Оптопара, оптореле или цифровой изолятор — чем развязать сигнальные цепи

Гальваническая развязка разрывает электрическую связь между частями схемы, оставляя передачу сигнала. Она нужна там, где участки схемы имеют разные потенциалы общего провода, где требуется защита низковольтной части от высокого напряжения и где длинная линия связи соединяет устройства с раздельным заземлением. Средств развязки сигнальных цепей три — оптопара, оптореле и цифровой изолятор, и выбор между ними определяется скоростью, ресурсом и тем, что именно коммутируется.

Разберём принцип работы каждого, параметры подбора и ограничения, о которых узнают уже после сборки платы. Компоненты лежат в разделах оптопар, оптореле и оптоэлектроники.

Оптопара

В корпусе размещены светодиод и фотоприёмник, между ними оптически прозрачный изолирующий слой. Ток через светодиод открывает фотоприёмник, электрической связи между входом и выходом нет. Тип фотоприёмника задаёт свойства всего компонента.

• С фототранзистором. Самый распространённый и дешёвый вариант. Скорость невысокая — десятки и сотни килогерц, коэффициент передачи сильно зависит от тока светодиода и от температуры. Применяется для сигналов управления, состояния и медленного обмена.
• С логическим выходом. Внутри фотоприёмника стоит компаратор с триггером, на выходе — цифровой уровень. Скорость до единиц и десятков мегабит, форма импульса не зависит от коэффициента передачи. Применяется для цифровых интерфейсов.
• С фотодиодом и усилителем. Используется для передачи аналогового сигнала с сохранением линейности; в паре с ним ставится второй идентичный канал в цепи обратной связи.
• Для управления силовыми ключами. Выход рассчитан на ток в единицы ампер и напряжение до 30 вольт, чтобы напрямую заряжать затвор транзистора. Часть моделей содержит схему защиты по насыщению.
• С симисторным выходом. Служит для управления силовым симистором в сети переменного тока. Модели с контролем перехода через ноль снижают уровень помех при коммутации.

Оптореле

Оптореле — оптопара, на выходе которой стоят полевые транзисторы, образующие контакт. Оно коммутирует нагрузку, а не передаёт информацию: заменяет электромеханическое реле там, где важны ресурс, отсутствие дребезга и бесшумная работа.

• Коммутация переменного и постоянного тока. Схема с двумя встречно включёнными транзисторами пропускает ток в обе стороны, схема с одним — только в одну, зато с меньшим сопротивлением.
• Сопротивление в открытом состоянии. Определяет нагрев при заданном токе. Для токов в единицы ампер это основной параметр подбора.
• Ток утечки в закрытом состоянии. Важен в измерительных цепях и при коммутации слабых сигналов.
• Ёмкость выхода. Ограничивает применимость в высокочастотных цепях — закрытое оптореле пропускает переменный сигнал через собственную ёмкость.
• Ресурс. Не ограничен числом срабатываний, в отличие от механического контакта. Это главный довод при частой коммутации.

Цифровой изолятор

Здесь вместо оптического канала используется ёмкостная или магнитная связь между двумя кристаллами в одном корпусе. Светодиода нет, а значит нет и деградации со временем. Скорость выше на порядки, потребление ниже, характеристики стабильнее в диапазоне температур.

• Скорость передачи — до сотен мегабит в секунду, задержка исчисляется единицами наносекунд.
• Выпускаются многоканальные микросхемы с разным направлением каналов, в том числе готовые изоляторы под конкретные интерфейсы.
• Часть моделей содержит встроенный преобразователь питания, что снимает необходимость в отдельном источнике для изолированной стороны.
• Устойчивость к быстрому изменению напряжения между сторонами указывается отдельным параметром и в промышленных условиях является определяющей.

