Jenseits des Optokopplers: Digitale Isolatoren verstehen

Heino - Jenseits des Tales (Dezember 2018).

Anonim

Jenseits des Optokopplers: Digitale Isolatoren verstehen


Optokoppler sind zweifellos effektiv, aber alternative Isolationstechnologien sind möglicherweise die bessere Wahl für Ihre Anwendung.

Zugehörige Informationen

  • Galvanische Isolierung: Zweck und Methoden

Die galvanische Trennung ist ziemlich einfach, wenn es sich um AC-Signale handelt. Reibungslos variierende Spannungen und Ströme sind so begierig, über die Grenzen leitender Verbindungen hinauszugehen, die sie naturgemäß für drei Arten isolierter Übertragung zulassen: Sie erzeugen über Transformatorspulen koppelbare Magnetfelder, über Kondensatorplatten koppelbare elektrische Felder und elektromagnetische Strahlung, die über Antennen übertragen werden kann.

Das Problem ist, dass wir oft Signale elektrisch isolieren müssen, die sich nicht ständig ändern. Typischerweise sind dies digitale Signale, die für längere Zeit auf logisch niedrig oder logisch hoch bleiben können. Eine Standardlösung für dieses Problem besteht darin, Licht zu verwenden, das die bequeme Fähigkeit hat, eine Kommunikation zwischen Sender und Empfänger mit niedriger Frequenz oder sogar im stationären Zustand zu schaffen, ohne eine direkte elektrische Verbindung herzustellen.

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Ein Röntgenbild eines Optokopplers, entnommen aus einem Dokument von Silicon Labs mit dem Titel "CMOS-Digital-Isolatoren ersetzen Optokoppler in industriellen Anwendungen".

Nachteile des Optokopplers in der Praxis

Optokoppler sind in vielen Systemen ausreichend, haben aber erhebliche Nachteile:

  • Im Zusammenhang mit moderner Low-Power-Elektronik ist der Strombedarf einer LED ziemlich hoch, und die LED eines Optokopplers muss immer leuchten, wenn das Eingangssignal logisch hoch ist. In einigen Systemen ist diese ineffiziente Verwendung von Leistung einfach inakzeptabel.
  • Optokoppler haben Zuverlässigkeitsprobleme. Vielleicht ist das Hauptproblem das Versagen der LED, aber die Zusammenfassung für diese Forschungsarbeit erwähnt unter anderem Interfacekontamination und thermomechanische Spannung, die mit der Feuchtigkeitsabsorption verbunden ist.
  • Die mit dem Optokoppler-Betrieb verbundenen Ausbreitungsverzögerungen verursachen lästige Datenratenbeschränkungen. Ich weiß nicht, ob es fair ist zu sagen, dass Optokoppler von Natur aus "langsam" sind, aber im Vergleich zu alternativen Geräten sind sie in der Tat langsam.
  • Ein Eingang und ein Ausgang eines Optokopplers sind keine typischen Logikgatter, und folglich kann die Schnittstelle zwischen dem Optokoppler und dem Rest des Systems Komponenten oder einen Entwurfsaufwand erfordern, die eliminiert werden können, wenn digitale Isolatoren verwendet werden.
  • Optokoppler-Herstellungstechniken machen es schwierig, mehrere Kanäle in ein und dasselbe Paket zu integrieren.

Der RF-Ansatz

Normalerweise verbinden wir Funkfrequenzkommunikation mit Fernsystemen, aber es gibt keinen Grund, warum Sie sie nicht für (sehr) Nahbereich-Anwendungen wie die Digitalsignal-Isolation verwenden können. Die Idee hier ist, einen Träger entsprechend dem digitalen Eingangssignal zu modulieren, das modulierte Signal über eine Isolationsbarriere zu übertragen und dann das Signal zu demodulieren.

Diagramm aus dem Datenblatt für die digitale Isolatorfamilie Si864x von Silicon Labs.

Die Verwendung der Ein-Aus-Tastung reduziert den Stromverbrauch, da das Gerät kein HF-Signal sendet, wenn der Eingang logisch niedrig ist.

