54. Гальваническая изоляция

Изоляция — это когда сигнал проходит, а ток не течёт. Между двумя частями схемы нет электрического соединения вовсе: они связаны светом, магнитным полем или электрическим полем через барьер.

Нужна она в трёх случаях: когда по ту сторону опасное напряжение и надо защитить человека; когда там своя земля и соединять их нельзя; когда дорогое оборудование нужно уберечь от того, что случится с дешёвым датчиком. Раздел про то, чем изолировать, как посчитать обвязку и почему изоляция никогда не бывает полной.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
galvanic isolation	гальваническая изоляция
optocoupler, optoisolator	оптрон, оптопара
current transfer ratio (CTR)	коэффициент передачи тока
digital isolator	цифровой изолятор
isolated DC/DC converter	изолированный преобразователь питания
ground loop	земляная петля
working / test voltage	рабочее / испытательное напряжение
basic / reinforced insulation	основная / усиленная изоляция
creepage / clearance	путь утечки по поверхности / зазор по воздуху
common-mode transient immunity (CMTI)	устойчивость к синфазному выбросу
barrier capacitance	ёмкость барьера

54.1 Зачем разрывать цепь

Безопасность. Если по ту сторону сеть, изоляция — единственное, что стоит между ней и человеком. Требования тут не рекомендательные.

Разные земли. Датчик в ста метрах, привод в соседнем шкафу, шина между зданиями — у каждого своя земля, и разница потенциалов между ними бывает в десятки вольт, а при аварии — в сотни. Соединив их проводом, вы получите ток по сигнальной линии: это и есть земляная петля. Она портит измерения, а иногда и оборудование.

Локализация ущерба. Промышленный вход на 24 В, к которому подключается неизвестно что; линия, уходящая наружу; цепь с индуктивностью и большими токами. Изоляция превращает «сгорела вся плата» в «сгорел оптрон за двадцать рублей».

54.2 Оптрон: светодиод и фотоприёмник в одном корпусе

Внутри — светодиод и фототранзистор, разделённые прозрачным изолятором. Ток через светодиод вызывает ток в транзисторе; электрически стороны не связаны.

Вход считается как обычный светодиод (раздел 49.3), с падением около 1,2 В; от вывода микроконтроллера вычитают ещё 0,4 В, которые падают на самом выводе:

Вторая строка — типичная ловушка: на 24 В резистор рассеивает 236 мВт, почти четверть ватта, а при подъёме до 30 В — уже 377 мВт. Типоразмеры 0603 на 100 мВт и 0805 на 125 мВт здесь сгорят, 1206 на 250 мВт на 24 В работает на пределе, а на 30 В перегружен (раздел 49.6). Нужен 2512 на 1 Вт — или меньший ток: с 5,6 кОм это 4,1 мА и 93 мВт на 24 В, 148 мВт на 30 В, но тогда выход оптрона пересчитывают на этот ток. Проверить надо и границы: при просадке до 18 В ток упадёт до 7,6 мА, при подъёме до 30 В вырастет до 13,1 мА — обе величины приемлемы.

Обратная полярность. Светодиод оптрона держит в обратном направлении всего единицы вольт, а промышленный вход первым делом получает перепутанные провода — 24 В наоборот далеко за этим пределом. Поэтому встречно-параллельно светодиоду ставят обычный диод: при переполюсовке ток идёт через него, (24 − 0,7) / 2,2 кОм = 10,6 мА, а на светодиоде остаётся 0,7 В в обратную сторону. Для входа переменного тока берут оптрон с двумя встречными светодиодами.

Выход описывается коэффициентом передачи тока — отношением тока транзистора к току светодиода. И вот здесь главное:

⚠️ Коэффициент передачи гуляет от 50 до 600 % — в двенадцать раз между экземплярами одной партии. И падает примерно вдвое за срок службы. Схему считают по минимуму, ещё и делённому пополам.

Для нашего примера: при 7,7 мА на входе минимальный выход — 3,86 мА. Подтяжка 4,7 кОм от 5 В требует всего 1064 мкА, то есть запас 3,6; с поправкой на старение — 1,8. Достаточно, хотя уже без излишка. Если выход читает микроконтроллер с питанием 3,3 В, подтяжку ведут к его питанию: к 5 В — только на выводе, толерантном к 5 В (раздел 62.1). От 3,3 В подтяжка берёт 0,70 мА, запас — 5,5, со старением — 2,8.

А если бы считали по типовому коэффициенту 200 %, запас выглядел бы семикратным — и через несколько лет устройство начало бы отказывать без всякой видимой причины.

54.3 Скорость: главное ограничение оптрона

Обычный транзисторный оптрон имеет фронт около 4 мкс — но так его нормируют в описании, при нагрузке 100 Ом. С подтяжкой 4,7 кОм из 54.2 фронт выключения в разы длиннее: ёмкость фототранзистора перезаряжается через подтяжку. Поэтому числа ниже — потолок, а не рабочая скорость; для скорости берут подтяжку поменьше, сколько позволит ток по коэффициенту передачи, и смотрят фронт осциллографом. Что значат сами 4 мкс:

Предельная частота для такого оптрона — около 42 кГц. Для медленного интерфейса, кнопки, сигнала «авария» этого достаточно; для UART на 115200, SPI или CAN — нет.

