Оптроны, драйверы и изоляторы: когда и как применять гальваническую развязку в проектах Arduino, ESP32 и Raspberry Pi

В статье о силовых ключах и драйверах затвора мы разобрали, как слабый сигнал микроконтроллера управляет реле, MOSFET, IGBT, двигателем и другой мощной нагрузкой. Следующая задача – не только включить нагрузку, но и защитить управляющую часть от опасного напряжения, разности потенциалов и силовых помех.

Гальваническая развязка позволяет передать сигнал между двумя цепями без прямого проводящего соединения. У каждой стороны остается собственный источник питания и собственный GND.

Это особенно важно, когда Arduino, ESP32 или Raspberry Pi:

• подключены к компьютеру через USB;
• управляют оборудованием от сети 230 В;
• соединены с частотным преобразователем;
• получают сигналы от удаленных промышленных датчиков;
• работают рядом с двигателями, контакторами и соленоидами;
• подключены к устройству с другим источником питания;
• связаны длинным кабелем с оборудованием в другом помещении или здании.

Развязка не требуется автоматически во всех системах на 12, 24 или 48 В. Если вся электроника находится внутри одного корпуса, питается от общего безопасного изолированного источника и использует правильно организованную землю, прямое соединение может быть нормальным решением.

Изоляционный барьер решает три основные задачи: защищает низковольтную электронику, разрывает нежелательную связь между землями и уменьшает влияние синфазных помех.

При общей земле ток мощной нагрузки проходит по тем же проводникам, которые служат опорной точкой для микроконтроллера. Сопротивление проводников небольшое, но не нулевое. Во время включения двигателя, реле или соленоида на земле могут появляться импульсные падения напряжения.

Это приводит к:

• ложным переключениям цифровых входов;
• сбросам ESP32 и Arduino;
• ошибкам АЦП;
• искажению интерфейсных сигналов;
• зависанию программы;
• повреждению USB-порта компьютера;
• появлению опасного потенциала на низковольтной части.

Развязка позволяет стороне микроконтроллера и стороне нагрузки иметь разные опорные потенциалы. Сигнал передается через световой, емкостной или магнитный барьер.

Но развязка не исправляет:

• отсутствие защитного диода возле катушки;
• неправильную разводку платы;
• некачественный источник питания;
• слишком длинный провод затвора MOSFET;
• отсутствие блокировочных конденсаторов;
• неправильное экранирование;
• превышение напряжения или тока компонента.

Даже изолирующий барьер имеет небольшую паразитную емкость. Через нее быстрые изменения напряжения могут передавать короткие помехи. Поэтому для силовой электроники важен параметр CMTI – устойчивость изолятора к быстрому изменению напряжения между его сторонами.

Оптроны, цифровые изоляторы и изолированные драйверы выполняют разные задачи. Их нельзя выбирать только по заявленному напряжению изоляции.

Простой PC817 подходит для медленного дискретного сигнала, но не является универсальным изолятором для всех интерфейсов.

Цифровой изолятор выбирают, когда важны скорость, известная задержка, стабильные логические уровни и несколько каналов в одном корпусе. Такие устройства относятся к специализированным микросхемам и обычно требуют отдельного питания с каждой стороны барьера.

Изолированный драйвер нужен не только для передачи логического состояния. Его выходной каскад должен быстро заряжать и разряжать затвор силового транзистора.

Оптосимистор предназначен для управления переменным током. Модели с детектором перехода через ноль подходят для обычного включения нагревателя или лампы. Для фазового управления мощностью нужен оптосимистор без детектора нуля.

PC817 содержит инфракрасный светодиод и фототранзистор. Между ними расположен диэлектрический барьер, поэтому входная и выходная цепи не имеют прямого электрического соединения.

На входе обязательно устанавливается токоограничивающий резистор:

R = (Uупр - UF) / IF

где Uупр – напряжение управляющего сигнала, UF – прямое напряжение светодиода оптрона, IF – выбранный ток светодиода.

Для предварительного расчета можно принять UF около 1,2 В. Точное значение и допустимый ток проверяют по документации конкретного оптрона.

На выходной стороне эмиттер подключается к GND изолированного домена, а коллектор – к входу микроконтроллера и отдельному подтягивающему резистору.

При включении светодиода фототранзистор открывается и формирует низкий уровень. Такая схема инвертирует логический сигнал.

Для Arduino с логикой 5 В выход можно подтянуть к 5 В. Для ESP32 и GPIO Raspberry Pi подтяжка должна выполняться к 3,3 В.

Еще один важный параметр PC817 – CTR, коэффициент передачи тока. Он имеет большой разброс между экземплярами и группами. Расчет выполняют по минимальному CTR выбранной версии, а не по типичному значению.

