İçerikler
Kısaca Fikir
Dijital izolatörler, boyut, hız, güç tüketimi, kullanım kolaylığı ve güvenilirlik açısından optokuplörlere göre önemli, zorlayıcı avantajlar sunar.
Đang xem: Dijital izolatör nedir
Yıllar boyunca endüstriyel, tıbbi ve diğer izole sistemlerin tasarımcıları, güvenlik izolasyonu uygularken sınırlı seçeneklere sahipti: tek makul seçim optokuplördü. Günümüzde dijital izolatörler performans, boyut, maliyet, güç verimliliği ve entegrasyon açısından avantajlar sunmaktadır. Dijital izolatörün üç temel unsurunun doğasını ve birbirine bağımlılığını anlamak, doğru dijital izolatörü seçmede önemlidir. Bu elemanlar yalıtım malzemesi, yapıları ve veri aktarım yöntemidir.
Tasarımcılar, güvenlik düzenlemeleri veya toprak döngülerinden kaynaklanan gürültüyü azaltmak vb. için izolasyonu kullanırlar. Galvanik izolasyon, güvenlik tehlikesi oluşturabilecek bir elektrik bağlantısı veya kaçak yolu olmadan veri aktarımını sağlar. Yine de izolasyon, gecikmeler, güç tüketimi, maliyet ve boyut gibi kısıtlamalar getirir. Bir dijital izolatörün amacı, maruz kalınan cezaları en aza indirirken güvenlik gereksinimlerini karşılamaktır.
Geleneksel bir izolatör olan optokuplörler, yüksek düzeyde güç tüketerek ve veri hızlarını 1 Mbps’nin altında sınırlayarak en büyük cezalara maruz kalırlar. Daha güç verimli ve daha yüksek hızlı optokuplörler mevcuttur, ancak daha yüksek maliyet cezası uygulanır.
Optik bağlayıcılarla ilgili cezaları azaltmak için 10 yıldan uzun bir süre önce dijital izolatörler tanıtıldı. CMOS tabanlı devre kullanırlar ve veri hızlarını önemli ölçüde artırırken önemli maliyet ve güç tasarrufu sağlarlar. Yukarıda belirtilen unsurlarla tanımlanırlar. Yalıtım malzemesi, doğal izolasyon kapasitesini belirler ve güvenlik standartlarına uygunluğu sağlamak için seçilir. Belirtilen cezaları aşmak için yapı ve veri aktarım yöntemi seçilmiştir. Tasarım hedeflerini dengelemek için üç unsurun tümü birlikte çalışmalıdır, ancak taviz verilmeyen ve “dengelenemeyen” tek hedef, güvenlik düzenlemelerini karşılama yeteneğidir.
Yalıtım Malzemesi
Dijital izolatörler, dökümhane CMOS işlemlerini kullanır ve dökümhanelerde yaygın olarak kullanılan malzemelerle sınırlıdır. Standart olmayan malzemeler üretimi zorlaştırır, bu da zayıf üretilebilirlik ve daha yüksek maliyetlerle sonuçlanır. Yaygın yalıtım malzemeleri, ince bir film olarak bükülebilen poliimid (PI) ve silikon dioksit (SiO2) gibi polimerleri içerir. Her ikisi de iyi bilinen yalıtım özelliklerine sahiptir ve yıllardır standart yarı iletken işlemede kullanılmaktadır. Polimerler, birçok optokuplörün temelini oluşturmuş ve onlara yüksek voltaj yalıtkanı olarak yerleşik bir geçmiş vermiştir.
