Электрлік оқшаулау дегеніміз не? Гальваникалық оқшаулау түрлері, бағалау және қолдану

Электрлік оқшаулау, немесе гальваникалық оқшаулау, электірлік схемаларды ажыратады, сонымен қатар сигналдардың немесе қуаттың оқшаулау кедергісінен өтуіне мүмкіндік береді. Бұл мақала оқшаулаудың қалай жұмыс істейтінін, оптикалық, сыйымдылықты, магниттік, трансформаторлық әдістерін, жұмыс кернеуі, VISO, шағылысу, кедергі, CMTI сияқты негізгі бағалауларды, оптокуплерлер мен цифрлық оқшаулаушыларды, кеңінен қолданылатын қосымшаларын, таңдау факторларын және ақауларды түзету мәселелерін талқылайды.

Каталог

Электрлік оқшаулау дегеніміз не?

Электрлік оқшаулау, сондай-ақ гальваникалық оқшаулау, екі электрлік схеманы ажыратады, сондықтан олардың арасында тікелей өткізгіш жол жоқ. Сигналдар немесе қуат оқшаулау кедергісінен оптикалық, магниттік, сыйымдылықты немесе трансформатор негізіндегі байланыс әдістері арқылы өтуі мүмкін.

Гальваникалық оқшаулау қалай жұмыс істейді?

Кіріс сигналы алдымен шарттарға немесе кодтауына келтіріледі, сонда ол оқшаулау кедергісінен өтеді. Ақпарат содан кейін оптикалық, сыйымдылықты немесе магниттік байланыс арқылы өткізбейтін кедергіден өтеді және оқшауланған жағында қайта құрылымдалады. Екі схема бөлек жер сілтемелерін пайдаланады, мысалы, GND1 және GND2. Егер оқшауланған жақтағы схема қуат қажет етсе, ол бөлек оқшауланған қуат көзіне немесе оқшауланған DC/DC түрлендіргішіне мұқтаж, өйткені сигналдық оқшаулау автоматты түрде пайдалануға болатын қуатты бермейді. Кедергі тікелей өткізгіш ағымды өзінің номиналды шектері ішінде блоктаса да, кедергілер арасындағы паразиттік сыйымдылық жылдам кернеу өзгерісінде кішкене транзиттік ығысу ағымдарына жол беруге мүмкіншілік береді.

Сурет 1: Екі электрлік схемалар арасында гальваникалық оқшаулау

Негізгі электрлік оқшаулау әдістері қандай?

Әр түрлі оқшаулау механизмдері әр түрлі кернеу мүмкіндігін, жылдамдықты, қуат беру, шуға қарсы тұру, қызмет мерзімін және сигнал түрін береді.

Оқшаулау әдісі	Оның қалай жұмыс істейтіні	Негізгі артықшылық	Негізгі шектеу	Ортақ қолдану
Оптикалық оқшаулау	LED жарықты оқшаулаушы кедергіден фотодетекторға жібереді	Тікелей өткізгіш сигнал жолы жоқ, орныққан технология	LED-тің қартаюы, кіріс тізбегінің ағымы, CTR немесе шекті әрекет ету туралы ескеру қажет	Оптокуплерлер, кері байланыс тізбектері, цифрлық интерфейстер
Сыйымдылықты сигналдық оқшаулау	Кодталған сигналдар электр өрісі арқылы кедергіні кесіп өтеді	Жоғары жылдамдық және төмен таралу кідірісі	Кодтау мен жеткілікті CMTI талап етеді	Цифрлық оқшаулағыштар, SPI, UART, PWM
Магниттік сигналдық оқшаулау	Шифрленген сигналдар миниатюралық трансформатор немесе индуктивті байланыс арқылы кедергіден өтеді	Жоғары жылдамдықтағы сигналды беру	EMI, CMTI және орналастыруды ескерген жөн	Цифрлық бөлгіштер, қақпа бақылау сигналдары
Трансформатор қуат изоляциясы	Айнымалы магнит ағыны изоляцияланған орамалар арасында энергияны тасымалдайды	Пайдалануға жарамды изоляцияланған қуатты беруге болады	ДК алдымен айнымалы токқа ауыстырылуы немесе түрлендірілуі керек	Изоляцияланған AC/DC және DC/DC түрлендіргіштер
Электромеханикалық реле изоляциясы	Бір катушка немесе орындаушы электрлік изоляцияланған контактілерді механикалық түрде жұмыс істейді	AC немесе DC тізбектерін оқшаулауға және ауыстыруға болады	Механикалық тозу, контактінің серпілісі және баяу өшіргіш	Өнеркәсіптік басқару, жүктемені ауыстыру, қуат тізбектері