Фототранзистор PC817 переключается медленнее логического цифрового изолятора. Особенно заметно это при глубоком насыщении транзистора, когда время его выключения увеличивается.

Скорость зависит от:

• тока входного светодиода;
• фактического CTR;
• сопротивления подтяжки;
• тока коллектора;
• емкости входной линии;
• температуры;
• степени насыщения фототранзистора.

Поэтому нельзя назначить одну универсальную предельную частоту для всех схем с PC817. В одной схеме импульсы могут проходить нормально, а в другой при той же частоте будут искажаться фронты и коэффициент заполнения.

PC817 подходит для:

• сигнала аварии;
• состояния концевика;
• контроля наличия напряжения;
• медленного включения реле;
• обратной связи, где небольшая задержка несущественна.

Для UART, быстрого энкодера, точного ШИМ и высокоскоростных импульсов лучше выбрать 6N137, H11L1, логический оптрон или цифровой изолятор.

Принцип формирования ШИМ, частота и коэффициент заполнения подробно разобраны в статье ШИМ-сигнал простыми словами.

Цифровой изолятор передает логический сигнал через емкостной или магнитный барьер. По сравнению с обычным фототранзисторным оптроном он обычно обеспечивает меньшую задержку, высокую скорость и более предсказуемое переключение.

Большинство цифровых изоляторов имеют отдельные выводы питания:

• VDD1 и GND1 для первой стороны;
• VDD2 и GND2 для второй стороны.

Питание второй стороны должно относиться к ее изолированному домену. Если обе стороны подключены к одному неизолированному источнику с общей землей, полноценной гальванической развязки не получится.

Вторую сторону можно питать от:

• отдельного безопасного источника;
• изолированного DC-DC преобразователя;
• трансформаторного источника;
• встроенного преобразователя специализированной микросхемы.

При выборе цифрового изолятора проверяют:

• количество каналов;
• направление каждого канала;
• напряжение питания каждой стороны;
• скорость передачи;
• задержку распространения;
• разброс задержек между каналами;
• CMTI;
• состояние выхода при пропадании питания;
• рабочее напряжение изоляции;
• тип корпуса.

Разные напряжения VDD1 и VDD2 часто позволяют одновременно выполнить изоляцию и согласование уровней, например передать сигнал между логикой 3,3 и 5 В. Такая возможность должна быть прямо указана в документации микросхемы.

Для каждого интерфейса требуется определенное количество каналов и правильное направление передачи. Один PC817 нельзя установить в любую шину и ожидать стабильной работы.

UART обычно требует двух однонаправленных каналов, направленных в разные стороны.

При изоляции SPI учитывают не только скорость каждого канала, но и суммарную задержку тактового сигнала и обратных данных. Чем выше частота, тем меньше допустимый временной запас.

I2C использует открытый сток и подтягивающие резисторы. Для SDA и SCL применяют специализированные двунаправленные изоляторы, например ADuM1250. Обычный однонаправленный изолятор не сохраняет принцип работы I2C.

RS-485 и CAN передают данные дифференциально и устойчивы к обычным помехам, но это не устраняет большую разность потенциалов между землями. Изоляция особенно полезна для длинной внешней линии и оборудования, установленного в разных зданиях.

Устройство линии, терминаторы и подключение подробно разобраны в статье RS-485 простыми словами. Подходящие преобразователи и модули собраны в категории интерфейсных модулей.

Изолированный драйвер затвора передает управляющий сигнал через барьер и формирует импульсный ток для быстрого заряда и разряда затвора силового транзистора.

Это не то же самое, что PC817 перед MOSFET. Обычный оптрон может передать логическое состояние, но не обеспечивает необходимый ток затвора, контролируемую задержку и устойчивость к быстрому изменению потенциала силового узла.

Изолированные драйверы применяются в:

• инверторах;
• источниках бесперебойного питания;
• приводах двигателей;
• импульсных преобразователях;
• полумостах и мостах;
• системах на IGBT, SiC MOSFET и мощных MOSFET.

Выходная сторона драйвера обычно получает отдельное питание, привязанное к истоку MOSFET или эмиттеру IGBT. Для верхнего ключа источник питания должен следовать за потенциалом коммутируемого узла.

Подробный принцип управления транзисторами разобран в статье Силовой ключ – MOSFET, IGBT и драйверы затвора. Готовые решения для коммутации низковольтных нагрузок находятся в категории электронных MOSFET-ключей.

Тип управляющей платы влияет на логическое напряжение и допустимый ток GPIO. Принцип изоляционного барьера остается одинаковым.