Güvenlik standartları tipik olarak 1 dakikalık bir voltaj dayanım derecesini (tipik olarak 2,5 kV rms ila 5 kV rms) ve çalışma voltajını (tipik olarak 125 V rms ila 400 V rms) belirtir. Bazı standartlar ayrıca güçlendirilmiş yalıtım sertifikasının bir parçası olarak daha kısa süre, daha yüksek voltaj (örneğin, 50 µs için 10 kV tepe noktası) belirtir. Polimer/poliimid bazlı izolatörler, Tablo 1’de gösterildiği gibi en iyi izolasyon özelliklerini verir.
| Polimer Bazlı Optokuplör | Poliimid Bazlı Dijital İzolatör | SiO2 Tabanlı Dijital İzolatör | |
| Dayanma Gerilimi (1 Dakika) | 7,5 kV rms | 5 kV devir | 5 kV devir |
| 400 V rms Çalışma Gerilimi ile Ömür | 25 yıl | 50 yıl | 25 yıl |
| Güçlendirilmiş Yalıtım için Dalgalanma Seviyesi | 20 kV | 12 kV | 7 kV |
| Yalıtımdan Geçen Mesafe (Yalıtım Kalınlığı) | 400 µm | 14 µm ila 26 µm | 7 µm ila 15 µm |
Poliimid tabanlı dijital izolatörler, optokuplörlere benzer ve tipik çalışma voltajlarında kullanım ömrünü aşar. SiO2 bazlı izolatörler, dalgalanmalara karşı daha zayıf koruma sağlayarak medikal ve diğer uygulamalarda kullanımı engeller.
Her filmin doğal stresi de farklıdır. Poliimid, SiO2’den daha düşük strese sahiptir ve gerektiğinde kalınlık artabilir. SiO2 kalınlığı ve dolayısıyla izolasyon kapasitesi sınırlıdır; 15 µm’nin üzerindeki gerilim, izolatörün ömrü boyunca işleme veya delaminasyon sırasında çatlamış gofretlere neden olabilir. Poliimid tabanlı dijital izolatörler, 26 µm kalınlığında izolasyon katmanları kullanır.
İzolatör Yapısı
Dijital izolatörler, LED’lerden gelen ışığı kullanan optokuplörlere kıyasla, bir izolasyon bariyeri boyunca verileri manyetik veya kapasitif olarak birleştirmek için transformatörler veya kapasitörler kullanır.
Transformatörler, başka bir bobinde akımı indükleyen küçük, lokalize bir manyetik alan oluşturmak için Şekil 1’de gösterildiği gibi bir bobinden akımı darbeler. Akım darbeleri kısa, 1 ns, dolayısıyla ortalama akım düşük.
Xem thêm: Note 4 En İyi Başlatıcı – Redmi Note 4 İçin En İyi Başlatıcılar Hangisi
Şekil 1. Akım Darbelerinin İkincil Bobinde Akımı İndüklemek için Manyetik Alanlar Yarattığı Kalın Poliimid Yalıtımlı Trafo (sol); İzolasyon Bariyerini Aşan Düşük Akım Elektrik Alanları Kullanan İnce SiO2 İzolasyonlu Kondansatör (sağda)
Transformatörler ayrıca diferansiyeldir ve 100 kV/µs kadar yüksek mükemmel ortak mod geçici bağışıklık sağlar (optokuplörler tipik olarak yaklaşık 15 kV/µs’dir). Manyetik kuplaj ayrıca, kapasitif kuplajın plakalar arasındaki mesafeye olan bağımlılığına kıyasla, transformatör bobinleri arasındaki mesafeye daha zayıf bir bağımlılığa sahiptir. Bu, trafo bobinleri arasında daha kalın yalıtım sağlayarak daha yüksek izolasyon kapasitesi sağlar. Düşük gerilimli poliimid filmlerle birleştiğinde, poliimid kullanan transformatörlerde SiO2 kullanan kapasitörlere karşı yüksek izolasyon seviyeleri elde edilebilir.
Kapasitörler ayrıca tek uçludur ve ortak mod geçişlerine karşı daha yüksek duyarlılığa sahiptir. Diferansiyel kapasitör çiftleri telafi edebilir, ancak bu boyut ve maliyeti artırır.
Kondansatörlerin bir faydası, kuplaj elektrik alanını oluşturmak için düşük akımlar kullanmalarıdır. Bu, 25 Mbps’nin üzerindeki yüksek veri hızlarında fark edilir hale gelir.