Изоляцияланған күшейткіш немесе изоляцияланған АЦЦ өнім түрі болып табылады, бөлек изоляция механизмі емес. Бұл құрылғылар ішкі деңгейде сыйымдылық, магниттік немесе оптикалық изоляция сияқты технологияларды пайдаланады.

Электрлік изоляция дәрежелері: Жұмыс кернеуі, VISO, Creepage, Clearance және CMTI

Деректер парағында ең жоғары изоляция-кернеу саны изоляциялағыштың жарамдылығын анықтау үшін жеткіліксіз. Түрлі бағалау үздіксіз, қайталанатын, өткінші, ағынды және қысқа мерзімді кернеу жүктемелеріне қолданылады.

Спецификация	Мағына	Неге маңызды
Жұмыс кернеуі (VIOWM)	Белгіленген уақыт аралығында изоляция кедергісінде рұқсат етілген максималды үздіксіз RMS немесе DC кернеуі	Ұзақ мерзімді жұмыс қабілетін анықтайды
Максималды қайталанатын шыңдық изоляция кернеуі (VIORM)	Белгіленген уақыт аралығында кедергі арқылы бірнеше рет пайда болуы мүмкін максималды қайталанатын шыңдық кернеуі	Қайталанатын шыңдық кернеу жүктемелері үшін маңызды
Максималды өткінші изоляция кернеуі (VIOTM)	Белгіленген уақытша кезеңде кедергіні ұстап тұруы мүмкін максималды шыңдық өткінші кернеу	Уақытша артық кернеу жағдайларында қолданылады
Изоляциядан тұратын кернеу (VISO)	Белгіленген қысқа мерзімді диэлектрикалық тест кезінде кедергіні ұстап тұратындығы	Қысқа мерзімді оқшаулау ұстап тұру қабілетін растайды
Ағынды изоляция кернеуі (VIOSM)	Кедергі ұстап тұра алатын максималды стандартты ағынды импульс	Жоғары энергия ағыны жағдайлары үшін маңызды
Creepage	Изоляцияланған өткізгіш бөліктер арасында оқшаулау бетіндегі ең қысқа қашықтық	Бет бойынша із салуды болдырмауға көмектеседі
Clearance	Изоляцияланған өткізгіш бөліктер арасында ауамен ең қысқа қашықтық	Итмесулер немесе ауа бұзылуларын болдырмауға көмектеседі
CMTI	Ортақ режимдегі өткінші иммунитет	Изоляциялағыштың жылдам ортақ режимдегі кернеу өзгерістері кезінде дұрыс жұмыс істейтінін көрсетеді
Деректер жылдамдығы	Максималды қолдау көрсетілген сигналды беру жылдамдығы	Байланыс немесе басқару сигналын қолдауы керек
Таратылым кешігуі	Сигналдың изоляциялағыштан өту үшін қажет уақыт	PWM, SPI, кері байланыс контурлары және уақытқа сезімтал тізбектер үшін маңызды

VISO жобалау бағасы ретінде күтпеген жұмыс өткіндерін қолдануға болмайды. Үздіксіз жұмыс үшін VIOWM-ді тексеріңіз, сондай-ақ қайталанатын, өткінші және ағынды жүктемелер үшін тиісті VIORM, VIOTM, VIOSM және жүйелік деңгейдегі изоляция талаптарын тексеріңіз.

