Zastosowanie izolacji galwanicznej pozwala zabezpieczyć urządzenie oraz jego użytkowników przed skutkami oddziaływania wysokiego napięcia, skutecznie połączyć obwody o wysokiej różnicy potencjałów masy oraz ograniczyć propagację zakłóceń w układzie. Izolatory to układy, które uniemożliwiają bezpośredni przepływ prądu elektrycznego pomiędzy obwodami, pozwalając jednocześnie na przepływ energii oraz informacji (sygnału).
Optoizolatory
Izolacja galwaniczna z wykorzystaniem sprzężenia optycznego jest rozwiązaniem znanym już od lat 60. XX wieku. Początkowo realizowana była z pomocą miniaturowych żarówek oraz fotorezystorów, obecnie opiera się przede wszystkim na diodach LED jako źródłach światła oraz różnego rodzaju fotodetektorach, takich jak fotodiody, fototranzystory lub triaki, jako odbiornikach.
Ogólna zasada działania optoizolatora przedstawiona została na rysunku 1 - zmiana natężenia prądu płynącego przez diodę LED powoduje zmianę natężenia emitowanego przez nią strumienia światła padającego na fotodetektor, a w związku z tym zmianę właściwości elektrycznych tego elementu, np. rezystancji.
Optoizolatory nadają się zarówno do izolacji sygnałów stałych, jak i zmiennych o niskiej i średniej częstotliwości. Do czasu opracowania izolatorów cyfrowych były najpowszechniejszym i w zasadzie jedynym dostępnym rozwiązaniem stosowanym w układach elektronicznych małej i średniej mocy.
Jedną z głównych wad optoizolatorów jest zauważalne pogarszanie się parametrów urządzenia z upływem czasu pracy, czyli problem starzenia się elementu. Z wiekiem pogarsza się sprawność diody LED, czyli maleje liczba emitowanych przez nią fotonów (natężenie strumienia światła) przy tej samej wartości natężenia prądu przepływającego przez złącze p-n.
Negatywnie wpływa to na długoterminową stabilność pracy obwodu, szczególnie w przypadku wysokiej temperatury otoczenia. Możliwe jest częściowe ograniczenie tego efektu, m.in. poprzez skracanie czasu życia urządzenia czy obniżenie wartości natężenia prądu wejściowego. Optoizolatory charakteryzują się ponadto dość długim czasem przełączania, przez co nie sprawdzają się w przypadku izolacji sygnałów szybkozmiennych, o prędkości transmisji powyżej 1 Mbps.
Izolatory cyfrowe
Izolatory cyfrowe do transmisji sygnału przez barierę izolacyjną wykorzystują, w zależności od typu układu, sprzężenie magnetyczne lub pojemnościowe. Do głównych zalet tego rodzaju urządzeń zaliczyć można wyższą maksymalną częstotliwość pracy, energooszczędność, mniejszy rozmiar oraz zdolność do pracy w wyższych temperaturach niż w przypadku optoizolatorów.
Branże, w których szczególnie chętnie wykorzystuje się izolatory cyfrowe, to m.in. telekomunikacja oraz motoryzacja. Ich popularność w telekomunikacji wynika przede wszystkim z możliwości izolacji sygnałów szybkozmiennych, zaś w motoryzacji dotyczy głównie pojazdów z napędem elektrycznym lub hybrydowym. Wykorzystywane w tego typu pojazdach akumulatory o wysokim napięciu nominalnym (rzędu 200-400 V) wymagają izolacji galwanicznej poszczególnych obwodów pojazdu, m.in. w celu zapewnienia bezpieczeństwa użytkownikowi.
Choć zamiana optoizolatorów na izolatory cyfrowe pozwala zazwyczaj zmniejszyć rozmiar systemu, jak również poprawić jego energooszczędność, to optoizolatory wciąż cieszą się dużą popularnością wśród konstruktorów i projektantów. Niewątpliwie charakteryzują się większą odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne, jak również niższym poziomem emisji takich zakłóceń niż izolatory cyfrowe. W tabeli 1 przedstawiono krótkie podsumowanie najważniejszych właściwości obu typów izolatorów, ze szczególnym uwzględnieniem różnic pomiędzy nimi.
Standardy bezpieczeństwa urządzeń
Wprowadzenie przez producentów urządzeń standardów bezpieczeństwa oraz wiarygodnych procedur ich testowania ma duże znaczenie dla projektantów wykorzystujących w swoich konstrukcjach tego typu układy. Spełnienie przez układ warunków określonych w specyfikacji standardu daje gwarancję, że dany produkt prawidłowo wypełni swoją funkcję w systemie, często krytyczną z punktu widzenia bezpieczeństwa tego systemu i jego użytkowników. Współcześnie obowiązujące standardy definiujące wymagania dla układów zapewniających izolację galwaniczną to VDE 0884-11 oraz IEC 60747-17.
Podsumowanie
Obecne tendencje rynkowe wskazują na rosnący wzrost zainteresowania izolatorami cyfrowymi jako alternatywą dla optoizolatorów. Jest to spowodowane lepszymi właściwościami izolatorów cyfrowych w takich aspektach jak szybkość przełączania, energooszczędność oraz rozmiar.
Część konstruktorów wciąż wykorzystuje zapewne optoizolatory przede wszystkim z powodu swoich przyzwyczajeń, ponieważ układy te są obecne na rynku od kilkudziesięciu lat, mogą się zatem wydawać bardziej sprawdzonym i bezpiecznym rozwiązaniem. Przekonanie to nie ma jednak uzasadnienia w stanie faktycznym, ponieważ oba typy urządzeń charakteryzują się podobnym poziomem bezpieczeństwa.
Damian Tomaszewski