Veri İletim Yöntemleri
Optokuplörler, verileri bir yalıtım bariyeri üzerinden iletmek için LED’lerden gelen ışığı kullanır: LED, mantık YÜKSEK için açılır ve DÜŞÜK mantık için kapanır. LED açıkken, optokuplör gücü yakar ve güç tüketiminin önemli olduğu her yerde optokuplörleri kötü bir seçim yapar. Çoğu optokuplör, girişte ve/veya çıkışta sinyal koşullandırmayı tasarımcıya bırakır ve bu her zaman uygulanması en kolay olanı değildir.
Dijital izolatörler, daha hızlı veri iletimi ve USB ve I2C gibi karmaşık, çift yönlü arayüzleri işleme yeteneği sağlayan verileri kodlamak ve kodunu çözmek için daha gelişmiş devre kullanır.
Bir yöntem, yükselen ve düşen kenarları, bir transformatörü çalıştıran çift veya tek darbeler olarak kodlar (Şekil 2). Bu darbeler, ikincil tarafta yükselen/düşen kenarlara geri kodlanır. Bu, optokuplörlerde olduğu gibi güç sürekli uygulanmadığından, güç tüketimini optokuplörlere kıyasla 10× ila 100× azaltır. DC seviyesini düzenli olarak güncellemek için yenileme devreleri dahil edilebilir.
Şekil 2. Veri Aktarma Yöntemi Kenarları Tek veya Çift Darbeler Olarak Kodlar.
Başka bir yöntem, optokuplörlerin ışığı kullandığı şekilde RF modülasyonlu sinyalleri kullanır; mantık YÜKSEK sinyali, sürekli RF iletimi ile sonuçlanır. Mantık YÜKSEK sinyalleri sürekli olarak güç yaktığı için bu, darbeli yöntemden daha fazla güç tüketir.
Ortak mod reddi için farklı teknikler de kullanılabilir; ancak bunlar en iyi şekilde transformatörler gibi diferansiyel elemanlarla kullanılır.
Xem thêm: Birisi Youtube Videomu Çaldı, Kimliğe Bürünme Politikası
Doğru Kombinasyonu Seçmek
Dijital izolatörler, boyut, hız, güç tüketimi, kullanım kolaylığı ve güvenilirlik açısından optokuplörlere göre önemli, zorlayıcı avantajlar sunar. Dijital izolatörler sınıfı içinde, farklı yalıtım malzemesi kombinasyonları, yapı ve veri aktarım yöntemi, farklı ürünleri ayırt ederek belirli uygulamalara az çok uygun hale getirir. Yukarıda belirtildiği gibi, polimer bazlı malzemeler en sağlam izolasyon kabiliyetini sunar; bu malzeme hemen hemen tüm uygulamalarda kullanılabilir, ancak sağlık ve ağır endüstriyel ekipman gibi en katı olanlar en fazla avantajı elde edecektir. En sağlam izolasyonu elde etmek için, poliimid kalınlığı kapasitörler için makul olanın ötesinde arttırılabilir; bu nedenle, kapasitör tabanlı izolasyon, güvenlik izolasyonunun gerekli olmadığı durumlarda fonksiyonel izolasyon için en uygun olabilir. Bu durumlarda, transformatör tabanlı izolasyon, özellikle transformatörlerin diferansiyel yapısından tam olarak yararlanan bir diferansiyel veri aktarım yöntemiyle birleştirildiğinde en mantıklı olabilir.
Yazar
David Krakauer
David Krakauer, lisbdnet.com Devices’ın iCoupler ürün hattında pazarlama müdürüydü. iCoupler dijital izolatörler ve endüstriyel arayüz ürünleri portföyünün tasarım mühendisliği, pazarlama ve uygulama mühendisliğini yönetti. David, dönüştürücüler, amplifikatörler ve alıcı-vericiler dahil diğer ürünlerle entegrasyonu sağlamak için lisbdnet.com Cihazları genelinde iCoupler teknolojisinin yayılmasından sorumluydu.