Не только оптопары: понятие цифровых изоляторов
Оптопары, несомненно, эффективны, но альтернативные технологии гальванической развязки (электрической изоляции цепей друг от друга) могут лучше подходить для вашего приложения.
Связанная информация
Достичь гальванической развязки довольно легко, когда мы имеем дело с сигналами переменного тока. Плавно изменяющиеся напряжения и токи настолько стремятся выйти за пределы проводящих соединений, что естественным образом допускают три типа изолированной передачи: они генерируют магнитные поля, которые могут быть связаны через катушки трансформатора, электрические поля, которые могут быть связаны через пластины конденсатора, и электромагнитное излучение, которое можно передавать через антенны.
Проблема в том, что часто нам необходимо электрически изолировать сигналы, форма которых не меняется постоянно. Как правило, это цифровые сигналы, которые могут оставаться на низком или высоком уровне в течение длительного периода времени. Стандартным решением этой проблемы является использование света, который обладает удобной возможностью передавать между передатчиком и приемником информацию о низкочастотных сигналах или даже об устойчивых состояниях без установления прямого электрического соединения.
Что такое оптопара?
Оптопара представляет собой простое устройство, состоящее из светодиода, изолирующего барьера и фоточувствительного полупроводникового устройства (то есть фотодиода или фототранзистора).
Недостатки оптопар на практике
Оптопары подходят для множества систем, но у них есть существенные недостатки:
- В контексте современной электроники с низким энергопотреблением, требования к току светодиода достаточно высоки, а светодиод оптопары должен быть включен всякий раз, когда входной сигнал имеет высокий логический уровень. В некоторых системах такое неэффективное использование энергии просто недопустимо.
- Оптопары имеют проблемы с надежностью. Возможно, основной проблемой является неисправность светодиода, но в реферате этой исследовательской работы упоминается, среди прочего, загрязнение интерфейса связи и термомеханическое напряжение, связанное с поглощением влаги.
- Задержки распространения, связанные с работой оптопары, накладывают надоедливые ограничения на скорость передачи данных. Я не знаю, справедливо ли говорить, что оптопары по своей природе являются «медленными», но они действительно медленные по сравнению с альтернативными устройствами.
- Вход и выход оптопары не являются типовыми логическими элементами и, следовательно, интерфейс между оптопарой и остальной частью системы может потребовать компонентов или усилий для проектирования, которые могут быть устранены при использовании цифровых изоляторов.
- Технологии производства оптопары затрудняют интеграцию нескольких каналов связи в один корпус.
Радиочастотный подход
Обычно радиочастотная связь у нас ассоциируется с системами, работающими на больших расстояниях. Но нет никаких причин, по которым вы не можете использовать ее для приложений (очень) ближнего действия, таких как изоляция цифрового сигнала. Идея заключается в том, чтобы модулировать несущую в соответствии с цифровым входным сигналом, передавать модулированный сигнал через изолирующий барьер и затем демодулировать сигнал.
Использование амплитудной манипуляции (вкл/выкл) снижает энергопотребление, поскольку устройство не передает РЧ-сигнал, когда на входе присутствует низкий логический уровень.
Описание компонента на первой странице технического описания Si864x показывает, что эти устройства лучше, чем оптопары, практически во всех отношениях. Единственные возможные недостатки, которые могут прийти мне в голову, связаны с повышенной генерацией или восприимчивостью к электромагнитным помехам. Однако в этом документе (стр. 10) утверждается, что эти изоляторы сконструированы таким образом, чтобы обеспечить работу с низким уровнем создаваемых электромагнитных помех и высокую устойчивость к радиочастотным помехам.
Прежде чем двигаться дальше, интересно отметить, что эти радиочастотные изоляторы обеспечивают значительные улучшения по сравнению с оптопарами, несмотря на тот факт, что принципиальное различие между этими двумя технологиями заключается только в длине волны: оптопара позволяет цифровому сигналу включать и отключать источник электромагнитного излучения с более короткой длиной волны излучения (т. е. свет), а устройство SiLabs позволяет цифровому сигналу включать и отключать источник более длинноволнового электромагнитного излучения (т. е. РЧ сигнал).
Магнитная изоляция
Analog Devices, чтобы преодолеть ограничения оптопар, использует магнитную связь. Их технология iCoupler объединяет крошечные трансформаторы со схемами управления таким образом, что низкочастотные цифровые сигналы могут передаваться, несмотря на то, что для индукции тока требуется изменяющееся магнитное поле. Следующая диаграмма дает хорошее представление об их технологии:
Выходной сигнал следует за входным сигналом, отслеживая переходы. Логика на входной стороне кодирует нарастающие и падающие фронты и передает их через барьер с помощью магнитной связи, а выходная сторона декодирует эти сигналы в обычные логические переходы. Как и в случае радиочастотных изоляторов, технология iCoupler превосходит оптопары по размерам, рабочей частоте, энергопотреблению и т. д. Честно говоря, прочитав литературу производителя по альтернативным методам изоляции, вы почти пожалеете бедных инженеров, которым пришлось так долго работать с изоляторами на основе света.
Возможно, вы могли бы потратить большую часть дня, пытаясь тщательно проанализировать плюсы и минусы магнитных и радиочастотных изоляторов, но я не думаю, что это хорошее использование времени, потому что в большинстве приложений оба этих решения будут очень эффективными. Я лишь упомяну два момента:
- РЧ-изоляторы (или, по крайней мере, те, которые используют двухпозиционное переключение) несколько хуже с точки зрения энергопотребления, поскольку РЧ сигнал передается всякий раз, когда входной сигнал имеет высокий логический уровень;
- устройства iCoupler более чувствительны к магнитным помехам (это не так уж удивительно, поскольку они используют переходные магнитные поля для индикации логических переходов). Это важное замечание, если вам нужно устройство, которое можно использовать рядом с большими двигателями.
Заключение
Если оптопары полностью подходят для вашего применения, обязательно используйте их. Я последний, кто порекомендует вам перейти на новый продукт просто потому, что он новый. Однако важно знать об альтернативах, потому что технологии изоляции на основе радиочастотных сигналов и магнитных полей действительно предлагают значительные преимущества.