Цифровой изолятор передаёт сигнал не светом, а через ёмкостный или магнитный барьер. Он быстрее на порядки, не стареет так, как светодиод, не требует расчёта коэффициента передачи (на входе — логический уровень, на выходе — логический уровень) и часто содержит несколько каналов в одном корпусе, в том числе в разные стороны. Недостатков два. Он дороже оптрона. И ему нужно питание с обеих сторон барьера: светодиоду оптрона на входной стороне хватает тока самого сигнала, а обычному изолятору там нужен свой источник (54.4). Поэтому дискретные входы 24 В обычно делают на оптронах, а интерфейсы — на изоляторах.

Практическое правило: сигнал медленный и один — оптрон; интерфейс — цифровой изолятор.

54.4 Изолированное питание

Изолятор передаёт сигнал, но не энергию. Значит, у дальней стороны должно быть своё питание — иначе изоляции нет.

Варианты: отдельный источник (если он там уже есть), питание от самой линии (так работают токовые петли), либо изолированный преобразователь — маленький модуль с трансформатором внутри.

Бюджет для изолированного порта RS-485:

Модуль на 1 Вт даёт 200 мА при 5 В — запас 3,8 раза. От основного питания он при этом возьмёт не меньше 65 мА: нагружен он на четверть, а коэффициент полезного действия 80 % у такого модуля — при полной нагрузке, на четверти он ниже. И выход нестабилизированного модуля при малой нагрузке поднимается выше 5 В — его сверяют с допустимым для приёмопередатчика.

Тут же и оговорка: изолированные преобразователи — те же импульсные источники, и они шумят (раздел 53.4). На чувствительных платах их фильтруют и разводят аккуратно.

54.5 Сколько вольт держит изоляция

В описаниях встречаются два разных числа, и путать их дорого:

• испытательное напряжение (например, 2500 В) — прибор выдерживает его одну минуту при заводской проверке;
• рабочее напряжение (например, 250 В) — то, что можно прикладывать постоянно всю жизнь изделия.

Отношение примерно десятикратное, и это не запас «на всякий случай», а две разные величины: одна про кратковременную стойкость, другая про ресурс.

Зазоры на плате так же важны, как сам прибор. Для сети 250 В основная изоляция требует около 4 мм пути по поверхности, усиленная — 8 мм. Корпус оптрона DIP даёт около 7 мм — впритык, и дорожку под ним вести нельзя: она сведёт весь зазор к расстоянию между дорожкой и выводом. Там, где места не хватает, под корпусом фрезеруют паз — путь утечки идёт по его стенкам и удлиняется.

Изоляция не абсолютна. Между сторонами всегда есть ёмкость — около 1 пФ. На 50 Гц это 3183 МОм, то есть практически разрыв. Но на мегагерце — уже сотни килоом: быстрая помеха проходит через барьер как ни в чём не бывало. Поэтому у изоляторов нормируют устойчивость к синфазному выбросу: насколько быстро может «прыгать» потенциал одной стороны относительно другой, чтобы сигнал не исказился.

А главный путь помехи через барьер часто вовсе не изолятор сигнала, а изолированный преобразователь питания (54.4): ёмкость между обмотками его трансформатора — десятки пикофарад. 50 пФ на мегагерце — это 3,2 кОм, в пятьдесят раз меньше, чем у барьера 1 пФ, и через неё идёт синфазный ток его же переключений. Для чувствительных схем выбирают преобразователь с малой ёмкостью барьера.

54.6 Что изолируют на практике

Последняя строка серьёзнее, чем кажется: если источник без развязки (раздел 53.7), подключение отладчика соединяет сеть с землёй компьютера.

54.7 Грабли

Оптрон перестал переключаться через год-два. Коэффициент передачи упал со временем, а расчёт был по типовому значению. Считать по минимуму и делить пополам.

Резистор на входе 24 В обугливается. Четверть ватта в корпусе на 100 мВт.

UART через оптрон работает на 9600 и не работает на 115200. Фронт 4 мкс. Быстрый оптрон или цифровой изолятор.

Изолировали сигнал, а земли всё равно соединены. Через питание, через экран кабеля, через крепёж корпуса. Изоляция работает только если разорваны все пути.

Изолированная сторона не питается. Забыли, что изолятор передаёт сигнал, а не энергию.

Помеха проходит сквозь изоляцию. Ёмкость барьера: на высокой частоте она проводит. Смотреть устойчивость к синфазному выбросу и не тянуть силовые цепи рядом с барьером.

Дорожка под корпусом оптрона. Формально зазор соблюдён корпусом, фактически — расстоянием до дорожки.

Сигнал инвертировался. У оптрона с подтяжкой на выходе включённый светодиод даёт низкий уровень. Это норма, но её надо учесть в программе.

54.8 Итоги

• Изоляция нужна для безопасности, для разных земель и для локализации ущерба; она разрывает ток, но пропускает сигнал.
• Вход оптрона считается как светодиод; резистор 2,2 кОм рассеивает 236 мВт на 24 В и 377 мВт на 30 В — это типоразмер 2512.
• Коэффициент передачи гуляет в двенадцать раз и падает вдвое за срок службы: считать по минимуму с поправкой на старение.
• Обычный оптрон ограничен примерно 42 кбит/с; для интерфейсов — цифровой изолятор (до десятков Мбит/с).
• Изолятор не передаёт энергию: дальней стороне нужен свой источник; бюджет изолированного порта RS-485 — около 52 мА.
• Испытательное напряжение и рабочее — разные величины, отличаются примерно вдесятеро.
• Зазоры на плате не менее важны прибора: 8 мм для усиленной изоляции на 250 В, никаких дорожек под корпусом.
• Ёмкость барьера около 1 пФ: на высокой частоте изоляция проводит.

Дальше: раздел 55 «Линейные стабилизаторы» — подробно о самой частой микросхеме питания на плате.