Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №7

Применение герметичных оптронов в военной и космической электронике

Хан Джемшед Намдар


Особо важные отрасли, предъявляющие строгие требования к надежности (космос, авиация, вооруженные силы, флот), всегда полагаются на высоконадежные герметичные компоненты. В этом случае слишком велики риски, связанные с применением пластмассовых электронных компонентов в жестких условиях эксплуатации, когда компоненты могут подвергаться воздействию экстремальных температур, влажности, радиации, ударных нагрузок и ускорений. Устройства с оптической развязкой (оптопары, оптроны), обеспечивающие передачу данных с гальванической развязкой, существуют уже 30 лет.

Окончание. Начало в № 6'2010.

Измерение тока посредством аналогового усилителя с оптической развязкой

Помимо требований к цепи управления затвором инвертора, второй существенной трудностью при разработке приводов электродвигателей является измерение фазного тока электродвигателя, токов шин и других аналоговых параметров, таких как температура и напряжение. При этом, как правило, выполнять все эти измерения необходимо через тот или иной безопасный развязывающий барьер. В настоящее время применяется три основных метода:

  1. Токовые трансформаторы.
  2. Датчики тока на эффекте Холла.
  3. Аналоговые датчики с оптической развязкой.

Каждый из этих методов обладает своими достоинствами и недостатками. Поэтому проектировщику следует выбрать решение, которое максимально снижает общую стоимость, оптимизирует производительность и надежность, уменьшает пространство монтажа на печатной плате и при этом отвечает требованиям точности и линейности.

В основе аналогового развязывающего усилителя HCPL-7850 лежит сигма-дельта АЦП, оптически связанный с интегральными выходными ЦАП. Аналоговые развязывающие усилители характеризуются очень высокой степенью подавления синфазной помехи (CMR), которая зачастую просто необходима в современных быстродействующих электронных приводах электродвигателей. Кроме того, они имеют высокое напряжение развязки по оптическому каналу передачи сигнала со входа на выход. Измеряемое напряжение поступает на вход развязывающего усилителя с низкоомного резистора, параллельно соединенного с входными контактами. Аналоговая линейность гарантирована в максимальном диапазоне входных напряжений ±200 мВ. Выходной сигнал развязывающего усилителя представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное входному напряжению.

Блок-схема развязывающего усилителя приведена на рис. 9. Входной сигнал дискре-тизируется на высокой частоте с помощью стабилизированного дифференциального усилителя постоянного тока с модуляцией и демодуляцией, входящего в состав сигма-дельта усилителя. Высокоскоростное измерение входного напряжения обеспечивается за счет высокой частоты дискретизации (обычно в интервале от 6 до 10 МГц). Тем самым гарантируется непрерывное соблюдение критерия Найквиста при высокочастотных входных сигналах.

Блок-схема аналогового усилителя с оптической развязкой HCPL-7850

Рис. 9. Блок-схема аналогового усилителя с оптической развязкой HCPL-7850

Сигма-дельта модулятор преобразует аналоговый входной сигнал в высокоскоростной последовательный поток битов, среднее по времени значение которого прямо пропорционально входному сигналу. Затем этот поток цифровых данных шифруется и передается по оптическому каналу на детектор. Детектированный сигнал дешифруется и снова превращается в аналоговый сигнал, который после фильтрации поступает на выход. На рис. 10 изображена типовая схема применения данного усилителя для измерения фазных токов электродвигателя.

Типовая схема измерения тока на базе усилителя HCPL-7850

Рис. 10. Типовая схема измерения тока на базе усилителя HCPL-7850

Входной сигнал снимается с прецизионного низкоомного резистора с малой индуктивностью и малым ТКС, включенного параллельно входным контактам. Установленный на входе фильтр низких частот (резистор 39 Ом и конденсатор 0,01 мкФ) подавляет высокочастотные шумовые составляющие и устраняет эффекты наложения спектров. Дифференциальный усилитель преобразует дифференциальный выходной сигнал развязывающего усилителя в напряжение относительно общего провода, совместимое с АЦП микроконтроллера. Полосу пропускания дифференциального усилителя можно регулировать с помощью RC-фильтра в цепи обратной связи, установив как можно более узкую полосу пропускания. В случае необходимости можно свести к минимуму уровень шума на выходе.

Для измерения постоянного тока шины, переменного фазного тока, напряжения на шине, температуры (в виде напряжения с датчика температуры на радиаторе IGBT или IPM), а также для компенсации ЭДС электродвигателя (только с бесщеточными электродвигателями постоянного тока) можно использовать оптрон HCPL-7850. На рис. 10 приведен пример применения оптрона HCPL-7850 для измерения фазного тока электродвигателя. На рис. 11 показано, как с помощью подходящего делителя напряжения на входе (понижающего измеряемое напряжение до уровня менее 200 мВ) можно измерять напряжение на шине или компенсировать ЭДС бесщеточного электродвигателя постоянного тока.