Функционалдық, Негізгі, Қосымша, Қос және Мықты изоляция

Изоляция деңгейі	Негізгі мақсат
Функционалдық изоляция	Дұрыс жабдықты жұмыс істеу үшін негізінен қажет изоляция
Негізгі изоляция	Электр тоғының соғуына қарсы негізгі қорғауды қамтамасыз етеді
Қосымша изоляция	Негізгі изоляцияны сақтау үшін қосымша қорғау ретінде ұсынылған тәуелсіз изоляция
Қос изоляция	Негізгі изоляция мен қосымша изоляцияны біріктіреді
Мықты изоляция	Қос изоляцияға тең қорғауды қамтамасыз ететін бір изоляция жүйесі

Қосымша изоляция негізгі изоляцияға тәуелсіз түрде қосылады. Негізгі плюс қосымша изоляция қос изоляцияны құрайды, ал мықты изоляция бір изоляция жүйесі арқылы эквивалентті қорғауды қамтамасыз етеді.

Қажет болатын creepage және clearance мәндері универсал емес. Олар жұмыс кернеуіне, изоляция деңгейіне, өткінші ортаға, ластану дәрежесіне, биіктікке, материалдың қасиеттеріне және қолданыстағы қауіпсіздік стандарттарына байланысты. IEC 60664-1:2020+A1:2025 изоляция-координация талаптарын қамтамасыз етеді және 2,000 м биіктікке дейін тікелей қолданылады, жоғары биіктіктер үшін нұсқаулық береді.

Оптоэлектрондық байланысшы мен Цифрлық оқшаулағыш: Айырмашылығы неде?

Сурет 2: Оптикалық, сыйымды және магниттік сигнал оқшаулау

Оптоэлектрондық байланысшылар және цифрлық оқшаулағыштар екеуі де гальваникалық оқшаулауды қамтамасыз етеді, бірақ олар сигналды беру технологияларын әртүрлі пайдаланады.

Салыстыру факторы	Оптоэлектрондық байланысшы	Цифрлық оқшаулағыш
Қосылу әдісі	LED және фотодетектор	Әдетте сыйымды немесе магниттік
Кіріс қозғалтқыш	Әдетте LED тогын қажет етеді	Әдетте логикалық кернеу кірісі
Деректер жылдамдығы	Өнімге байланысты	Жиі жоғары жылдамдықтағы цифрлық сигналдарға өте қолайлы
Таралу кешігуі	Салыстырмалы түрде жоғары және құрылғыға тәуелді болуы мүмкін	Жиі төмен және тығыз бақылауда
CMTI	Құрылғы түріне қатты байланысты	Жоғары-CMTI нұсқалары кеңінен қолжетімді
Ескіру	LED шығыс пен CTR уақыт өткен сайын өзгеруі мүмкін	LED жарық шығарудың нашарлауы жоқ
CTR	Транзисторлы шығыс оптоэлектрондық байланысшылар үшін маңызды	Цифрлық оқшаулағыштардың трансфер спецификациясы ретінде әдетте қолданылмайды
Арналар тығыздығы	Салыстырмалы жоғары жылдамдықтағы жүйелер үшін жиі төмен	Бір ИК-да бірнеше оқшауланған арналарды біріктіруге болады
Аналогтық трансфер	Кейбір оптоэлектрондық байланысшылар аналогтық кері байланыс қолдайды	Стандартты цифрлық оқшаулағыштар цифрлық ақпаратты жібереді
Ең жақсы сәйкес келеді	Бар оптоэлектрондық байланыс интерфейстері, қарапайым оқшаулау, аналогтық кері байланыс жобалары	Жоғары жылдамдықтағы цифрлық интерфейстер, PWM, SPI, UART, моторды басқару

Цифрлық оқшаулағыштар әр оптоэлектрондық байланысшы үшін автоматты түрде дұрыс алмастырушы емес. Кіріс/шығыс әрекеттері, қауіпсіздік күйі, жеткізу талаптары, оқшаулау сертификаты, пакет ара-қашықтығы, логикалық деңгейлер, деректер жылдамдығы және жүйе қауіпсіздігі талаптары әлі де сәйкес келуі керек.

Өнімділік құрылғыға байланысты: Broadcom HCPL-7720 25 MBd-ті қолдайды, ал TI ISO6441 150 Mbps-ке дейін және ±200 kV/µs минималды CMTI-ге дейін қолдайды.

