В электронике и электротехнике используется большое количество схем, в которых требуется изолировать или отделить высокое силовое напряжение от низкого напряжения управляющих цепей. За счет этого создается своеобразная защита низковольтных устройств от влияния высокого напряжения. То есть, в таких цепях уже нет течения обычного электрического тока. В таких случаях, при отсутствии тока, между устройствами возникает большое омическое сопротивление, вызывающее разрыв цепи. Данную проблему успешно решает гальваническая развязка, с помощью которой убирается гальваническая связь между устройствами.
Принцип действия
Гальваническая развязка в соответствии со своей функцией известна также под понятием гальванической изоляции. Данные системы обеспечивают электрическую изоляцию конкретной цепи по отношению к другим видам цепей, находящихся рядом. Применение гальванических развязок дает возможность бесконтактного управления, обеспечивает надежную защиту людей и оборудования от поражения электротоком.
Благодаря своим особенностям, гальваническая развязка обеспечивает обмен сигналами или энергией между цепями, исключая при этом непосредственный электрический контакт. С ее помощью образуется независимая сигнальная цепь за счет формирования независимого контура тока сигнальной цепи по отношению к токовым контурам других цепей.
Гальваническая изоляция используется во время измерений в силовых цепях и в цепях обратной связи. Данное техническое решение обеспечивает также электромагнитную совместимость, усиливает защиту от помех, повышает точность измерений. Используемый блок гальванической развязки на входе и выходе каждого устройства способствует улучшению их совместимости с другими приборами в условиях сложной электромагнитной обстановки.
Для того чтобы лучше представить себе, что такое гальваническая развязка, можно рассмотреть ее действие на примере стандартного промышленного электродвигателя. На производстве в большинстве случаев используется значение питающего напряжения, значительно превышающее 220 вольт и представляющее серьезную опасность для обслуживающего персонала.
Практическое использование гальванического разделения цепей
Рассмотрим практический пример использования гальванического разделения цепей. Многие компании производят гальванические развязки сигнальных цепей, но далеко не всегда они содержат встроенные DC/DC-преобразователи для разделения цепей питания. Насколько известно автору, среди работающих на нашем рынке компаний гальванические развязки с разделением цепей питания производят Analog Devices, Texas Instruments, Mornsun. К ним можно причислить и компанию SiLabs, но следует учесть, что ее компоненты содержат ключи силового каскада, но не имеют встроенного трансформатора. Применение развязок с встроенными DC/DC-преобразователями позволяет сократить занимаемое на плате место, упрощает топологию и, как следствие, облегчает решение проблем электромагнитной совместимости.
В качестве примера рассмотрим гальваническую развязку ISOW784x компании Texas Instruments. Ее структурная схема показана на рис. 5.
Рис. 5. Структурная схема ISOW784x
Приведем основные параметры ISOW784x:
- напряжение питания: 3,3–5 В;
- выходная мощность встроенного DC/DC-преобразователя: 0,65 Вт;
- выходной ток встроенного DC/DC-преобразователя (max): 130 мА;
- скорость передачи данных (max): 100 Мбит/с;
- стойкость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс;
- электрическая прочность изолирующего барьера: 5 кВ (СКЗ) и 7,071 кВ в пике;
- диапазон рабочей температуры: –40…125 °C;
- корпус: 16‑выводной SOIC размером 10,3×7,5 мм.
Максимального выходного тока 130 мА встроенного DC/DC-преобразователя, как правило, вполне достаточно для того, чтобы организовать питание четырех трактов входных сигналов. В качестве диэлектрика в развязке используется диоксид кремния SiO2. Его диэлектрическая прочность достигает 500 В (СКЗ)/мкм, благодаря чему и достигается высокая электрическая прочность изоляции, позволяющая с запасом удовлетворить требования стандартов электробезопасности.
Заметим, что никакое гальваническое разделение цепей не означает полного разделения частей. Проходные емкости собственно развязки, особенно малогабаритного встроенного трансформатора DC/DC-преобразователя, и паразитные емкости платы создают токовый контур, который представляет собой антенну, излучающую помехи. Причем чем выше скорость передачи данных и больше площадь токовой петли из паразитных емкостей, тем больше величина излучаемых помех. На эти обстоятельства следует обратить внимание при разработке топологии платы и постараться уменьшить паразитные емкости между двумя частями системы.
