מבודדים דיגיטליים מפשטים את התכנון ומבטיחים את אמינות המערכת

“התקני מדידה המשמשים בסביבות תעשייתיות דורשים לעתים קרובות בידוד לשם בטיחות המשתמש והמערכת, וכדי להבטיח מדידות מדויקות בנוכחות מתחי מוד משותף (common mode)גבוהים. מבודדים דיגיטליים מציעים אלטרנטיבה אמינה ונוחה לשימוש לעומת טכנולוגיות ישנות יותר דוגמת המבודדים האופטיים (optocouplers). על-ידי שימוש במבודדים דיגיטליים, המהנדסים יכולים לייטב תכנוני מערכות מבודדות לצורכי צריכת הספק מוקטנת וביצועי מערכת מובטחים מבלי להזדקק לאפיצויות תכנון מוגזמות כדי לפצות על מפרטי התקן חסרים או לא-מלאים”.
מבוא
תכנון מכשירי מדידה מבודדים הוא מאתגר ולעתים מתסכל. קצה סופי (front end) מבודד מגן על המשתמשים נגד מתחים קטלניים הנמצאים במערכות מדידה ומאפשר למהנדסים לבצע מדידות מדויקות בנוכחות מתחי מוד-משותף גבוהים. איור 1 מציג דוגמה טיפוסית של מדידה כזו. במערך תאי דלק או סוללה בעל מתח גבוה, ידיעה על מתחי התאים הבודדים מסייעת להבטיח שהמערכת פועלת בבטחה ומשיגה את חיי הסוללה הארוכים ביותר. כאשר קובעים את המתח של תא יחיד, עלינו למדוד אותו בנוכחות עד מאות אחדות של וולטים של מתח מוד-משותף. מצב דומה נוצר כאשר מודדים את הטמפרטורה של מוליך זרם בעזרת צמד תרמי. בדוגמה זו, על המערכת למדוד רזולוציה של אות במילי-וולטים תוך דחיית רמות גבוהות של רעש 50 הרץ במוד משותף והגנת המפעילים בפני מתחים מסוכנים כלשהם.
מגברי בידוד היוו פיתרון ראשוני לבעיה זו, אך הם התיישנו בשל הצורך במדידות בעלות רוחב-פס ורזולוציה יותר גבוהים. כיום, הטכניקה המדויקת, הכלכלית והיעילה ביותר לביצוע מדידות אלו היא לבודד את הקצה הסופי של המדידה במלואו, כולל הממיר האנלוגי לדיגיטלי (Analog-to-Digital Converter – ADC) ולבצע חיבור טורי לשאר המערכת, כמתואר באיור 1. חיבור זה יכול להיות אפיק מקומי דוגמת SPI, או פרוטוקול תעשייתי דוגמת ה-RS-485 לשם שליחת הנתונים המדודים למרחקים ארוכים ליחידת בקרה.

איור 1 שימוש בקצה סופי מבודד כדי למדוד את המתח של תא יחיד במערך מתח גבוה.

