Potřeba galvanického oddělení se v řadě elektronických aplikací stává nedílnou součástí specifikace finálního zařízení nebo rovnou celého systému. Stejně jako v případě napájecího napětí zatím nikdo nebude zpochybňovat jeho oprávněnost, i požadavek na elektrickou bezpečnost se v mnoha případech jaksi taktně předpokládá. Mezi základní argumenty bude bezesporu patřit

• ochrana uživatele nebo samotného zařízení před nebezpečným napětím
  
• přerušení nejrůznějších zemních a parazitních smyček včetně rušivých vazeb
  
• samotný funkční princip, který může vyžadovat napěťové potenciály vztažené k několika různým zemím.

Oblast spínaných zdrojů tvoří poměrně solidně zpracované téma a nutno říci, že ikdyž vývoj neustále pokračuje, odvedlo se v této oblasti již hodně práce, zejména pak s ohledem na celkovou účinnost (hřejivost) včetně elektromagnetické kompatibility. Indukční, transformátorové vazby již dokážeme popsat a simulovat mnoha matematickými modely, které však dříve či později zákonitě naráží na limitující fyzikální předpoklady. V případě výše zmiňovaných napájecích zdrojů se s tímto omezením kupodivu umíme rozumně vyrovnat. O něco složitější situace však nastává v případě, kdy takto potřebujeme oddělit analogový signál, který vedle určité míry energie ještě ponese užitečnou informaci, schovanou na slušném šumovém základu.

Pomineme – li silnoproudé oblasti typu měřicích transformátorů napětí a proudu, můžeme pro odpovídající nižší výkony s určitou výhodou použít galvanického oddělení v podobě optické vazby neboli optočlen a zbavit se tak nejednoho problému s přesyceným jádrem a zakázkovým vinutím. Pryč je doba, kdy se v nejrůznějších trubičkách od fixu vazbilo s ledkou na straně vstupní a čímsi fotocitlivým na opačném konci. (Mimochodem, fotovoltaický jev lze krásně pozorovat a nápaditě využít i u běžných LED diod.)

Doba však výrazně pokročila a moderní technologie v miniaturních optočlenech zavádí teplotní kompenzace včetně nejrůznějších zpětných vazeb na obou stranách s cílem maximálně linearizovat vstupně - výstupní charakteristiky. Už se tedy nejedná o pouhý základní pár oblíbeného typu LED a třeba fototranzistor v neprůhledném, pinově kompatibilním pouzdru. Současní výrobci nabízejí více a jako názorný příklad této snahy může vhodně posloužit lineární oddělovací zesilovač LIA 100 společnosti Clare .

Ikdyž vhodně kompenzované optoelektrické vazby v omezeném kmitočtovém spektru běžně vnášejí vlastní nelinearity v řádu 0,01 % i méně, pro mnoho aplikací optočlen stále zůstává velkým problémem v podobě nejslabšího článku celého řetězce. Snad nejvýrazněji lze tento degradující faktor pozorovat v precizních měřicích aplikacích. Nebudeme ani rozebírat, kolik práce dá návrh, výběr a odladění zapojení s vhodným signálovým procesorem nebo programovatelným polem, A/D převodníkem a vstupními zesilovači spolu s antialiasingovými filtry s teplotně vykompenzovanou zpětnou vazbou a ošetřenými drifty a offsety. Kolik rušení přichází z hodinových signálů rozvedených po A/D převodníku, jak pečlivě musíme vybírat SMD rezistory s nízkou teplotní závislostí, co s kapacitními vazbami na vyšších kmitočtech a jak správně blokovat vůči nedokonale vedeným zemím? Jaký bude konečný rozpočet a co budeme dělat když nám optočlen opět znehodnocuje rozlišení vstupního signálu pro 16bitový A/D převodník na pouhých 10 bitů a výstupní napětí ujíždí s každou desetinou celsiova stupně? Ano, je to práce na několik večerů, přičemž se vždy počítá jen těch několik málo posledních. Řešení přitom existuje a svou nebývalou elegancí vybízí k přehodnocení zažitých postupů.

Celá myšlenka vychází z jednoduché úvahy: V zařízení nebo obecném systému se požaduje náležité galvanické oddělení měřeného analogového signálu. Pokud zvolíme učebnicový model a provedeme měřený signál ze vstupního děliče do vstupního zesilovače, pak optočlenem, filtrem, dalším vstupním zesilovačem a konečně na vstup A/D převodníku, přidáme ještě nějakou referenci, galvanicky oddělený zdroj kladného a záporného napětí pro vstup i výstup a procesor na zpracování, máme v jednoduchých a nenáročných aplikacích na dlouho vystaráno.

Tato posloupnost však s jistotou znehodnotí spoustu důležitých informací v měřeném signálu. Což tedy vyřadit nejslabšího optoelektrického hráče ze vstupní scény a galvanicky oddělit až digitálně zpracovaný signál? V praxi by to mohlo znamenat vstupní zesilovač a filtr přímo následovaný blokem A/D převodníku a teprve následné oddělení již zakódované dvojkové informace.