Жалпы электрлік оқшаулау қосымшалары және жобалау тексерулері

Электрлік оқшаулау схемалар әртүрлі потенциалдарда жұмыс істегенде немесе электрлік домендер арасындағы қалаусыз ток қауіпсіздік, шу немесе сенімділік мәселелерін туындатуы мүмкін жерлерде пайдаланылады.

Қосымша	Неліктен оқшаулау қолданылады	Негізгі жобалау тексерулері
Мотор қозғалтқыштары	Жоғары кернеулі коммутаторлық кезеңдерден басқарғышты бөледі	Жұмыс кернеуі, CMTI, таралу кешігуі, қақпа- жүргізуші талаптары
Оқшауланған қақпа жүргізушілері	MOSFET, IGBT, SiC немесе GaN құрылғыларын түрлі потенциалдар арқылы басқарады	CMTI, кешігу, оқшаулау бағасы, қозғаушы ток, оқшауланған қуат
Өнеркәсіптік коммуникация	Жер контурлары мен жер потенциалы проблемаларының алдын алады	Деректер жылдамдығы, интерфейс түрі, арна бағыты, CMTI
Токты сезу	Жоғары жағына немесе жоғары кернеулі схемаларда шунт кернеуін өлшейді	Кіріс диапазоны, дәлдік, жұмыс кернеуі, өткізу жолағы
Кернеуді сезу	Бақылау электроникасын оқшаулай отырып, жоғары кернеуді өлшейді	Бөлгіш жобасы, дәлдік, жұмыс кернеуі, оқшаулау деңгейі
Оқшауланған ADC жүйелері	Қалған немесе жоғары кернеулі ортада сигналдарды цифрлық етеді	ADC дәлдігі, деректер оқшаулау, такт оқшаулау, оқшауланған қуат
Энергия көздері	Негізгі және екінші қуат домендерін бөледі	Трансформатор оқшаулауы, жұмыс кернеуі, шегіну, тазалық
Автокөлік және ЭВ жүйелері	Жоғары кернеулі батареялар немесе тарту схемаларын төмен кернеулі электроникадан бөледі	Жұмыс кернеуі, өрсіл, температура, оқшаулау деңгейі
Медицина жабдықтары	Пациент/операторды қорғау талап етілетін электрлік домендерді бөледі	Қолданылатын медициналық қауіпсіздік талаптары, ағызу, шегіну, тазалық

Жоғары жылдамдықты коммутаторлық қосымшалар, мысалы, мотор қозғалтқыштары, CMTI-ге ерекше назар аударуды талап етеді, себебі жылдам жалпы режимдегі кернеу өзгерістері егер оқшаулау каналының иммунитеті жеткіліксіз болса, оқшаулаудың арнасын бұзуы мүмкін.

Дұрыс оқшаулау әдісін қалай таңдау керек

Оқшаулаудың нақты себебі мен кедергідегі екі жағындағы электрлік жағдайларға байланысты оқшаулау әдісін таңдаңыз.

Таңдау факторы	Не тексеру керек	Таңдау нұсқаулығы
Мақсат	Қауіпсіздік қорғау, жер контурларын жою, шу оқшаулау немесе деңгейді өзгерту	Функционалдық, негізгі немесе күшейтілген оқшаулау қажет пе екенін анықтаңыз
Сигнал түрі	Аналогтық, цифрлық, PWM, коммуникация немесе қуат	Нақты сигнал үшін жасалған оқшаулағышты таңдаңыз
Жұмыс кернеуі	Кедергі бойында үздіксіз кернеу	Сертификатталған жұмыс кернеуінен аспауы керек
Уақытша және төтенше кернеу	Күтілетін қысқа мерзімді артық кернеу	Уақытша, VISO, және төтенше рейтингтерін тексеру
Деректер жылдамдығы	Қажетті байланыс жылдамдығы	Жеткілікті деректер жылдамдығы шегін таңдау
CMTI	Күтілетін орташа режимдегі dV/dt	Жоғары жылдамдықтағы қуат этаптары әдетте жоғары CMTI қажет етеді
Жеткізу кешігуі	Максималды рұқсат етілген сигнал кешігуі	Басқару контурлары, PWM, және синхрондаған интерфейстер үшін маңызды
Арналар саны және бағыты	Алға және кері сигналдар саны	SPI, UART, GPIO, немесе басқару талаптарына сәйкестендіру
Изоляцияланған қуат	Изоляцияланған жақтың өз қуат көзіне қажеттілігі	Изоляцияланған DC/DC конвертерін немесе интеграцияланған изоляцияланған қуат шешімін қосу
Жеткізу және тазалық	Қажетті PCB және пакет аралығы	Қолданылатын оқшаулау талаптарына тексеру
Температура	Минималды және максималды жұмыс температурасы	Температура бойынша барлық оқшаулау және уақыт спецификацияларын тексеру
Қызмет мерзімі	Жұмыс кернеуінде қажетті қызмет мерзімі	Ұзақ мерзімді кедергі қабілетін тексеру, тек қысқа мерзімді VISO емес
Сертификаттау	Қолданылатын өнім және жүйе стандарттары	Нақты бөлшектер мен пакет сертификаттарын тексеру