איור 2 זרם ותדר מרבי מותר של ADu344x כדי להבטיח פעולה ללא תקלות

איור 3. אתה יכול לממש ממשק RS-485 מבודד,דו-מגמי מלא בעזרת ADM2682E יחיד

תכנון לאמינות
עד לפני כעשר שנים, צמדים אופטיים היו אחד הפתרונות המעשיים המועטים לשם בידוד אותות דיגיטליים. אולם, שאלו כל מהנדס אשר נאלץ לתכנן בעזרתם ותלמדו במהרה עד כמה מאתגר הוא לפתח מערכת יעילה ואמינה, במיוחד כאשר מנסים למזער את העלויות. צמדים אופטיים משתמשים ב-LED כדי להפיק אור לעבר חסימת בידוד לצורכי הפעלה וכיבוי של הצמד האופטי. כאשר מתכננים עם צמדים אופטיים, עליכם להבטיח שה-LED יפיק מספיק אור כדי להפעיל את הפוטו-טרנזיסטור הקולט, ושזמני העלייה והירידה של המוצא יהיו מהירים דיים כדי לתמוך בפעולה בתדר הרצוי. אחד המפרטים החשובים ביותר של צמד אופטי הוא יחס העברת הזרם (current transfer ratio – CTR). ה-CTR הוא היחס בין זרם הקולט המופיע בפוטו-טרנזיסטור והזרם דרך ה-LED. ל-CTR של צמד אופטי יש לא רק אפיצות טובה מאוד, אלא הוא גם דועך עם הזמן והטמפרטורה. כדי להבטיח שהצמד האופטי יוסיף לפעול אחרי שנות פעילות אחדות, ובטמפרטורות גבוהות, המהנדסים חייבים להניח את ה-CTR הגרוע ביותר האפשרי, דבר שעשוי להיות מאתגר בעצמו, מאחר שדפי הנתונים של הצמד האופטי מפרטים נתוני CTR רק בטמפרטורת החדר. לדוגמה, טבלת המפרטים של צמד אופטי טיפוסי מציינת CTR של 50%-600% ב-25oC. בנוסף, רוב דפי הנתונים כוללים תרשים המראה שה-CTR ב-80oC הוא רק כ-50% מה-CTR ב-20oC. מעשית שום דף נתונים אינו כולל CTR מזערי ב-850C כך שעליך להניח כמה זה עשוי להיות. בנוסף, קיימים מחקרים מסוימים המציגים את הירידה של ה-CTR עם הזמן, אולם זהו מפרט נוסף שלא תמצאו בשום דף נתונים, כך שעליך להחליט כמה תוספי תכנון להוסיף כך שהמוצר הסופי יפעל באופן אמין במהלך חייו הצפויים. תכנון של מעגל בידוד עמיד פירושו שעליך לעשות הנחות הנדסיות רבות, הכוללות פשרות בגין צריכת זרם מוגברת ומהירויות פעולה איטיות יותר כדי להשאיר מספיק שוליים לשם פעולה אמינה במהלך חיי המוצר.
מבודדים דיגיטליים משתמשים באמצעים לא-אופטיים כדי לשלוח נתונים מעבר למחסום הבידוד. לדוגמה, המודדים של Analog Devices משתמשים בטכנולוגיה של מיקרו-שנאים כדי לשלוח פולסים לעבר מחסום הבידוד, והם לא סובלים מתופעות ההתדרדרות בזמן ובטמפרטורה הקיימים בצמדים אופטיים. דבר זה מאפשר לפרסם מדידת הספק מרבית ומזערית, השהיות התפשטות ומפרטי עיוותי פולסים בכל תחום הטמפרטורה המלא של פעולת ההתקן. קיום מפרטים מלאים משחרר מהצורך לבצע בדיקות אפיון נרחבות של הצמדים האופטיים בתנאי הפעולה שלכם לטובת השימוש במידע של דפי הנתונים כדי לחשב את ביצועי המערכת הגרועים ביותר. אתה יכול להביט בפשטות בהשהיות ההתפשטות, העיקומים (skews) וצריכת ההספק המובטחים של המבודדים הדיגיטליים, ולהשתמש בנתונים כדי לחשב את מפרטי התזמון של המערכת הגבוהים ביותר כמו בכל מעגל משולב דיגיטלי תקני. כמו-כן זמינות גם טכנולוגיות לא-אופטיות אחרות, דוגמת הצימוד הקיבולי, הת”ר והמגנטו-רזיסטיבי (שינוי התנגדות החומר על-פי השדה המגנטי) הענק (GMR).
מאחר שמבודדים מגנטיים דיגיטליים צורכים את עיקר הספקם כאשר הם ממותגים ממצב אחד למשנהו, צריכת ההספק עולה עם תדר הפעולה. לכן, ערוצים שהם מושבתים או ממותגים במהירויות מאוד נמוכות, צורכים מעט מאוד הספק. לאחר שהחלטת מה יהיה קצב השעון הטורי עבור יישום מסוים, אתה יכול לתכנן ספק כוח אשר יספק מספיק זרם כדי לתמוך בקצב זה. כאשר מתכננים בעזרת צמדים אופטיים, עליך לוודא שהמעגלים הם תמיד מושבתים אם ה-LED במצב תוק כדי למזער את צריכת ההספק של המערכת.
בעוד טכנולוגיית הצמדים האופטיים הייתה זמינה מזה 30 שנה ויותר, מהנדסים אחדים חוששים עדיין מהמעבר לטכנולוגיית מבודדים חדשה. רוב היצרנים מגישים את מוצריהם לגורמים רגולטוריים לשם אישור, ומראים בבירור על-פי איזה תקנים המבודדים שלהם אושרו. פריטים דוגמת המבודדים האופטיים של Analog Devices משתמשים בפולימיד כמבודד, וזהו אותו החומר המשמש בצמדים אופטיים רבים. במקרים מסוימים, הם נבדקים על-פי אותם תקני בטיחות כמו הצמדים האופטיים, בעוד במקרים אחרים (כמו VDE V 0884-10) פותחו תקנים מיוחדים עבור מבודדים דיגיטליים. לדוגמה, טבלה 1 מראה את אישורי הגורמים עבור משפחת המבודדים ADuM140x.
שיקולים אחרים נוגעים ליכולת המבודדים לעמוד בעליות מתח פתאומיות, ולחסינותם לתופעות מעבר בצורת מתח במוד משותף ושיבושים בשדה המגנטי.
למרבה המזל, בידוד הפולימיד מאפשר למבודדים הדיגיטליים של Analog Devices לעמוד בפרצים של עד 6 קילו-וולט במשך עד 10 שניות. בשל הקיבול הטפילי הנמוך במחסום הבידוד, למבודדים המגנטיים יש חסינות תופעות מעבר של מוד משותף (common mode transient immunity – CMTI) מצוינת בהשוואה לטכנולוגיות אחרות. לדוגמה, לצמדים אופטיים מהירים טיפוסיים יש מפרט CMTI של 1-10kV/fts, בשעה שמבודדים דיגיטליים יכולים לדחות תופעות מעבר במוד משותף של יותר מ-35kV/fts.
הדאגה אודות ההפרעות המגנטיות נראית מוצדקת במבט ראשון, מאחר שמבודדים בעלי מיקרו-שנאים משתמשים בשדה מגנטי כדי להעביר פולסים מעל מחסום הבידוד. ניתן להניח ששדה מגנטי חזק דיו עשוי להפריע לפולסים, וליצור מוצאים מוטעים. אולם, בשל הרדיוס המאוד קטן של השנאים וליבת האוויר שלהם, דרוש שדה מגנטי מאוד חזק או תדר מאוד גבוה כדי ליצור כשל. איור 2 מראה את הזרם והתדר המרביים המותרים שעדיין מבטיחים שהמוצא של מבודד AD344x יישאר ללא תקלות. לדוגמה, יידרש זרם מעל 500 אמפר ב-1 מגה-הרץ 5 ממ’ מההתקן כדי לגרום למוצאים תקולים פוטנציאלית. צירופי העצמה והתדר הדרושים תיאורטית ליצירת מוצא מוטעה הם הרבה מתחת למה שנמדד ברוב הגדול ביותר של יישומים.