Samozřejmě, pokud budeme měřit více nezávislých vstupů, bude každý z nich vyžadovat zesilovač, antialiasing filtr a zejména vlastní převodník s případnou referencí. V případě průmyslové analýzy 3fázových soustav to může být dokonce celý šestinásobek, tři pro napětí a tři pro proud. Navíc žádný z obvodů až po ADc nebude chráněn aktivní elektrickou bariérou, ale pouze určitými kompromisy, např. vhodným návrhem vstupního děliče a operačními zesilovači s určitou nadproudovou ochranou na svých rozdílových vstupech. Získaný přínos v precizních zapojeních se však přesto výrazně zůročí.

Vytvoříme-li galvanickou bariéru „nulám“ a „jedničkám“, dopustíme se nesrovnatelně menší chyby než v případě oddělení analogového signálu.

Protože se tento přístup dlouhodobě osvědčil, zareagovalo několik výrobců polovodičových součástek a uvolnilo na trh řadu integrovaných obvodů, které tyto požadavky elegantně obslouží. V první řadě musí být tyto prvky vícenásobné aby nezávisle dokázaly přenést měřené a řídicí signály v obou směrech. Není třeba zdůrazňovat, že paralelní ADc zde z pochopitelných důvodů rády ustoupí těm sériovým, jež s přehledem sobě vlastním vystačí s hodinami, startem konverze a sériovými výstupními daty. V druhé řadě pak součástky nevyužijí k průniku bariérou optického paprsku, ale něčeho mnohem důmyslnějšího, čímž se od optoelektrického principu jednou provždy zcela oddělí. Navíc bude celý čip natolik univerzální, že si každý najde řadu dalších možných využití nejen v analogové, ale také digitální elektronice. A za tu cenu se to určitě vyplatí. Paradoxně se však musíme vrátit zpět k indukčním vazbám, od kterých jsme se s velkou slávou v podobě optočlenů oprostili.

S iCouplery společnosti Analog Devices, coby číslicovou náhradou dříve užívaných optopřevodníků, vývojáři pracují již mnoho let. Oslovila je filosofie galvanického oddělení digitálního nebo již zdigitalizovaného signálu. Tímto způsobem se nenásilně otevřela cesta směrem k preciznějším, lineárnějším a zejména teplotně, časově a frekvenčně stabilnějším obvodům s nepoměrně vyšším rozlišením. Pochopitelně to neznamenalo vyhlášenou válku všemu optocitlivému. Pouze protichůdné požadavky například na 5 kV elektrickou bezpečnost nechtěly korespondovat s vysokým bitovým rozlišením, které se tak rádo utápělo někde mezi vstupním konektorem a rozdílovým vstupem ADc.

Jak ukazuje obrázek, iCouplery v naprostém protikladu k optočlenům (optocouplerům) využívají vysokorychlostní CMOS technologie ve spojení s mikroskopickými transformátory, které jsou integrovány přímo na čipu. Aby se minimalizovalo tvarové zkreslení, detekují vstupní obvody každou náběžnou a sestupnou hranu přiváděného signálu, který následně zakódují do posloupnosti jednoduchých a dvojitých 1 ns pulsů, přičemž dva interní pulsy odpovídají každé náběžné hraně a jeden všem sestupným. Zmíněné pomocné signály pak z horní cívky prostupují izolační vrstvou do odpovídající spodní indukčnosti. Výstupní obvody následně s minimálním zpožděním a vysokou přesností provádí nepřetržitou rekonstrukci celého vstupního signálu.

Protože se dále předpokládá obecné využití iCouplerů, opatřil výrobce vstupní obvody integrovaným refreshem, který na výstupu zajistí odpovídající signál i v případě, že nebude docházet k žádné změně. Tato funkce bude důležitá zejména v případě zapnutí napájení, u pomalých časových průběhů nebo také dlouhých prodlev mezi jednotlivými pulsy či jejich skupinou.

V nastíněné modelové situaci lze vysledovat rozdíly v obou použitých technologiích. Zatímco nasazení optočlenů s určitým nadhledem

• neúměrně zvyšuje počet součástek
  
• u precizních aplikací klade vysoké nároky na přesnost a stabilitu externích RC členů
  
• zvětšuje rozměry plošného spoje
  
• prodražuje konstrukci
  
• zpomaluje vývoj z důvodu analýzy a ošetření všech nestabilit
  
• snižuje spolehlivost
  
• vyžaduje případné rekalibrace po výměně aktivního prvku

iCouplery razí přesně opačnou strategii a jsou schopny dále nabídnout

• nižší tolerance mezi jednotlivými kanály a také celými součástkami navzájem
  
• mnohem vyšší datovou propustnost v Mbps
  
• menší průchozí zpoždění
  
• výrazně nižší zkreslení šířky pulsu
  
• větší rozsah provozních teplot
  
• minimální výkonovou ztrátu
  
• dlouhodobě vysokou stabilitu v celém teplotním a napájecím rozsahu

Srovnáme-li výkonové poměry, dostáváme zejména pro nižší přenosové rychlosti řádově do jednotek Mbps teoretickou úsporu až 98 %, což se zákonitě odráží v minimálních tepelných ztrátách, vyšší spolehlivosti a nepoměrně nižším kolísání zaručovaných parametrů.

