 и управление внешними цифровыми линиями.

Использование ЦСП позволяет производить цифровую обработку входных аналоговых сигналов в режиме реального времени. При этом аппаратные и программные ресурсы персонального компьютера не задействуются в процессе преобразования и обработки сигнала. Применение цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices ADSP2184/85, снабженных каналом IDMA (Internal Data Memory Access), дало возможность отказаться от режима Bus-master за счёт использования прямого доступа к памяти сигнального процессора, выполняющего в этом режиме функции двухпортового ОЗУ. За счёт этого уменьшена цена плат без заметного снижения скорости обмена данными по системной магистрали.

Рис. 4. Фрагменты принципиальных схем приемника (а) и передатчика (б) гальванической развязки информационных сигналов

На рис. 4а и 4б приведены, соответственно, фрагменты принципиальных схем приёмника и передатчика сигналов с гальванической развязкой. В качестве развязывающего узла схемы L-761 использована оптопара HCPL-2630 фирмы Hewlett Packard, обладающая наилучшими быстродействием, временной и температурной стабильностью.

Гальваническая развязка входных цепей платы и цепей персонального компьютера предполагает использование вторичного источника питания, выполненного на основе трансформаторного преобразователя напряжения VCC (+5 В) и +12 В, формируемого источником питания персонального компьютера, в гальванически не связанные с ним напряжения +5 В, +15 В и -15 В. Его принципиальная схема приведена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема вторичного источника питания трансформаторного типа платы L-761

Приведенная схема, обладая малыми габаритными размерами и массой, имеет КПД, достаточный для питания входных аналоговых цепей схемы.

Замечание: Особенностью платы L-761 является использование вместо дискретных логических элементов, установленных на плате L-264, контроллера фирмы Atmel AVR AT90S2313, позволяющее осуществить последовательный высокоскоростной обмен данными между гальванически-развязанными узлами только по двум линиям. За счёт такого технического решения, по сравнению с платами L-264, вдвое уменьшается количество оптронов, необходимое для передачи данных, что значительно упрощает конструкцию, повышает её надёжность и удешевляет стоимость платы.

Дальнейшее развитие методы гальванической развязки нашли в модулях модульной измерительной системы LTC.

Модульные измерительные системы предназначены для реализации систем сбора данных, выполнения операций управления и контроля в промышленности, а также сбора и обработки результатов экспериментов и испытаний. При этом во многих случаях оказывается эффективным применение измерительных модулей и модулей ввода/вывода цифровых сигналов, управляемых персональными компьютерами в обычном или промышленном исполнении.

ЗАО “»Л Кард»” разработало и поставляет подобные системы в корпусах на базе крейтов серии LTC, подключаемых к ПК при помощи крейт-контроллеров, которые обеспечивают управление процессами измерений и передачи данных с установленных в крейте модулей.

Вся номенклатура модулей, предлагаемых для построения системы сбора и обработки информации на базе LTC крейтов, включает более 30 изделий, которые позволяют построить специализированные системы для тензометрии и виброизмерений, снимать данные с термопар и терморезисторов, осуществлять ввод аналоговых и цифровых сигналов, осуществлять управление реле, реализовывать частотные измерения и функции генератора сигналов.

Среди них модули LC-111 и LC-227 содержат гальваническую развязку, причём, в модуле LC-111 реализована полная групповая развязка, подразумевающая гальваническое разделение предварительно мультиплексированного и оцифрованного входного сигнала, а в модуле LC-227 — полная поканальная развязка, при которой входные аналоговые сигналы не мультиплексируются, а каждый из каналов имеет собственный АЦП и гальваническую развязку.

Модуль LC-111, структурная схема которого приведена на рис. 6, осуществляет коммутацию 16 дифференциальных или 32 синфазных входных аналоговых сигналов, их усиление и преобразование в цифровой код.

Рис. 6. Принципиальная схема индивидуальной гальванической развязки каналов модуля LC-227

Функционирование модуля имеет ряд особенностей:

  • управление коммутатором производится через цифровую шину крейта;

  • коэффициент усиления усилителя управляется программно;

  • для сохранения калибровочных коэффициентов усилителя предусмотрено программируемое ПЗУ.

При выполнении гальванической развязки узлов LC-111 использовались проверенные методы, применяемые в платах АЦП/ЦАП L-264 и L-761.

Принципиальная схема оптоэлектронной развязки сигнальных линий приведена на рис. 4.

Гальваническое разделение питающих магистралей производится с помощью преобразователя трансформаторного типа, формирующего напряжения питания.

Модуль LC-227 предназначен для установки в крейт LTC и представляет собой 8-канальный усилитель-преобразователь сигналов датчиков с индивидуальной гальванической развязкой каждого канала. Он используется для измерения параметров термопар, терморезисторов и токов. Принципиальная схема модуля дана на рис. 6. Его работа основана на преобразовании аналогового входного сигнала в цифровую последовательность с частотой, пропорциональной величине входного сигнала. В качестве АЦП использованы преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) AD654 фирмы Analog Devices. Применение ПНЧ позволяет повысить точность аналого-цифрового преобразования без повышения требований к характеристикам источника вторичного питания.

