Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Источник

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.

Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.

Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.

Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.

Как оно работает

Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.

Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.

Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.

Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.

Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.

Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.

Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.

На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.

Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.

Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.

Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек.

Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.
Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.

Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.

Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.

Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.

Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.

Где оно работает

Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.
Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.

Источник

Гальваническая развязка — это просто

Многие современные электронные устройства сегодня требуют гальванической развязки между двумя или более частями оборудования или между двумя критическими секциями одного продукта или системы. Если вы не делали этого раньше, вам придется изучить довольно много материала для понимания основ гальванической развязки, почему она используется, и знакомство с возможными способами ее реализации.

В этой статье дается определение гальванической развязки, объясняются ее преимущества, а затем резюмируются наиболее распространенные способы ее реализации. И это открывает новый подход к обеспечению гальванической развязки с помощью специальных интегральных схем (ИС).

Что такое гальваническая развязка?

Гальваническая развязка — это процесс проектирования электрического оборудования или систем с отдельными источниками питания таким образом, чтобы они не обменивались энергией или никак электрически не взаимодействовали. Идея состоит в том, чтобы поддерживать питание постоянного (и / или переменного тока) отдельно и независимо. Одна система электроснабжения не должна влиять на другую. В то же время, как правило, необходимо полностью изолированно передавать сигналы мониторинга и данные управления между ними.

Изоляция питания достигается за счет того, что две физические секции находятся далеко друг от друга. И это обычно реализуется НЕ подключением заземляющих соединений двух систем. Это устраняет контуры заземления и уменьшает или, по крайней мере, сводит к минимуму любой перенос шума. Когда используются как высоковольтные, так и низковольтные подсистемы, такая физическая изоляция и изоляция заземления также помогает защитить пользователей и специалистов по обслуживанию от ударов электрическим током, низковольтные цепи — от высокого напряжения, а в некоторых случаях защищает и от молнии.

Примеры оборудования, требующего гальванической развязки, включают программируемые логические контроллеры (ПЛК) в промышленных инструментах и оборудовании, источники бесперебойного питания (ИБП), электроприводы, промышленные роботы, зарядные устройства для аккумуляторов, преобразователи частоты / инверторы и иногда DC-DC преобразователи. Не забываем о постоянно растущем сегменте автомобильных приложениях.

Гальваническая развязка

Для реализации гальванической развязки используется широкий спектр методов. Возможно, самый старый и самый эффективный — это трансформатор. Он позволяет передавать данные, сообщения и коды посредством магнитных полей между первичной и вторичной обмотками. Между первичной и вторичной обмотками НЕТ прямой электрической связи.

На рисунке ниже показан пример базового источника питания, используемого в системе, требующей изоляции. SN6501-Q1 — это генератор модулирующих импульсов, который вырабатывает сигнал переключения для импульсного трансформатора. Трансформатор обеспечивает соотношение витков для получения желаемого выходного напряжения и идеальной развязки, обеспечиваемой только магнитной связью между входом и выходом. Регулятор с малым падением напряжения (LDO) фильтрует выпрямленный сигнал и устанавливает желаемое выходное напряжение.

Оптопары или оптоизоляторы — еще одно почти идеальное устройство для передачи данных с допустимой скоростью. Поток данных о напряжении управляет светодиодом внутри корпуса оптопары. Фототранзистор улавливает свет на расстоянии нескольких миллиметров. Транзисторный выход полностью изолирован от входа.

Один из лучших способов изоляции — использование конденсаторов. Они блокируют постоянный ток, но пропускают переменный ток, что делает их и их варианты чрезвычайно эффективными. Другие устройства, участвующие в создании гальванической развязки, — это специальные компоненты, такие как датчики на эффекте Холла и даже механические реле.

Современная гальваническая развязка

В наши дни лучший способ обеспечить необходимую гальваническую развязку — это использовать компоненты, разработанные специально для этой цели. Примеры включают специальные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), используемые для отправки изолированных данных измерения тока и напряжения, когда это необходимо системе.

Дифференциальные усилители контролируют напряжение на чувствительном резисторе для получения значения тока. Обычно для этого приложения требуются два источника питания (рисунок ниже слева). Однако наличие второго источника питания делает продукт больше, тяжелее и дороже.

Texas Instruments разработала линейку усилителей и АЦП с однополярным питанием, чтобы решить эту проблему. Изолированный усилитель AMC3301 (рисунок выше справа) включает полностью интегрированный преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC) для подачи второго напряжения питания. Изоляция обеспечивается емкостной связью внутри интегральной схемы. AMC3301 соответствует правилам безопасности высоковольтной изоляции для сертификации UL 1577 до 4250 В среднеквадратического значения DIN VDEV 0884-11 для пикового напряжения до 6000 В.

Для обеспечения изолированных данных измерений и управления можно использовать два типа изолирующих устройств — изолированный усилитель и изолированный модулятор. Оба являются типами с однополярным питанием и каждый содержит внутренний дельта-сигма (ΔΣ) АЦП.

Контролируемый аналоговый сигнал отправляется на микросхему, усиливается, а затем оцифровывается АЦП. АЦП генерирует последовательный поток битов, который проходит через емкостный изолирующий барьер на кристалле. Этот последовательный поток битов затем отправляется на фильтр нижних частот, который вырабатывает напряжение, пропорциональное входному сигналу. В этот момент восстановленный сигнал постоянного тока может быть снова оцифрован в другом АЦП, возможно, в обычном системном микроконтроллере.

В качестве другого варианта можно использовать изолированный модулятор, такой как AMC1305 / 06 от TI. Он принимает отслеживаемый сигнал тока или напряжения и усиливает его перед оцифровкой в более быстром ΔΣ АЦП. АЦП посылает свой сигнал через внутренний емкостный изолирующий барьер на выход. Этот сигнал представляет собой серию битов, представляющих напряжение внутри устройства. Внешний фильтр нижних частот генерирует пропорциональный аналоговый сигнал, который снова может быть оцифрован для цифровой обработки сигнала.

Хотя и изолированные усилители, и модуляторы действительно обеспечивают хорошие характеристики, изолирующие модуляторы, как правило, являются лучшей альтернативой. Они обладают превосходным соотношением сигнал / шум, большей точностью и меньшей задержкой.

Гальваническая развязка 101

Для улучшения знаний и понимания гальванической развязки, вам следует рассмотреть эталонный прототип TI TIDA-010065. Эталонный прототип представляет собой упрощенную архитектуру для создания изолированного источника питания для изолированных усилителей, которые измеряют изолированные напряжения и токи. Встроенная цифровая диагностика повышает надежность и производительность системы. Это отличная платформа для самообучения и изучения тонкостей гальванической развязки.

Источник