Уменьшить величину токовой петли может Y2‑конденсатор СISO (рис. 2). Напомним, что по требованиям стандарта IEC60384-1 максимально допустимое напряжение Y2‑конденсатора должно находиться в диапазоне 150–300 В (АС). Этот конденсатор должен выдерживать пиковое напряжение 5 кВ. Но, к сожалению, такой конденсатор имеет и паразитную индуктивность выводов, которая снижает эффективность его использования в полосе частот выше 200–300 МГц.
Решением этой проблемы может стать емкость, образованная слоями печатной платы (stitching capacitance). На рис. 6 показан пример формирования такой емкости на четырехслойной печатной плате. Изолированные части системы размещаются на верхнем и нижнем слоях, емкость образуется с помощью слоев земли и питания. В данном случае величина емкости составила 30 пФ. Подробный расчет, создаваемой таким образом емкости, изложен в [4].
Рис. 6. Конденсатор, образованный слоями печатной платы (stitching capacitance)
Трансформаторная (индуктивная) развязка
Для того чтобы построить индуктивную развязку, следует использовать магнитоиндукционные устройства – трансформаторы. Его конструкция может быть с сердечником или без сердечника.
Оборудование цепей гальваноразвязкой индуктивного типа осуществляется с помощью трансформаторов, у которых коэффициент трансформации составляет единицу. К источнику сигнала подключается первичная катушка, а вторичная соединяется с приемником. На этом принципе гальванические развязки трансформаторного типа служат основой для создания магнитомодуляционных устройств.
Выходное напряжение, возникающее во вторичной обмотке, напрямую связано с напряжением на входе трансформаторного устройства. В связи с этим, индуктивная развязка имеет серьезные недостатки, почему и ограничивается ее применение:
- Невозможно изготовить компактное устройство из-за существенных габаритных размеров трансформатора.
- Частота пропускания ограничивается частотной модуляцией самой развязки.
- Помехи, возникающие во входном сигнале, снижают качество сигнала на выходе.
- Подобная трансформаторная гальваническая развязка может нормально работать только при наличии переменного напряжения.
Введение
Устранение влияния «земляного шума» — одно из основных назначений цифровой развязки. На рис. 1 представлен типичный случай цифровой изоляции, где «земляная» петля разорвана высокоимпедансным изолятором. В результате основная часть шума приложена к высокоимпедансному барьеру, а не к приемнику и другим чувствительным элементам схемы.
Рис. 1. «Земляная» петля между узлами схемы разорвана с помощью изолятора
Реальная информационная сеть, используемая в индустриальных условиях, должна поддерживать сразу несколько уровней внутренней иерархии системы — как относительно «чистый» уровень управления, где уровень шумов и помех невелик, так и достаточно «загрязненный» исполнительный уровень, где негативное воздействие внешних факторов более существенно. Последний уровень требует применения надежных и, главное, устойчивых систем связи. Собственно сочетание требований низкой стоимости с высокой устойчивостью и приводит к применению цифровых изоляторов, основанных на оптической, индуктивной или емкостной технологиях.
Принцип действия емкостной развязки
Нередко возникает вопрос, зачем нужны различные виды развязок, в том числе и емкостная развязка. Эта схема представляет собой систему, в которой между цепями отсутствуют связи через ток, землю и другие элементы.
В этом случае передача данных электрических цепей осуществляется с помощью переменного электрического поля. Изоляция цепей происходит за счет диэлектрика, расположенного между конденсаторными пластинами. Качество развязывающего конденсатора определяется свойствами диэлектрика, размером обкладок и расстоянием между ними. Данный вид изоляции обладает повышенной энергетической эффективностью, устройства на его основе отличаются незначительными размерами, способны передавать электроэнергию и не реагируют на внешние электромагнитные поля.
Нормальная работа устройств обеспечивается разделением частоты сигнала и помех. Таким образом, емкость оказывает рабочему сигналу совсем небольшое сопротивление, а для помех создает преграду.
SamsPcbGuide, часть 9: Гальваническая изоляция, безопасность и печатные платы
Данная статья продолжает рассмотрение темы, поднятой @olartamonov, а именно, обеспечение безопасности в высоковольтных приложениях. В статье будут рассмотрены физические основы пробоя диэлектриков, а также новый стандарт безопасности.
