Совершенствование микроэлектронных элементов и повышение их электрической прочности до десятков киловольт позволило создать устройства для управления силовыми электрическими цепями на базе полупроводников. Они получили название «цифровые изоляторы» или «изоляторы интерфейса».
Принцип работы цифрового изолятора
Цифровым изолятором называют полупроводниковый прибор, который играет роль гальванической развязки. Он исключает прямую передачу электрического тока по проводнику и делает это с помощью посредника. Что обеспечивает безопасность функционирования силовых электрических цепей – как для человека, ими управляющего, так и для приборов, которые в них включены.
Принципиально он не отличается от приборов, которые исполняли роль гальванической развязки ранее. Разница между ними только в исполнении. Они состоят из трех основных элементов:
- Источника электромагнитной энергии (на входе).
- Приемника, воспринимающего возмущение ЭДС (на выходе).
- Диэлектрика, разрывающего цепь.
Наиболее простым видом гальванической развязки является индуктивный элемент – трансформатор. При подаче напряжения на вход его первичной обмотки возникает магнитное поле, которое возбуждает ЭДС на вторичной обмотке. При этом потери в передаче энергии минимальные – КПД трансформатора 99,5%. Диэлектриком между входом и выходом служит слой лака и бумаги между обмотками.
Несколько иначе действует емкостный элемент – конденсатор. Он является полным изолятором для переменного тока и проводником для постоянного. Что также позволяет использовать его в качестве гальванической развязки. Например, при питании микрофона через кабель, по которому передаются колебания звуковой частоты. Диэлектриком в этом элементе является бумага, разделяющая обкладки.
Следующим видом элемента, обеспечивающим передачу энергии через диэлектрический разрыв, является оптрон. В нем электромагнитная энергия преобразуется в световую. Луч, излучаемый светодиодом, попадает на чувствительный элемент – фоторезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности потока фотонов. Диэлектриком в нем работает воздух. Такие приборы заменили конденсаторы и трансформаторы, выигрывая у них в габаритах. Но они уступают им в КПД. Преобразование электричества в свет и обратно снижает его до 60% и существенно повышает уровень энергопотребления.
Цифровой изолятор – гальваническая развязка в инновационном исполнении
Неустранимость недостатков оптрона привела к необходимости создания нового вида гальванической развязки, в которой роль диэлектрика играет полупроводник – оксид кремния SiO2 или полиимидная пленка.
На сегодняшний день есть три типа полупроводниковых гальванических развязок – цифровых изоляторов:
- Трансформаторы и конденсаторы, созданные по планарной (пленочной) технологии, широко применяемой при производстве микросхем.
- Радиочастотные устройства, заменившие оптроны. В них вместо светодиода работает излучатель и приемник радиоволн (стандартный диапазон 350 и 700 МГц).
- Спиновые вентили. Они изменяют свое внутреннее сопротивление под воздействием магнитного поля.
Цифровым это устройство называют по той причине, что оно способно передавать последовательность импульсов, закодированную методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это позволяет использовать его не только в силовых электрических цепях, но и в локальных вычислительных сетях для связи компьютеров и обмена информации.
Где применяются цифровые изоляторы
Цифровые изоляторы – это устройства, защищающие человека или приборы от прямого воздействия электрического тока. Вот три основных области, в которых они используются:
- Силовые цепи.
- Выравнивание потенциалов.
- Снижение внутренних шумов сигнальных кабелей.
К силовым электрическим сетям относятся токопроводящие линии, напряжение в которых превышает 110 вольт переменного или 400 вольт постоянного тока. Они применяются для питания электрических приводов (электромоторы), а также устройств для передачи или коммутации энергии (силовые подстанции, высоковольтные переключатели). Кроме того, токи большой силы и высокое напряжение используется в ряде медицинских приборов – рентгеновские аппараты, томографы. Цифровые изоляторы позволяют включать и переключать эти приборы так, что обслуживающий персонал и пациенты не находятся под прямым действием высокого напряжения.
Если части электроустановки подключены к разным контурам заземления, то они могут иметь разные потенциалы и между ними потечет электрический ток. Этот эффект носит название «петля заземления», он может быть опасен не только для человека, но и для низковольтных элементов цепи. Включение гальванической развязки в заземлители, а также разрыв с их помощью сигнальных кабелей, объединяющих блоки в единую систему, позволяет избежать такого хода событий.
В локальных вычислительных сетях каждое устройство имеет свой блок питания. Поэтому в сигнальных кабелях наводится паразитное электромагнитное поле и возникают внутренние шумы, препятствующие передаче информации или вносящие в нее искажения. Наряду со случаями, описанными в предыдущем абзаце, это негативно влияет на работу всех устройств – помехи могут передаваться даже на другие объекты, если между ними есть связь. Поэтому вместе с коммутаторами, роутерами и другими передающими устройствами обязательно включаются цифровые изоляторы.
Изоляторы 2 pai Semiconductor
Одним из производителей цифровых изоляторов является компания 2Pai Semiconductor (Shanghai) Co. Ltd (Китай). Она правообладатель собственной технологии Divider, отличающейся от той, что используют, например, Silicon Labs или Analog Devices. Изоляторы производят на нескольких крупнейших фабриках: TSMC VIS FAB1, Key Foundry, China Huahong, что гарантирует надежность и короткий цикл производства изоляторов.
Цифровые изоляторы этого бренда являются конденсаторными элементами на полупроводниках SiO2 и способны выдержать напряжение пробоя до 5 кВ. Информация между обкладками передается с использованием метода ШИМ. На входе она модулируется, на выходе расшифровывается. Эти устройства обладают высокой помехоустойчивостью и низким энергопотреблением.
Они обладают высокой скоростью передачи данных до 200 Мбит/секунду. Широкий диапазон обусловлен разным количеством пар входа и выхода. Их может быть от одной до шести. Компания предлагает широкий модельный ряд (более сотни) устройств. Что позволяет использовать их в самых разнообразных схемах.
Устройства выполнены в форм-факторе pin-to-pin, что существенно облегчает процесс замены ими аналогичных приборов от компаний Silicon Labs, Analog Devices, Texas Instruments. Компания 2Pai Semiconductor обладает пятью производственными площадками, это гарантирует их бесперебойную поставку потребителям в любом количестве.
Наша компания «ОЭС Спецпоставка» является официальным дилером бренда 2Pai Semiconductor, мы располагаем полным ассортиментом цифровых изоляторов и способны удовлетворить любой спрос. Доставка в регионы осуществляется транспортными компаниями по их тарифам.
