CC BY
4640 I компоненты
Eo Сиок БИИН (Yeo Siok BEEN)
Преимущества использования изоляторов
Наличие высоковольтных напряжений в тестируемой аппаратуре не только влияет на точность измерений, они могут повредить измерительное оборудование и представляют опасность для персонала. Дополнительная развязка необходима для физической и электрической изоляции контрольной аппаратуры и операторов от испытываемых устройств.
Применение изоляторов позволяет в несколько раз повысить диапазон допустимого синфазного напряжения, которое может возникать между сигнальными выводами и общей точкой заземления. Кроме того, изоляторы разрывают паразитные кольцевые уравнивающие токи, образующиеся в цепи общего провода между точками заземления. Такие уравнивающие токи заземления искажают показания пробников, измеряющих дифференциальные напряжения.
Поскольку одной из важнейших функций изоляторов является обеспечение безопасности обслуживающего персонала, их применение должно быть согласовано с требованиями стандартов безопасности для высоковольтной аппаратуры. Сейчас основным стандартом, определяющим требования для измерительной техники, является 1ЕС 61010-1. Согласно этому документу уровни напряжения переменного тока 30 В (42,2 В — пиковое значение) и постоянного тока 60 В рассматриваются как опасные.
Нормы изоляции
Стандарт 1ЕС 61010-1 определяет 4 категории изоляции: функциональная, базовая, двойная и усиленная.
оптические изоляторы
Выбор типа изолятора
для испытательного оборудования
Наличие высоковольтного напряжения в испытываемом оборудовании не только искажает результаты измерений, но и является опасным для измерительных приборов и персонала. В прецизионных системах сбора данных существует серьезная проблема измерения малых колебаний сигнала на фоне высоких синфазных напряжений (желательных или нежелательных), которые оказывают отрицательное влияние на процесс измерения. Эти высоковольтные сигналы могут возникать из-за разности потенциалов двух точек заземления, это также могут быть непредсказуемые переходные перенапряжения, вызываемые грозовыми разрядами, пусковыми моторными токами или наводимые при работе мощных импульсных преобразователей.
Функциональная изоляция осуществляет только разрыв петлевых заземляющих токов при минимальном уровне безопасности; она не обеспечивает защиты от поражения электрическим током. Базовая изоляция формирует только одиночный уровень защиты и не позволяет пользователям работать с устройством без риска поражения.
Для обеспечения достаточного уровня защиты людей от поражения электрическим током необходим двойной барьер, состоящий, как правило, из базового и дополнительного изолирующего слоя. Усиленная изоляция имеет одиночный слой, обеспечивающий уровень защиты от повреждения током, эквивалентный тому, который обеспечивается двойной изоляцией. В то же время она дает возможность устройству работать в отказобезопасном режиме, при котором система и все ее компоненты автоматически переводятся в безопасное состояние при обнаружении отказа. Такая изоляция обеспечивает полностью защищенный доступ пользователей к системе.
Кроме типа изоляции и диапазона рабочих напряжений, упомянутый стандарт также устанавливает нормы на длину тока утечки и размеры внешних воздушных промежутков изоляторов для различного класса аппаратуры. Длина тока утечки (creepage distance) определяется как кратчайший путь по поверхности твердого диэлектрика между двумя гальванически изолированными проводниками. Для системы, работающей, например, при напряжении 300 В (пиковое значение), значение указанного параметра должно быть не менее 3-4 мм. Второй параметр (длина внешнего воздушного зазора) определяется аналогично: как кратчайшая дистанция между двумя гальванически изолированными проводниками, но измеряемая по воздушному промежутку.
Типы изоляторов
Изоляторы подразделяются также по способу разделения/передачи сигнала. Существует три основных типа гальванической развязки: индуктивная (магнитная), емкостная и оптическая. Магнитные изолирующие устройства, в которых для обеспечения гальванической развязки применяются трансформаторы, наиболее эффективны с точки зрения передачи мощности, поэтому они часто используются для передачи сигнала на дальние расстояния. Основной их недостаток — высокая чувствительность к электромагнитным помехам.
В устройствах с емкостной изоляцией информация передается через оксидный разделительный барьер. Из-за емкостной природы данного способа развязки емкостные изоляторы подвержены воздействию высокочастотных шумов, генерируемых, например, импульсными преобразовательными устройствами. Существенные недостатки данного типа гальванической развязки — низкая стойкость к переходным перенапряжениям (dV/dt) и низкое напряжение пробоя, особенно для монолитных оптоизоляторов.
Оптические изоляторы, или оптопары, как правило, состоят из светоизлучающего диода (LED) и фотоприемника (рис. 1). Передача оптического сигнала, излучаемого светодиодом к фотоприемнику, происходит через прозрачный изолирующий слой.
Оптические изоляторы обладают высокой помехозащищенностью с точки зрения электромагнитных помех, они способны обеспечивать гальваническую изоляцию с напряжением до 5 кВ. Такие устройства выпускаются в различных корпусах, обеспечивающих длину пути тока утечки 8 мм, что сооветствует
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2007
требованиям стандарта безопасности при пиковом рабочем напряжении до 1,414 В. Оптопары непрерывно совершенствуются в части расширения диапазона рабочих частот. Скорость передачи сигнала для современных компонентов превышает 50 Мбит/с при задержке распространения сигнала не более 22 нс.
Оптопары, выпускаемые компанией Avago, обеспечивают усиленную изоляцию, они сертифицированы и одобрены в соответствии со стандартом IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 для полупроводниковых компонентов с оптической изоляцией.
Уровень подавления синфазного сигнала для этих элементов достигает 40 кВ/мкс. Такая величина гарантирует высокую стойкость к наведенным переходным перенапряжениям. Оптопары способны эффективно передавать дифференциальный сигнал, блокируя влияние паразитных синфазных токов и напряжений смещения, возникающих при протекании петлевых заземляющих токов.
Цифровые оптопары можно применять в измерительных цепях систем сбора данных (рис. 2). При измерении аналоговых сигналов устройство должно иметь усилитель и АЦП, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой. Сформированный цифровой сигнал передается на микропроцессор через быстродействующий цифровой оптоизоля-
оптические изоляторы I компоненты
тор. Подавляя высокий синфазный сигнал или переходное напряжение и предотвращая воздействие помех, цифровая оптопара позволяет повысить точность измерения аналогового сигнала. Далее информация передается в блок управления системой для соответствующей обработки или хранения. Здесь тоже необходимо использовать оптопары для предотвращения влияния одного модуля на другой или их повреждения от нежелательных бросков напряжения.
Уровень рассеиваемой мощности — одна из ключевых характеристик портативных измерительных устройств. Именно поэтому многие производители тестового и измерительного оборудования переходят с традиционного напряжения питания 5 В на новый стандарт 3,3 В. Для обеспечения этого пере-
хода создаются новые изолирующие интегральные схемы, такие как ACPL-072L, способные работать при напряжении 3,3 В.
В недалеком прошлом оптопары потребляли значительную мощность, необходимую для питания светодиодов. Однако в результате развития LED-технологий появились светодиоды, способные более эффективно излучать световую энергию при меньшем токе потребления. Усилия производителей оптоизоляторов в настоящее время направлены на повышение коэффициента передачи тока при существенно меньшем его потреблении. Примером очевидного прогресса может служить микросхема HCPL-070A, имеющая средний ток потребления всего 0,125 мА при передаче сигнала с коэффициентом заполнения 50%. ■
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2007
www.power-e.ru