Требования безопасности касаются любой электронной аппаратуры, несмотря на то, что они являются накладными с точки зрения функционирования изделия. Они требуют применения дополнительных схемотехнических решений и электронных компонентов, усложняют топологию печатных плат, увеличивая масса-габаритные параметры изделия, объём испытаний и, тем самым, его стоимость и сроки выхода на рынок. Только функционалом можно ограничиваться лишь при разработке макетных образцов или прототипов устройства. К сожалению, в настоящее время в условиях простоты выхода на покупателя (мимо центров сертификации), снижения стоимости и экономии на испытаниях электронные изделия теряют не только надёжность, но и безопасность.
Основы теории электрического пробоя в газах и твёрдых телах
где p – давление, a и b – экспериментальные константы, зависящие от газа. На рис. 1 приводится кривая Пашена для сухого воздуха с относительной влажностью 60% при температуре 20 о С. Заметим, что кривая Пашена имеет минимальное значение. Повышение давления приводит к росту плотности и увеличению вероятности столкновений, но снижает длину свободного пробега и, следовательно, энергию частиц. Это приводит к росту напряжения пробоя в области высоких давлений, в правой части графика. В области низких значений механизм пробоя зависит от соотношения длины свободного пробега и расстояния между электродами. Электрическая прочность воздуха при нормальном атмосферном давлении составляет 3,1 кВ/мм и она снижается с ростом температуры и падением давления. В качестве консервативной оценки при проектировании электрической изоляции обычно принимается значение 1-1,5 кВ/мм.
Для твёрдых диэлектриков вводится понятие собственной электрической прочности – минимального значения напряжённости электрического поля в однородном материале, при котором свободные или валентные электроны приобретают достаточно энергии, чтобы при их столкновениях с атомами или связанными электронами образовывались новые электроны проводимости, что и приводит к пробою. Эта величина зависит от температуры, для некоторых материалов может достигать нескольких МВ/мм и является теоретическим пределом электрической прочности. На практике пробой возникает при гораздо меньших значениях напряжённости электрического поля. Основными причинами этого являются:
Наличие влаги или загрязнений на поверхности может приводить к образованию проводящих каналов, которые даже при слабой проводимости создают эквипотенциальные поверхности, снижая фактический зазор между электродами и тем самым приводя к пробою.
К электрическому пробою в диэлектрических материалах приводит целый комплекс сложных физических явлений, имеющих в том числе вероятностную составляющую и зависящих от большого числа внешних факторов. Поэтому аналитические и расчётные модели могут быть построены только для самых простых случаев. На практике при проектировании следует руководствоваться требованиям стандартов, проводить тестирование изоляции в условиях, приближённых к реальным условиям эксплуатации, и при возможности закладывать запас прочности изоляции. Понимание теоретических основ механизмов электрического пробоя позволяет принимать решения в условиях необходимости компромисса с рекомендациями стандартов.
Новый стандарт безопасности
Каждой группе электронных устройств соответствует свой стандарт электробезопасности. Актуальным стандартом безопасности является 62368-1, который пришёл на смену и объединил устаревающие стандарты 60950-1 и 60065. Стандарт, в отличие от своих предшественников, очень системный и структурированный и рекомендуется к изучению. Также рекомендации по гальванической изоляции указаны в стандартах IPC: в общем стандарте на проектирование печатных плат IPC2221 и в стандарте на преобразователи напряжения IPC9592.
Базовая модель защищённой системы в 62368-1 выглядит очень просто (рис. 3). В общем случае механизмы защиты от передачи энергии (электрической, химической, кинетической, тепловой и др.), способной вызвать боль или стать причиной травм, включают:
По опасности источники энергии делятся на три класса (раздел 4.2), каждому из которых соответствует свой минимальный уровень защиты, в зависимости от типа пользователя оборудования. Для обычного пользователя это:
Классификации источников посвящён раздел 5.2 стандарта. Источники постоянного тока с выходным напряжением более 60 В определяются как опасные и требуют обеспечения изоляции (рис. 4). Те же уровни напряжения считаются опасными для одиночных импульсов и для конденсаторов ёмкостью более 300 нФ, при снижении ёмкости требования снижаются (для 4 нФ это уже 1 кВ, см. таблицу 7 стандарта). Для источников переменного тока пороговым является 30 В среднеквадратичного значения напряжения.