При использовании модуля введена индивидуальная калибровка каналов преобразования. Значения калибровочных коэффициентов при этом записываются в ППЗУ модуля.

Замечание: Особенностью гальванической развязки модуля LC-227 является то, что последовательности выходных сигналов АЦП каждого из каналов передаются посредством оптронной пары на вход процессора цифровой обработки сигналов, осуществляющего аналого-цифровое преобразование путём подсчёта числа импульсов АЦП за единицу времени. Введение оптронной развязки в каждый из каналов преобразования даёт возможность повысить помехозащищённость схемы по сравнению с модулями LC-111. Гальваническая развязка модуля LC-227 выдерживает постоянное напряжение 500 В между любым из входов и корпусом прибора, или между входами любой пары каналов в любой модификации модуля.

И, наконец, наиболее совершенная гальваническая развязка, с точки зрения своего технического воплощения, нашла применение при построении внешних модулей АЦП типа E-24, функционирующих под управлением последовательного порта RS232.

Модуль содержит 8 каналов сигма-дельта АЦП разрядностью 22 бит, работающего с максимальной частотой преобразования 1 кГц. В нём предусмотрено программное изменение коэффициента усиления от 1 до 128.

Особенностью модуля является то, что он не требует внешнего источника питания. Питание модуля производится непосредственно от линий квитирования RTS и DTR порта RS232. При этом вторичный источник питания выполнен по схеме с трансформаторной развязкой и имеет максимальное потребление в режиме холостого хода не более 150 мкА. Такое малое потребление достигнуто за счёт использования высокочастотного задающего генератора трансформаторной развязки и высокоэффективных преобразовательных устройств типа charge-pump, выполненных на основе DC-DC преобразователей ADM663 фирмы Analog Devices.

Для уменьшения тока, потребляемого гальванической развязкой сигнальных проводников, использована схема типа push-pull, приведённая на рис. 7.

Рис. 7. Гальваническая развязка сигнальных проводников внешнего модуля E-24

Благодаря удачным техническим решениям, использованным в модулях E-24, достигнут рекорд потребления среди устройств подобного класса всего в 4 мА в режиме полной загрузки.

Таким образом, проведённый анализ устройств сбора и обработки данных показал, что в настоящее время на российском рынке отечественными производителями достаточно широко представлены конкурентоспособные устройства ЦОС с гальванической развязкой, позволяющие создавать необходимые системы измерения, диагностики и контроля для тех применений, где от оборудования требуется высокая помехоустойчивость, надёжность и безопасность.

Виды развязок

По способу организации гальванической развязки они разделяются на

  • Трансформаторные.
  • Оптоэлектронные: оптопары, оптоволоконные линии связи, фотогальванические элементы.
  • Акустические — передача информации происходит через звуковой, например, ультразвуковой канал.
  • Радиоканалы.
  • Звуковой: громкоговоритель, микрофон
  • Емкостные — передача сигнала производится на высоких частотах через разделяющие конденсаторы малой ёмкости.
  • Развязки на коммутируемых конденсаторах.
  • С преобразователями, основанными на эффекте Холла и гигантском магнитосопротивлении.
  • Механические, например: мотор-генераторы, реле.

Трансформаторная развязка

Гальваническая развязка у трансформатора. Первичная обмотка (сверху) электрически изолирована от вторичной обмотки (снизу).

Исторически первый вид развязок. Используется до сих пор как для передачи мощности, так и для передачи информационного сигнала. Через силовые трансформаторы возможна передача очень большой мощности, вплоть до сотен МВт. Для передачи информации обычно используют миниатюрные импульсные и высокочастотные трансформаторы.

Иногда для электробезопасности применяют специальные разделительные силовые трансформаторы. Обычно силовые трансформаторы понижающие, то есть напряжение вторичных обмоток ниже напряжения первичной обмотки, разделительные трансформаторы, как правило, имеют коэффициент трансформации 1:1. Применение таких трансформаторов в целях электробезопасности обусловлено тем что низковольтные промышленные и бытовые сети имеют заземление присоединенное к «земле» — с которой также электрически связаны, например, водопроводные трубы. При отсутствии разделительного трансформатора пробой изоляции ручного электроинструмента может причинить электротравму работнику. Так как вторичная обмотка разделительного трансформатора не имеет электрической связи с «землёй», аварийное нарушение изоляции инструмента практически электробезопасно.

У автотрансформаторов первичная и вторичная обмотки совмещены, и поэтому автотрансформаторы не являются устройствами гальванического разделения и не применяются для гальванического разделения в целях электробезопасности.

Недостаток трансформаторной гальванической развязки для передачи информационного сигнала — принципиальная невозможность непосредственной передачи сигналов постоянного тока и медленно изменяющихся сигналов через трансформатор. Поэтому в таких развязках прибегают к какому-либо виду модуляции, например, частотной модуляции и передача информации при этом происходит с помощью передачи высокочастотного несущего сигнала. На приёмном конце высокочастотный сигнал демодулируется с восстановлением переданной информации.