Входной сигнал 24 В

Сигнал подается на светодиод PC817 через рассчитанный резистор. Фототранзистор на стороне микроконтроллера подключается к GPIO с подтяжкой к 3,3 или 5 В.

Реле в отдельном силовом домене

Оптрон передает сигнал на транзисторный ключ, расположенный на стороне реле. Катушка питается от своего источника, возле нее установлен защитный диод. Земля контроллера не соединяется с землей реле. Готовые платы находятся в категории модулей реле.

Изолированный UART

Между TX и RX устанавливается двухканальный цифровой изолятор с каналами в противоположных направлениях. Каждая сторона получает свое питание.

Изолированный RS-485

Контроллер подключается к изолированному трансиверу. Полевая сторона получает изолированное питание. На линии сохраняются терминаторы и защита от импульсных перенапряжений.

Управление мощным MOSFET

GPIO подключается к входу изолированного драйвера. Выход драйвера питается от изолированного источника и соединяется с затвором через резистор.

Для выбора управляющей платформы можно использовать сравнение Raspberry Pi, Arduino и ESP32.

Изоляционный барьер должен разделять не только сигнальную линию, но и питание обеих сторон.

Если цифровой изолятор имеет VDD1/GND1 и VDD2/GND2, вторую сторону нельзя подключать к тому же неизолированному источнику с общей землей. Для нее требуется отдельный изолированный домен.

Маломощные изолированные DC-DC модули применяются для питания:

• выходной стороны цифрового изолятора;
• изолированного RS-485 или CAN-трансивера;
• драйвера затвора;
• небольшого количества логических микросхем;
• маломощных датчиков.

Подходящие модули находятся в категории преобразователей питания.

Такие DC-DC не предназначены автоматически для двигателя, клапана или другой мощной нагрузки. Нужно проверять мощность, регулирование выхода, пульсации, ток при запуске и емкостную связь между сторонами.

Развязку могут незаметно нарушить:

• USB-кабель;
• программатор;
• осциллограф;
• экран кабеля;
• металлический корпус;
• дополнительный источник питания;
• подключенный компьютер;
• защитное заземление.

Для измерений используют подходящий дифференциальный пробник, изолированный измерительный прибор или другую методику, рассчитанную на напряжение и категорию оборудования.

Напряжение изоляции микросхемы не гарантирует безопасность всей платы. Между опасной и безопасной сторонами необходимо сохранить достаточные расстояния.

Clearance – кратчайшее расстояние по воздуху между проводящими частями.

Creepage – кратчайший путь по поверхности изоляционного материала.

Требуемые значения зависят от:

• рабочего напряжения;
• импульсного перенапряжения;
• категории перенапряжения;
• степени загрязнения;
• группы материала платы;
• высоты над уровнем моря;
• основной или усиленной изоляции;
• применимого стандарта.

Поэтому универсального правила «для 230 В всегда достаточно 8 мм» не существует. В одном устройстве потребуется меньшее расстояние, в другом – большее.

Через изоляционный барьер нельзя проводить:

• медные полигоны;
• сигнальные дорожки;
• переходные отверстия;
• металлические крепления;
• экраны;
• другие проводящие элементы.

Для увеличения пути утечки между сторонами иногда выполняют фрезерованный паз. Блокировочные конденсаторы размещают возле выводов питания соответствующей стороны, не пересекая изоляционный барьер.

Общее устройство и слои платы разобраны в статье Печатная плата – устройство, виды и изготовление.

Параметры изоляции определяются применимыми стандартами, например ГОСТ IEC 60664-4-2017.

Гальваническая развязка нужна не в каждом соединении микроконтроллера с нагрузкой. Она оправдана, когда устраняет конкретный риск: опасное напряжение, большую разность потенциалов, земляную петлю, сильные синфазные помехи или нарушение требований безопасности.

Перед выбором компонента определяют:

• максимальное напряжение между сторонами;
• требуемый тип изоляции;
• скорость и направление сигналов;
• логические уровни;
• допустимую задержку;
• CMTI;
• состояние выхода при сбое питания;
• способ питания второй стороны;
• расстояния на плате;
• условия эксплуатации.

Основная ошибка – установить оптрон и считать задачу законченной. Полный изоляционный барьер включает подходящий компонент, раздельное питание, правильную разводку платы и защиту входов и выходов.

Связанные материалы:

• Силовые ключи, MOSFET, IGBT и драйверы затвора;
• Raspberry Pi, Arduino и ESP32 – что выбрать;
• RS-485 – подключение, терминаторы и ошибки;
• ШИМ-сигнал – частота и управление мощностью.