Если в работе электронного устройства используются источники электрической энергии класса 2 и 3, то при проектировании печатных плат, входящих в его состав, должны соблюдаться требования к минимальным зазорам (англ. clearance) и путям утечки (англ. creepage), используемым материалам и компонентам. Печатным платам посвящён отдельный раздел G.18 приложения G «Компоненты», который содержит ссылки на общие разделы 5.4.2 «Зазоры» и 5.4.3 «Пути утечки».
При выборе минимальных зазоров и путей утечки следует исходить не только от значений напряжения, но и от условий эксплуатации и материала диэлектрика (рис. 5). На пробой воздушного зазора влияет давление, поэтому стандарт вводит повышающие коэффициенты для высот более 2000 м над уровнем моря (таблица 22 стандарта). Кроме того, определяются три степени загрязнения рабочей среды. Чем выше степень загрязнения, тем большее расстояние между проводникам должны быть обеспечено.
Ещё один параметр, который оказывает влияние на значение минимального пути утечки – это группа материла по стойкости к пробою по поверхности. Стандарт IEC 60112 разделяет диэлектрические материалы на 4 группы в зависимости от значения условного индекса CTI (англ. Comparative Tracking Index). Чем выше значение CTI, тем выше стойкость к пробою и тем меньше значения минимального пути утечки допустимы при прочих равных условиях. Стандартный стеклотекстолит FR4 c CTI
175…200 находится на границе значений группы IIIb, которую не рекомендуют использовать при степени загрязнения 3 и при среднеквадратичных значениях напряжения более 630 В.
После того, как параметры, влияющие на выбор минимальных зазоров и путей утечки, определены, сами значения определяются с помощью таблиц 17-19, 23, G.12 стандарта. Данные минимальные расстояния должны выдерживаться для всех проводников при наличии между ними соответствующего напряжения: в первичной цепи, между первичной и вторичной цепью, а также во вторичных цепях. В таблице 1 приводятся значения минимальных зазоров и путей утечки для печатных плат, входящих в состав устройств с питанием от электросети 220 В категории перенапряжения II в условиях степени загрязнения 2.
Для внешних слоёв значения зависят от наличия покрытия, однако стоит учитывать, что стандартная маска не является специализированным изоляционным покрытием и не обеспечивает возможность применения пониженных требований к зазорам. Маска имеет неравномерную толщину и может содержать полости и трещины, снижающие надёжность такой изоляции.
Что касается внутренних слоёв, то для проводников на соседних слоях используется минимальный зазор для сплошной (англ. solid insulation) однослойной изоляции в 0,4 мм, а для проводников на одном слое изоляция рассматривается как скреплённый стык (англ. cemented joint). По стандарту для такой изоляции могут использоваться значения минимальных зазоров и путей утечки для степени загрязнения 2, для степени загрязнения 1 или зазор для сплошной изоляции в 0,4 мм. При этом в последних двух случаях стандарт требует проведения испытаний, включающих термоциклирование и испытание на электрическую прочность. Дело в том, что существует вероятность (и для надёжных приложений она должна быть учтена), что в результате тепловой, механической нагрузки или с течением времени вдоль раздела соседних слоёв печатной платы возникнет зазор. И тогда расстояние в 0,4 мм может оказаться недостаточным для обеспечения высоковольтной изоляции.
Стоит заметить, что в большинстве случаев требование к расстоянию через изоляцию между слоями является минимальным, поэтому одной из стратегий при проектировании печатных плат с ограничением по габаритам является разнесение изолируемых проводников и компонентов по разным слоям.
Соблюдение требуемых стандартом расстояний при проектировании топологии печатной платы может оказаться недостаточным, так как наличие компонентов и конструктивных элементов изделия делает задачу трёхмерной. Поэтому использование 3D-моделей компонентов и общей сборки изделия является необходимым условием при проектировании изделий с опасными уровнями напряжения.
Минимальные расстояния, требуемые стандартом, должны быть выдержаны во всех направлениях, с учётом наличия компонентов на печатной плате, а также конструктивных элементов изделия.
Помимо соблюдения требований к минимальным расстояниям, при разработке печатных плат для высоковольтных приложений рекомендуется избегать острых углов в геометрии проводящих слоёв (рис. 6), так как они являются концентраторами напряжённости электрического поля.