Сравнение

Параметры, которые проверяют обязательно

1. Напряжение изоляции. Различают испытательное напряжение в течение минуты и рабочее напряжение изоляции для длительной работы. Первое всегда больше второго в несколько раз, и подбирать компонент нужно по второму.
2. Коэффициент передачи по току. Для оптопар с транзисторным выходом указывается диапазоном с разбросом в разы. Схема рассчитывается по нижней границе с учётом снижения за срок службы — закладывают запас не менее двукратного.
3. Деградация светодиода. Светоотдача падает с наработкой, сильнее при большом прямом токе и высокой температуре. Схема, работающая на пределе коэффициента передачи в момент сборки, через несколько лет перестаёт переключаться.
4. Устойчивость к скорости изменения напряжения. В цепях рядом с силовыми ключами быстрый перепад потенциала между сторонами наводит ложные импульсы. Параметр указывается в киловольтах на микросекунду.
5. Путь утечки и зазор по поверхности. Определяются корпусом компонента и разводкой платы. Под корпусом изолятора сквозной прорез в плате увеличивает путь утечки и часто требуется по нормам.
6. Рабочий диапазон температур. Коэффициент передачи оптопары заметно снижается на холоде и при нагреве, и расчёт ведётся по худшей точке диапазона.

Типовые ошибки

• Расчёт тока светодиода по типовому коэффициенту передачи вместо минимального. Устройство работает на столе и отказывает в партии.
• Отсутствие резистора в базовой цепи фототранзистора там, где требуется помехоустойчивость: без него компонент чувствителен к наводкам и к скорости изменения напряжения.
• Разрыв общего провода под корпусом не выполнен — изоляция на плате оказывается слабее, чем в самом компоненте.
• Применение оптопары с транзисторным выходом в интерфейсе, где важна форма импульса: длительность фронта зависит от тока и температуры, и обмен рассыпается на границах диапазона.
• Питание изолированной стороны от того же источника, что и основной, — развязка компонента при этом теряет смысл.
• Выбор оптореле по максимальному току без проверки сопротивления в открытом состоянии: нагрев оказывается выше допустимого для корпуса.

Частые вопросы

Что выбрать для интерфейса RS-485 на длинной линии? Цифровой изолятор или готовый изолированный приёмопередатчик вместе с изолированным источником питания. Оптопары с транзисторным выходом для этой задачи слишком медленны, а изоляция без развязки питания не защищает от разности потенциалов заземлений.

Можно ли заменить оптопару цифровым изолятором один к одному? По функции — да, по схеме включения — нет. У изолятора логические входы и выходы, ему не нужен токоограничивающий резистор, но требуется питание с обеих сторон.

Какой запас по коэффициенту передачи закладывать? Не менее двукратного к минимальному значению из документации при расчёте на конец срока службы. При высокой рабочей температуре и большом прямом токе запас увеличивают.

Чем оптореле лучше механического реле? Отсутствием дребезга, бесшумностью, ресурсом, не ограниченным числом срабатываний, и стойкостью к вибрации. Уступает по сопротивлению контакта и по допустимому току, поэтому на больших токах механическое реле остаётся.

Нужна ли развязка, если оба устройства питаются от одной сети? Нужна, если их общие провода соединены только через линию связи и между точками заземления возможна разность потенциалов. Именно эта разность и уравнивающий ток выводят интерфейсы из строя чаще всего.

Что мы делаем

Подбираем средства развязки по требуемой скорости, напряжению изоляции и условиям эксплуатации, проверяем запас по коэффициенту передачи на конец срока службы, подбираем аналоги снятым с производства позициям, комплектуем узел сопутствующими компонентами — элементами защиты цепей, изолированными преобразователями питания и резисторами. Выполняем подбор компонентов по схеме и поставку под заказ.

Пришлите фрагмент схемы, требуемую скорость обмена, рабочее напряжение изоляции и диапазон температур на micro@tkasiatorg.ru — подберём компонент с проверкой запаса и дадим спецификацию с ценами и сроками поставки.