פעולה במהירות גבוהה
כאשר מערכות מדידה מבודדות משתמשות בקצבי דגימה גבוהים, בידוד של אפיק טורי בצמדים אופטיים עשוי להוות משימה מסוכנת. הקיבול הטפילי של הפוטו-דיודה במקלט מגביל את המהירות בה צמד אופטי יכול להעביר אותות דיגיטליים. אתה יכול להטעין קיבול זה מהר יותר על-ידי הגברת כמות האור הנובע מה-LED, אך דבר זה מעלה את צריכת ההספק. בנוסף, מעט צמדים אופטיים מציעים יותר משני ערוצים למארז, רק באותו כיוון, והינם כוללים לרוב מפרטי תזמון הקשורים להתאמה בין הערוצים. בעוד הגיוני להניח התאמה טובה בין צמדים אופטיים באותו המארז, היעדר מפרט מודפס פירושו שעליך להניח הנחה הנדסית. כמו במקרה שסומכים על מפרט לא מודפס, רוב המהנדסים הזהירים יעדיפו להשאיר מרווח תכנון רב, תוך תפקוד בביצועים הרבה יותר נמוכים מאשר יומלץ על-ידי דף נתונים כאשר עוסקים בצמד אופטי יחיד.
יתרון נוסף בשימוש במבודדים דיגיטליים הוא שהמוצרים זמינים כהתקנים ארבעה-ערוציים, בעלי מהירות מובטחת של עד 150Mbps. בנוסף, כל יצרני המבודדים הדיגיטליים מספקים מפרטי תאימות ערוץ-לערוץ מובטחים בפרק התזמון של המפרט. לדוגמה, למבודדי ADuM344x של Analog Devices יש אי-תאימות השהיית התפשטות ערוץ-לערוץ של פחות מ-2 ננו-שניות בכל תחום הטמפרטורה הפעיל. במונחים מעשיים, הפירוש הוא שאתה יכול להשתמש במבודדים דיגיטליים במהירויות המצוינות בדפי הנתונים ללא צורך להפחית את קצב המערכת עבור סטיות פריט-לפריט או ערוץ-לערוץ גדולות או בלתי-ידועות.