С точки зрения ЭМС изоляционный барьер является разрывом в пути возвратного тока, что без реализации специальных мер приводит к повышенному уровню излучения, особенно в случае изолированных источников питания. Как и в случае разрывов в опорном слое, для обеспечения пути протекания возвратных токов через изоляционный барьер применяются конденсаторы. Требования к дискретным конденсаторам и примеры их применения описаны в разделе G.15 приложения G «Компоненты» стандарта. В изоляции опасных уровней напряжения применяются только конденсаторы класса Y, выход из строя которых приводит к разрыву цепи: для сети переменного тока 220 В класса перенапряжения II это один конденсатор подкласса Y1 или два последовательно соединённых конденсатора подкласса Y2. Безопасность таких конденсаторов гарантируется производителем, однако паразитная индуктивность соединения и локализованное расположение ограничивают их эффективность на частотах выше 100 МГц. Этого недостатка лишена встроенная в печатную плату ёмкость, распределённая между двумя перекрывающимися полигонами на внутренних слоях (рис. 7).
При этом важно понимать, что даже полное следование рекомендациям стандарта в части минимальных расстояний между проводниками не гарантирует электробезопасности. Только результаты испытаний изоляции на электрическую прочность (раздел 5.4.11 стандарта) могут подтвердить соответствие топологии печатной платы, применяемых материалов и компонентов, конструкции изделия и технологии его изготовления требованиям безопасности для конкретных условий применения.
Источник
Надежность
Как показано выше, устойчивость имеет отношение к надежности при предельных условиях эксплуатации, обусловленных высоким напряжением и плотностью потока магнитного поля. Надежность измеряется в среднем времени наработки на отказ. Этот стандарт определяет надежность полупроводниковых приборов. Для цифровых изоляторов этот подход определяет надежность и полупроводниковой микросхемы, и собственно изолятора. В таблице 1 приведено среднее время наработки на отказ для оптических, индуктивных и емкостных цифровых изоляторов.
Таблица 1. Измерение среднего времени наработки на отказ
В описании на ADuM1100 нет подробного определения среднего времени наработки, но есть результаты тестирования. В таблице 2 показаны результаты тестирования надежности для ISO721 и ADuM1100.
Таблица 2. Исходные данные по надежности
Семейство цифровых изоляторов ISO72x представляет собой недорогую высокоскоростную надежную альтернативу оптическим и индуктивным изоляторам. Дополнительная информация по качеству и надежности цифровых изоляторов семейства ISO72x доступна по адресу www.ti.com/corp/docs/landing/iso721/.
PVDZ172N: низковольтное средней мощности для постоянного тока
Реле данной серии (рис. 3), в отличие от вышеописанных, предназначены для коммутации токов только постоянной полярности силой до 1,5 А и напряжением до 60 В. Например, эти реле находят применение в управлении осветительными приборами, двигателями, нагревательными элементами и т.д.
Рис. 3. Структурная схема PVDZ172N
PVDZ172N выпускаются нормально разомкнутыми в однополюсном исполнении в 8-выводных DIP-корпусах.
Остальные возможные сферы применения: аудиоаппаратура, источники питания, компьютеры и периферийные устройства.
PVT312: телекоммуникационное реле общего назначения
Фотоэлектрическое реле PVT312, однополюсное, нормально разомкнутое, может быть использовано как на постоянном, так и на переменном токе.
Это твердотельное реле специально разработано для применения в телекоммуникационных системах. Реле серии PVT312L (с суффиксом «L») используют активную схему ограничения тока, что позволяет им выдерживать всплески токов переходных процессов. PVT312 выпускается в 6-контактном DIP-корпусе.
Применение: телекоммуникационные ключи, пусковые механизмы, общие схемы переключения.
Схемы подключения могут быть трех типов (рис. 2). В первом случае два ключа микросхемы подключаются последовательно. Это позволяет за счет симметрии получившийся схемы коммутировать переменное напряжение. Такая схема называется включением типа «А». Тип «В» отличается тем, что используется только один из двух ключей микросхемы. Это позволяет коммутировать больший, однако, уже только постоянный ток. В третьем варианте (тип «С») ключи подключаются параллельно, тем самым увеличивая максимально возможное значение тока.
Рис. 2. Возможные схемы подключения PVT312