Diagramm aus dem Datenblatt für die digitale Isolatorfamilie Si864x von Silicon Labs.

Die Teilbeschreibung auf Seite 1 des Si864x-Datenblattes zeigt, dass diese Geräte in fast jeder Hinsicht besser als Optokoppler sind. Die einzigen möglichen Nachteile, die ich mir vorstellen kann, hängen mit der erhöhten Erzeugung von oder der Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen zusammen. In diesem Dokument (Seite 10) wird jedoch behauptet, dass diese Isolatoren so konstruiert sind, dass sie einen Betrieb mit geringer EMI und eine hohe Beständigkeit gegen HF-Störungen gewährleisten.

Bevor wir fortfahren, ist es interessant festzustellen, dass diese RF-Isolatoren gegenüber Optokopplern wesentliche Verbesserungen bieten, obwohl der grundlegende Unterschied zwischen den beiden Technologien einfach die Wellenlänge ist: Ein Optokoppler ermöglicht es einem digitalen Signal, eine Quelle kürzerwelliger elektromagnetischer Strahlung zu aktivieren und zu deaktivieren Strahlung (dh Licht), und die SiLabs-Vorrichtung ermöglicht einem digitalen Signal, eine Quelle längerwelliger elektromagnetischer Strahlung (dh ein HF-Signal) zu aktivieren und zu deaktivieren.

Magnetische Isolierung

Analog Devices nutzt die Magnetkupplung, um die Einschränkungen von Optokopplern zu überwinden. Ihre i- Koppler-Technologie kombiniert winzige Transformatoren mit Steuerschaltkreisen, so dass niederfrequente digitale Signale übertragen werden können, obwohl Sie ein sich änderndes Magnetfeld benötigen, um Strom zu induzieren. Das folgende Diagramm bietet eine gute Übersicht über ihre Technik:

Diagramm aus diesem von Analog Devices veröffentlichten Artikel .

Das Ausgangssignal folgt dem Eingangssignal, indem es Übergänge verfolgt. Die Logik auf der Eingangsseite codiert steigende und fallende Flanken und überträgt sie über die Barriere über magnetische Kopplung, und die Ausgangsseite decodiert diese Signale in normale logische Übergänge. Wie bei HF-Isolatoren übertrifft die i- Koppler-Technologie die Optokoppler in Bezug auf Größe, Betriebsfrequenz, Leistungsaufnahme usw. Ehrlich gesagt, nachdem Sie die Herstellerliteratur zu alternativen Isolationstechniken gelesen haben, bedauern Sie fast die armen Ingenieure, die so lange auf Licht bestanden haben. basierte Isolation.

Sie könnten wahrscheinlich den größten Teil eines Tages damit verbringen, die Vor- und Nachteile von magnetischen und RF-Isolatoren gründlich zu analysieren, aber ich denke nicht, dass das eine gute Zeitnutzung ist, da beide in den meisten Anwendungen sehr effektiv sind. Ich werde jedoch die folgenden zwei Vergleichspunkte erwähnen:

  • HF-Isolatoren (oder zumindest solche, die eine Ein-Aus-Tastung verwenden) sind in Bezug auf den Stromverbrauch etwas schlechter, da ein HF-Signal immer dann gesendet wird, wenn das Eingangssignal logisch hoch ist.
  • i Koppler-Geräte sind empfindlicher gegenüber magnetischen Störungen (dies ist nicht allzu überraschend, da sie transiente magnetische Felder verwenden, um logische Übergänge anzuzeigen). Dies ist eine wichtige Überlegung, wenn Sie ein Gerät benötigen, das in der Nähe von großen Motoren verwendet werden kann.

Fazit

Wenn Optokoppler für Ihre Anwendung völlig zufriedenstellend sind, verwenden Sie sie auf jeden Fall weiter. Ich bin die letzte Person, die Ihnen empfehlen wird, zu einem neuen Produkt überzugehen, weil es neu ist. Es ist jedoch wichtig, sich der Alternativen bewusst zu sein, da HF- und magnetfeldbasierte Isolationstechnologien tatsächlich erhebliche Vorteile bieten.