שילוב
מאחר שטכנולוגיית המבודדים הדיגיטליים תואמת לתהליכי CMOS תקניים, קל יחסית לשלב פונקציות נוספות כדי לפשט את תכנון המערכת. לדוגמה, התקן מדידת צמד תרמי מקובל עשוי להשתמש בצמדים אופטיים אחדים כדי לממש ממשק SPI איטי, בנוסף לשנאי בידוד בעל דרייבר ווסת להזנת הקצה הסופי המבודד. על-ידי שימוש במבודד דיגיטלי בעל ספק כוח משולב מבודד, דוגמת ה-ADuM5401, כל מערכת הבידוד הופכת למעגל משולב יחיד בעל ארבעה ערוצי נתונים והספק מבודד. התוצאה היא אמינות מוגברת וחיסכון עצום במקום על הכרטיס, ובעלויות נמוכות יותר מאשר השימוש במבודדים דיסקרטיים וספק כוח מבודד.
מכשירים רבים כוללים פיתחת RS-485 מבודדת עבור הניטור או הבקרה מרחוק. עד לפני מספר שנים, מימוש פיתחה מבודדת כזו היה דורש לא רק מבודד עבור קווי הנתונים, אלא גם מקמ”ש התואם את האיתות הדיפרנציאלי של RS-485 וספק כוח. איור 3 מראה כיצד מעגל משולב יחיד, דוגמת ה-ADM2642E משלב את כל הפונקציונליות לתוך מארז יחיד.

סיכום
תכנון ציוד מדידה מבודד היוה בעבר משימה יקרה, מאתגרת ולעתים מתסכלת, בשל האתגרים הטכניים הכרוכים בצמדים אופטיים. במהלך השנים האחרונות, ההתקדמות בטכנולוגיית בידוד דיגיטלית הפכה זאת למשימה הרבה יותר פשוטה. העלות הנמוכה, הביצועים המשופרים, קלות השימוש והשילוב שלהם מסייעים למהנדסים לשמור על לוח-הזמנים לפיתוח שלהם. בנוסף, אישורי הגורם הרגולטורי והיכולת לעמוד ברמות גבוהות של הפרעות עושים אותם אידיאליים עבור אורכי חיים ארוכים של המוצר כמקובל במערכות מדידה תעשייתיות.

מאת: Luis Orozco, Analog Devices

Luis Orozco הוא מהנדס יישומי מערכות עבור ה-Industrial and Instrumentation segment של Analog Devices. הוא החל עבודתו לפני שנה והוא אחראי כיום ליישומי מדידה מדויקת ואנליזה כימית. הוא בעל תואר B.S.E.E מ-I.T.E.M.S.