Сандар арасындағы байланыс: сандық оқшаулағыштар жоғары жылдамдықтағы логикалық сигналдар үшін жиі жарамды. Аналогтық өлшеу кедергіден өтуі керек болғанда, оқшауланған күшейткіш немесе ЭЦП (ADC) қолайлырақ, ал қуат кедергіні өтетін кезде трансформатор немесе оқшауланған DC/DC конвертері қажет.

Жұмыс істейтін Оқшаулау Таңдау Мысалы

Төмен кернеулі контроллер мен 600 VDC мотор-жетек инвертері арасында сандық басқару байланысын қарастырыңыз.

Таңдау талаптары	Мысал талаптары
Қолдану	Төмен кернеулі контроллерден жоғары кернеулі инвертер доменіне өтетін сандық басқару сигналдары
Жұмыс кернеуі	600 VDC
Оқшаулау деңгейі	Күшейтілген оқшаулау
Қолданылатын стандарт	Оқшаулау координациясы үшін IEC 60664-1:2020+A1:2025, сонымен қатар қолданылатын мотор-жетек өнімінің стандартымен бірге
Ластану дәрежесі	Ластану Дәрежесі 2
Биіктік	≤2,000 м
Деректер жылдамдығы	Кемінде 20 Mbps
Қажетті CMTI	Кемінде ±100 kV/µs
Изоляцияланған қуат	Изоляцияланған жақтағы схемалар үшін қажет; егер қуат әлі қолжетімді емес болса, бөлек изоляцияланған DC/DC қуат көзін пайдаланыңыз
Пакет аралығы	Жеткізу және тазалық 600 VDC, күшейтілген оқшаулау, Ластану Дәрежесі 2, ≤2,000 м биіктік, және қолданылатын стандарттың талап еткен басқа шарттарына сәйкес келуі керек

Бұл талаптар үшін, жоғары CMTI күшейтілген сандық оқшаулағыш бастапқы нүкте болып табылады. Мысал ретінде, TI ISO6441-ді 150 Mbps-ке дейін, 1061 VRMS жұмыс кернеуімен, және ±200 kV/µs минималды CMTI-мен қазіргі таңдаудың нұсқаулығында жариялайды. ISO6441 оқшауланған қуатты интеграцияламайды, сондықтан оқшауланған жағында қолжетімді қуат болмаған жағдайда бөлек оқшауланған қуат көзі қажет.

Пакет жеткізу немесе тазалықты тек жұмыс кернеуінен ғана таңдамау керек. IEC 60664-1 сондай-ақ ластану дәрежесін, биіктікті, оқшаулау талаптарын, және басқа оқшаулау-координация факторларын анықтауды талап етеді.

Жиі кездесетін оқшаулау проблемалары мен шешеу

Жоғары кернеулі оқшаулау схемаларында қауіпті кернеулер болуы мүмкін. Тексеру немесе кедергі өлшемдері алдында қауіпті қуатты өшіру және разрядтау керек. Тікелей тестілеу тек қажет болғанда, дұрыс бағаланған жабдық пен процедураларды қолдану арқылы жүзеге асырылуы керек.