Protože všechny iCouplery Analog Devices na svých vstupech i výstupech poskytují běžné digitální rozhraní CMOS/TTL, není potřeba téměř žádných dalších externích součástek, které v případě optočlenů dokázaly vnášet celkem zásadní chyby. Vyjímku tvoří pouze jednoduché, zato však velmi důležité vf blokování několika málo keramickými SMD kapacitami.

Obvody s LED diodami, jako jsou zejména optočleny, navíc patří z hlediska spolehlivosti k těm s vysokým počtem chybových přenosů, což pouze odráží jejich známou vlastnost - poruchovost. V případě přesných měřicích systémů dále každá výměna zničeného optočlenu nebo ještě zákeřněji optočlenu, který se svou plíživou sebedestrukcí teprve někde v hloubi čipu začínal, znamenala další rekalibraci přístroje. Oprostíme-li se naproti tomu od technologie LED, můžeme začít kalkulovat se stejnou spolehlivostí jakou vykazují standardní obvody CMOS, splníme požadavky celé řady norem a ještě přitom využijeme galvanického oddělení třeba 5 kV (RMS).

Vedle nejrůznějších kombinací a směrů vstupních a výstupních signálů včetně možnosti jejich úrovňové konverze např. mezi 3,3 a 5voltovou logikou, iCouplery logicky nenabízí jen pouhé signálové oddělení. Přivádíme-li trvale na určitý vstup napájecí napětí, dostáváme na výstupní straně napětí izolované. Můžeme tedy říci, že integrované cívky tvoří jakýsi transformátor v izolovaném DC/DC konvertoru s odpovídajícím nízkým výkonem. Vše se navíc pohromadě ukrývá v malém pouzdru s pájitelnými vývody. Některé iCouplery v sobě dokonce integrují samotný DC/DC měnič (+5 V, 10 mA).

Bude-li ale princip přenosu vystavěn na indukční vazbě, vzniká logická otázka odolnosti vůči vnějšímu magnetickému poli. Poměrně malé rozměry integrovaných „mikro-transformátorků“ v průměru okolo 0,5 mm však nezklamou ani v tomto ohledu.

Na obrázku můžeme vysledovat grafickou závislost proudu tekoucího v určité vzdálenosti od iCoupleru ve vztahu k indukovanému magnetickému poli, které by již mohlo narušit přenosovou funkci. Je opravdu na zvážení, zda ve skutečnosti někdy povedeme ve vzdálenosti 5 mm od čipu iCoupleru vodič, kterým necháme miliónkrát za vteřinu protékat 500 A, abychom dosáhli prahové hodnoty, při které již výrobce neručí za bezchybnou funkci svého obvodu. Pochopitelně, tento příklad byl záměrně vyhnán do krajnosti aby názorně demonstroval nadmíru vysokou odolnost vůči vnějším vlivům. Protože se navíc nikomu nechtělo čekat dalších 100 000 let na nejistý výsledek, byla ještě provedena série zrychlených testů životnosti, které jasně vyvrátily pochybnosti o dlouhodobé funkční spolehlivosti tohoto prvku.

Závěr:

Článek seznamuje s myšlenkou galvanického oddělení digitálních signálů pomocí iCouplerů. V žádném případě si neklade za cíl jednoznačně snižovat význam optočlenů v jednoduchých ale i složitějších konstrukcích, kde uživatel nepožaduje precizní zpracování analogového signálu od A až do Z nebo kde „ujíždění“ parametrů s kdekterou fyzikální veličinou či dalším kusem ze stejné výrobní série z principu nehraje zásadní roli. Taková zapojení mohou zůstat s uspokojivým výsledkem, někdy za zlomkovou cenu, v analogové rovině bez potřeby cokoli navíc digitalizovat. V opačném případě představuje technologie iCouplerů silného hráče, který v digitálních systémech, případně za cenu dodatečného A/D převodu, může na menší ploše DPS nabídnout prakticky stabilní parametry, kterých budeme s optočleny dosahovat velmi obtížně, případně se k nim nepřiblížíme vůbec.

Protože to skutečně funguje již řadu let, bude příští článek zaměřen na konkrétní obvody této perspektivní řady.

Použité prameny:

• [1] http://www.analog.com/static/imported-files/overviews/iCouplerIsolationTechnology.pdf
• [2] http://www.analog.com/static/imported-files/overviews/57624619913805627963397963229iCoupler_Brochure.pdf

Download a odkazy:

• Informace k iCouplerům: http://www.analog.com/en/interface/digital-isolators/products/index.html
  
• Domovská stránka Analog Devices: http://www.analog.com/
  
• Objednání vzorků: http://www.analog.com/en/content/samples/fca.html
  
• Distributor pro ČR: http://www.analog.com/salesdir/countries.asp?regionID=4&countryID=51
  
• Využití iCoupleru ADuM 3301 v převodníku RS-422/485 – USB