Оптоэлектронные и оптические развязки

Принцип работы оптоэлектронной развязки, широко используемой в современных цифровых системах Гальваническая развязка для передачи аналоговых сигналов с улучшенной точностью. Если фототоки фотодиодов равны во всем диапазоне изменения входного сигнала ( I P 1 = I P 2 {\displaystyle I_{\mathrm {P1} }=I_{\mathrm {P2} }} ), то нелинейность канала компенсируется.

В устройствах этого типа сигнал передаётся с помощью оптического излучения и используются исключительно для передачи информационных сигналов, так как через такие развязки трудно и технически нецелесообразно передавать большую мощность.

В настоящее время оптические развязки наиболее используемый и популярный тип информационных развязок.

Принцип их действия основан на излучении света каким-либо управляемым электрическим сигналом светоизлучателем, передаче оптического сигнала в гальванически изолированную часть и обратное преобразование излучения в электрический сигнал.

В качестве излучателей сейчас обычно используются светодиоды, а в качестве приёмников света — фотодиоды, фототранзисторы или фототиристоры. Комбинацию светодиод и приемник излучения принято называть оптопарой или оптроном, если конструктивно излучатель и приёмник излучения скомпонованы в одном корпусе. Передача в оптическом канале обычно применяют в инфракрасном диапазоне, так как энергетические характеристики полупроводниковых приёмников и излучателей в этом диапазоне лучше, чем в видимом диапазоне.

Преимущество оптронной развязки по сравнению с трансформаторной — меньшие габариты, дешевизна и возможность передавать медленно меняющиеся сигналы, в том числе сигналы постоянного тока.

Недостаток оптической развязки для передачи аналоговых сигналов низких частот — существенная нелинейность канала при передаче, неравномерность коэффициента передачи 10—30 % во всем диапазоне изменения сигнала. Поэтому для передачи медленно меняющихся аналоговых сигналов с достаточной точностью, как и в случае трансформаторной развязки применяют модуляцию-демодуляцию.

Другой способ точной передачи медленно меняющегося сигнала через оптический канал — компенсационный. При этом методе один светоизлучатель (светодиод) засвечивает два приёмника излучения (фотодиода или фототранзистора), один из приёмников включён в обратную связь источника тока светодиода, второй, гальванически изолированный, включён в обратную связь усилителя фотодиода как показано на рисунке. Если нелинейная функция передачи от светодиода на оба фотоприёмника одинаковая, то нелинейности взаимно компенсируются и гальваническая развязка становится с достаточной для многих применений точностью линейной. Практически в такой структуре достижимо улучшение линейности передачи в канале до 1 %.

Конденсаторная гальваническая развязка

Один из вариантов конденсаторной гальванической развязки Структурная схема информационной гальванической развязки через пару конденсаторов. Красной линией изображён синфазный сигнал.
М — модулятор, преобразующий входной сигнал в последовательности коротких импульсов;
БУ — буферный усилитель-фазорасщепитель, преобразующий входной импульсный сигнал на две линии в которых фаза импульсов отличается на 180 градусов;
ДУ — дифференциальный импульсный усилитель;
ДМ — демодулятор, преобразующий импульсные последовательности в непрерывный аналоговый сигнал.

Применяется исключительно для передачи информационных сигналов. Эта развязка может называться гальванической развязкой только условно, так как гальванически развязываемые цепи соединены электрически через ёмкостную связь, импеданс которой конечен и падает при повышении частоты разности плавающих потенциалов «земель» разделяемых цепей.

Если ёмкость конденсаторов мала, то токи промышленной частоты, протекающие через развязывающие конденсаторы малы. Например, обычная ёмкость развязывающих конденсаторов около 1 пФ, и импеданс гальванической развязки для промышленной частоты составляет порядка 3 ГОм. Электрическая прочность (пробойное напряжение) развязывающих конденсаторов может составлять несколько киловольт, поэтому этот тип развязок разрешён для применения в электрофизическом оборудовании для медицинского обследования и лечения пациентов, например, в электрокардиографах.

Так как такая развязка принципиально не передаёт медленно изменяющиеся сигналы и сигналы постоянного тока, при передаче информационного сигнала обязательно применяют какой-либо тип модуляции.

Пример цепи конденсаторной гальванической развязки показан на рисунке. В этой схеме импульсный сигнал передаётся через несимметричный конденсаторный мост с разными коэффициентами передачи ёмкостных делителей напряжения в плечах моста.

Другой пример гальванической развязки показан на рисунке. В этой схеме информационный сигнал, промодулированный каким-либо методом, передаётся в дифференциальном виде через два конденсатора связи, с типовой ёмкостью около 1 пФ.

Этот принцип гальванического разделения применён во многих микросхемах «усилителей с гальванической развязкой» многих производителей полупроводниковых компонентов. Обычно в таких микросхемах применяют сигма-дельта модуляцию.

Преимущество конденсаторного метода гальванического разделения — простота, но недостаток — требует применения модулятора-демодулятора.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *