Такие области применения, как промышленная автоматизация и системы управления, измерительные приборы и производственное оборудование, требуют исключительного уровня надежности, при этом работая зачастую в суровых и опасных условиях. Повышение производительности также высоко ценится; например, неболькое увеличение скорости передачи данных может привести к повышению эффективности настройки оборудования на заводе. В то же время, соблюдение стандартов и требований безопасности имеет первостепенное значение.
В последнее время к этим хорошо известным требованиям промышленного дизайна добавились требования, обычно связанные с потребительскими товарами. Дизайнеры сталкиваются с растущим давлением в сторону уменьшения размеров систем и энергопотребления, отчасти потому, что более мелкие и расположенные близко друг к другу компоненты создают проблемы с тепловым регулированием, а также из-за таких соображений, как экологическая осведомленность и колебания мировых цен на энергоносители.
Возникновение оптического соединителя
Компоненты гальванической изоляции играют ключевую роль в удовлетворении потребностей растущего промышленного рынка. Они выполняют три основные функции в электрическом и электронном оборудовании: во-первых, они используются в ситуациях, требующих гальванической изоляции, будь то для безопасности или защиты цепей; во-вторых, они могут использоваться для устранения несоответствия импедансов; и в-третьих, они могут использоваться для снижения шума в цепях. Последняя функция может быть особенно важна в промышленных условиях, когда необходимо сочетать электрически шумные двигатели и приводы с чувствительными электронными схемами управления.
Оптические разветвители, или оптопары, стали предпочтительным решением для многочисленных промышленных задач изоляции. Эти устройства преобразуют электрические сигналы в свет с помощью входной схемы, управляющей светодиодом (обычно типа GaAlAs). Высокочувствительный фотодетектор, расположенный в том же корпусе, обнаруживает полученные световые сигналы и преобразует их обратно в соответствующий электрический формат через выходную схему.
Тип компонента и его применение определяются в первую очередь не комбинацией светодиода и детектора, а характером входной и выходной цепей, которые могут значительно различаться. Например, оптический разветвитель может использоваться для обеспечения простой функции переключения «вкл/выкл», которая раньше выполнялась переключателем или реле. В отличие от этого, другие типы компонентов используют логический вход для генерации сильноточного выходного сигнала, подходящего для управления силовыми MOSFET-транзисторами или IGBT-транзисторами — задача, которая больше похожа на обработку сигнала, чем на релейное переключение.
Тем не менее, во всех областях применения оптические разветвители быстро вытесняют электромеханические решения и предлагают хорошо известные преимущества твердотельной технологии: длительный срок службы; высокая надежность; низкое энергопотребление; высокая скорость переключения; и меньшие габариты на печатной плате.
Варианты оптических соединителей
Оптические разветвители с выходными транзисторами используются в таких областях, как переключатели ПЛК, источники питания и инверторы. Основными критериями выбора для разработчика являются напряжение коллектор-эмиттер, коэффициент передачи тока, количество каналов и тип корпуса.
Вторая основная категория оптических разветвителей состоит из высокопроизводительных интегральных схем разветвителей.
Например, такое устройство, как TLP2404 от Toshiba Electronics Europe (TEE), сочетает в себе широкий диапазон входного напряжения (от 4,5 В до 30 В) с выходом обратной логики с открытым коллектором, что делает его идеальным решением для разработчиков, которым необходимо реализовать изолирующий интерфейс между интеллектуальными силовыми модулями (IPM) и схемой управления ИС (рис. 1). Ограничения по пространству и другие конструктивные соображения также могут потребовать использования нескольких каналов.
Например, устройства Toshiba TLP2468 и TLP2168 предлагают одно- или двухканальные варианты выхода с очень высоким шумовым сопротивлением между входом и выходом для высокоскоростных (20 Мбит/с) интерфейсов связи в таких приложениях, как оборудование промышленной автоматизации и измерительная техника. Хотя выходы обычно имеют открытые коллекторы, иногда необходимо пропускать ток в обоих направлениях.
В этом случае устройство, подобное TLP2366, с двухтактным выходом, может использоваться как для управления потреблением, так и для управления питанием. Для других приложений, связанных с потреблением/питанием, таких как управление нагрузкой переменного тока, твердотельным реле или двигателем, может использоваться тиристорный разветвитель.
Оптические реле (также называемые разветвителями на МОП-транзисторах) все чаще используются для замены механических реле в различных коммутационных приложениях. Опять же, требуемые характеристики будут зависеть от приложения; например, в промышленной измерительной технике обычно требуется низкая емкость и низкое сопротивление.
Универсальный оптический соединитель, разработанный для инженеров, которым необходимо управлять силовыми цепями, содержащими IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или силовые MOSFET-транзисторы, объединяет полную подсистему управления затвором в одном корпусе. Устройство, подобное Toshiba TLP352, делает именно это и полностью соответствует международным стандартам безопасности, таким как EN 60747-5-2 (и другим).
Применение оптических соединителей
На практике в реальных условиях часто требуется более одного типа оптических разветвителей. Так, в типичном приложении сервоусилителя переменного тока на основе IGBT или MOSFET (см. рис. 2) разветвители, обеспечивающие управление затвором, также должны обеспечивать высокую изоляцию (до 3750 В), поскольку скачки тока в 1 А и выше не являются редкостью.
Напротив, скорость особенно важна на стыке между сервоприводной схемой и главным микроконтроллером или ASIC, поэтому требуется соединитель, способный работать на скоростях в диапазоне мегабит (или десятков мегабит). Наконец, сетевые интерфейсы, дисплей и система охлаждения, возможно, и не должны обеспечивать самые высокие скоростные характеристики, но они должны обеспечивать соответствующие уровни логического напряжения и помехоустойчивость.
Типичное применение ПЛК-контроллера также потребует различных типов оптических разветвителей, как показано на рисунке 3.
Как и в примере с сервоприводом переменного тока, скорость передачи данных может быть высокой: до 25 Мбит/с. ПЛК обычно обрабатывают широкий спектр типов входных и выходных сигналов, а также простые логические сигналы, и, как отмечалось ранее, это требует использования входов переменного тока (видимых в верхнем левом углу рисунка 3) как в одноканальной, так и в многоканальной конфигурации. Возможность работы с напряжениями питания от 3,0 В до 20 В еще больше расширяет возможности разработчика.
Тенденции в разработке оптических соединителей
Учитывая такое широкое разнообразие применений, темпы развития конструкции оптических соединителей очень высоки. Как уже упоминалось, пространство на печатной плате является основным фактором, определяющим миниатюризацию компонентов в целом. Корпуса с двойным линейным расположением выводов (DIP) значительно уменьшились в размерах: современный шестиконтактный DIP-корпус Shrink имеет на 50% меньшую площадь, чем восьмиконтактный DIP-корпус, который он заменяет, и многие DIP-корпуса заменяются компонентами для поверхностного монтажа (SMD).
Несмотря на уменьшение размеров корпусов, требования IEC/EN к ползучести (кратчайшее расстояние вдоль поверхности внутреннего изоляционного материала между проводящими частями в изоляционном компоненте) и зазору (кратчайшее расстояние по воздуху между двумя проводящими частями) остаются прежними или даже становятся более жесткими, что представляет собой серьезную проблему для производителей оптических соединителей. Устройства, недавно появившиеся на рынке, демонстрируют значения ползучести и зазора, превышающие 5 мм, несмотря на то, что поставляются в компактных низкопрофильных корпусах. Все
более важным требованием становится также работа в широком диапазоне температур, поэтому оптические соединители обычно обеспечивают работу в диапазоне [укажите диапазон температур].
От -40°C до 125°C. Развитие технологических процессов и упаковки, а также внедрение новых технологий LLTL (светодиоды с длительным сроком службы) позволяют таким компаниям, как Toshiba, удовлетворять требованиям к устройствам, гарантирующим производительность в широком диапазоне температур и повышающим надежность на протяжении всего срока службы.
На рисунке 4 показаны некоторые из последних тенденций в области оптических соединителей, используя в качестве примера эволюцию линейки продукции Toshiba.
В то же время, ввиду особой важности промышленной безопасности, требования к изоляции по напряжению также становятся все более жесткими. Так, в связи с необходимостью соответствия международным стандартам безопасности, даже миниатюрные оптические разветвители теперь должны обеспечивать напряжение до 5000 В среднеквадратичного значения.
Несмотря на то, что технические требования становятся все более жесткими, наиболее важным остается максимально возможное снижение энергопотребления. Таким образом, в то время как имеющиеся в настоящее время управляющие IGBT-разветвители могут обеспечивать пиковые токи до 6 А, сами оптические разветвители потребляют всего несколько миллиампер тока и разработаны с очень быстрым временем переключения (менее 200 нс) и низким коэффициентом асимметрии (80 нс или менее). Эти технологии помогают инженерам проектировать схемы питания с жестким контролем для снижения общего энергопотребления системы.
Наконец, некоторые из последних достижений в области оптических разветвителей были направлены на увеличение скорости передачи данных для обработки растущего объема данных в таких приложениях, как управление IPM и цифровые интерфейсы.
Безусловно, помимо повышения скорости передачи данных, крайне важно поддерживать целостность сигнала; поэтому большинство оптических разветвителей Toshiba обеспечивают высокий уровень помехоустойчивости между входом и выходом и имеют внутреннее экранирование Фарадея. Это экранирование гарантирует минимальную помехоустойчивость к синфазным переходным процессам, обычно в диапазоне от ±15 кВ/мкс до ±20 кВ/мкс, что дополнительно улучшает качество сигнала на таких высоких скоростях передачи данных.