Проблема немесе Симптом	Мүмкін себеп	Ұсынылған тексеру
Шығыс сигналы жоқ	Бір жағында қуат жоқ, кіріс-шығыс пиновары дұрыс емес, оқшаулағыш сәтсіз	Екі жақтағы қуаттарды өлшеу және кіріс/шығыс пиндерін тексеру
Шығыс жоғары немесе төмен қатып қалды	Дұрыс емес кіріс күйі, төмен кернеу, әдеттегі шығу мінезі	Деректер парағын тексеріп, қауіпсіз/әдеттегі күйді және қуат кернеуін қарау
Байланыс қателері	Деректер жылдамдығы, жеткізу кешігуі, уақыт, немесе сигнал-целомды проблемалар	Интерфейс уақытын және оқшаулағыш деректер жылдамдығы рейтингін тексеру
Мотор жетегінде кездейсоқ қосылу	Жеткіліксіз CMTI немесе нашар планировка	Синхрондау нүктесінің dV/dt-ін оқшаулағыш CMTI-мен салыстыру
Жер байланыс проблемасы әлі де бар	Тағы бір жер байланысы кедергіні басып өтеді	Қалқаларды, USB байланыстарын, тест жабдықтарын, корпус жолдарын және кабель жерлерін тексеру
Оқшауланған жақта қуат жоқ	Оқшауланған қуат көзінің жоқтығы немесе артық жүктелуі	Оқшауланған DC/DC шығару мен жүк тоғының өлшемі
SPI немесе PWM уақыт кестесі сәтсіздікке ұшырады	Таратылым кешігуі немесе ығысуы тым жоғары	Уақыт бюджетіне оқшаулағыш кешігуді қосыңыз
Құрылғы қызып кетті	Артық қуат көзі кернеуі, жүктеме, ауыстырып қосу жылдамдығы немесе нашар термалық дизайн	Қуат көзі, выход жүктемесі, деректер жылдамдығы және температураны тексеріңіз
Оқшаулау тесті сәтсіздікке ұшырады	Ластану, жеткіліксіз аралық, зақымдалған PCB немесе оқшаулау	Крипажды, тазартуды, пакетті, слоттарды және PCB бетін тексеріңіз
Жоғары кернеуді өлшеу дәл емес	Оқшаулау арнасының қатесі, шуылданған оқшауланған қуат, нашар анықтама немесе орналасу	Өлшеу тізбегін, анықтама, сүзгілеуді және оқшауланған қуатты тексеріңіз
Жүйе тек жоғары ауыстырып қосу жылдамдығында сәтсіздікке ұшырайды	Жалпы режимді транзит немесе EMI байланысы	CMTI, PCB орналасуы, қайта оралу жолдары және ауыстырып қосу шеттерін тексеріңіз
Оптокуплер уақыт өте келе сенімсіз болады	LED жасы немесе CTR маржасы жеткіліксіз	Кіріс тоғын және шығу мінез-құлқын көрсетілген CTR диапазонына қарсы өлшеңіз

Оқшаулау мәселесін шешу кезінде, алдымен кедергінің екі жағынан бөліп тексеріңіз: қуат, жер анықтамасы, кіріс сигналы және шығу сигналы. Содан кейін жұмыс кернеуін, уақытты, CMTI, крипажды, тазартуды және оқшаулау шекарасының бойындағы кез келген күтпеген өткізгіш жолды тексеріңіз.

Қорытынды

Электр оқшаулауын алғашқыда оқшаулау мақсатын анықтау арқылы таңдаңыз, сосын жұмыс кернеуін, қолданылатын стандартты, транзиттік және серпімді орта, сигнал немесе қуат түрі, уақыт талаптары, CMTI, крипаж және тазалау шарттарын, сондай-ақ қажетті қызмет мерзімін тексеріңіз. Соңғы оқшаулау технологиясы, құрылғысы, пакеті және оқшауланған қуат жүйесі осы талаптардың барлығына сәйкестендірілуі керек, тек VISO немесе басқа жеке деректер парағында көрсетілген бағалау негізінде таңдалмауы керек.