Типовая схема измерения напряжения на базе усилителя HCPL-7850

Рис. 11. Типовая схема измерения напряжения на базе усилителя HCPL-7850

Значение R1 должно быть менее 1 кОм, чтобы входные импеданс (280 кОм) и ток (типовое значение 1 мкА) усилителя HCPL-7850 не создавали смещений и не вносили погрешностей в результаты измерения. Входной блокировочный конденсатор емкостью 0,01 мкФ по-прежнему необходим, а резистор 39 Ом можно не устанавливать, поскольку функцию фильтра нижних частот вместо него будет выполнять резистор делителя напряжения.

Измерение пороговых напряжений с помощью оптронов HCPL-5761 или HCPL-5760

В электронных системах обратной связи и управления часто возникает необходимость сопряжения высоковольтной цепи переменного или постоянного тока (например, с переменным напряжением 110/240 В или выше) и низковольтного логического интерфейса управления с логическими уровнями 5 В (ТТЛ/КМОП-логика) или 3,3 В. В этой ситуации первое побуждение проектировщика — каким-то образом развязать между собой высоковольтную и низковольтную цепи. Традиционно развязка обеспечивалась с помощью трансформаторов, электромеханических реле и конденсаторов. Однако оптроны обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными формами развязки: в частности, это малые размеры, высокая надежность и более широкий диапазон рабочих частот (нижняя граница вплоть до постоянного тока; верхняя граница — а следовательно, и быстродействие — существенно выше, чем у перечисленных выше технологий).

При реализации интерфейса между двумя цепями часто желательно установить фиксированный порог переключения (напряжение или ток). Иными словами, имеет смысл установить точное значение порогового уровня входного сигнала, которое будет считаться соответствующим логическому значению «истина». Оптрон HCPL-5761 позволяет проектировщику задать конкретный пороговый уровень переключения, подобрав надлежащим образом всего один внешний резистор. Этот порог можно задавать для детектирования как постоянного, так и переменного напряжения.

Вход HCPL-5761 состоит из двухполупери-одного мостового выпрямителя, интегральной схемы порогового детектора с гистерезисом для обеспечения высокой помехоустойчивости и светодиода с высоким КПД, как показано на рис. 12. Детектор, или выходной каскад, состоит из интегрального фотодиода, выходной сигнал с которого поступает на усилитель с высоким коэффициентом усиления, выполненный по схеме Дарлингтона с открытым коллектором.

Блок-схема порогового детектора переменных и постоянных напряжений на HCPL-5761

Рис. 12. Блок-схема порогового детектора переменных и постоянных напряжений на HCPL-5761

Выход совместим с ТТЛ- и КМОП-логикой и работает при значениях VCC от 18 до 3 В. Минимальный уровень подавления синфазной помехи, равный 1000 В/мкс, обеспечивает великолепную помехоустойчивость. Гарантированное постоянное напряжение развязки между входом и выходом (II-O) составляет 1500 В.

В качестве примера применения оптрона HCPL-5761 предположим, что требуется контролировать постоянное напряжение шины, равное 400 В, а за пороговый уровень входного сигнала, соответствующий логическому значению «истина», принимается 360 В. Схема на базе оптрона HCPL-5761 изображена на рис. 13.

Детектирование постоянного напряжения на шине с помощью оптрона HCPL-5761

Рис. 13. Детектирование постоянного напряжения на шине с помощью оптрона HCPL-5761

Паспортные характеристики, которые необходимо учесть для надлежащей установки порогов, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Пороговые уровни входного сигнала для HCPL-5761 (постоянный ток)

Параметр Обозначение Условия Значение
min типовое max
Пороговый входной ток, мА ITH+ VIN = VTH+; VCC = 4,5 В VO = 0,4 В, IO ≥ 2,6 мА 1,75 2,5 3,2
Пороговый входной ток, мА ITH+ VIN = VTH-; Vcc = 4,5 В VO = 2,4 В, IO ≤ 250 мкА 0,93 1,3 1,62
Пороговое входное постоянное напряжение (контакты 2, 3), В VTH+ VIN = V2 - V3; контакты 1 и 4 разомкнуты VCC = 4,5 В, VO = 0,4 В; IO ≤ 2,6 мА 3,18 3,6 4,1
Пороговое входное постоянное напряжение (контакты 2, 3), В VTH+ VIN = V2 - V3; контакты 1 и 4 разомкнуты VCC = 4,5 В, VO = 2,4 В; IO ≤ 250 мкА 1,9 2,5 3

Предположим, что мы планируем использовать оптрон HCPL-5761 для порогового детектирования постоянного напряже-

ния на шине в приводе электродвигателя. Оптрон будет считывать постоянное напряжение с высоковольтной шины 400 В и передавать соответствующий цифровой сигнал на микроконтроллер, управляющий работой электродвигателя.

Контролируемое постоянное напряжение на шине равно 400 В (Vpeak). Выбранный порог переключения V+ равен 360 В. Типовые уровни входного сигнала HCPL-5761:

  • VTH+ = 3,6 В;
  • VTH_ = 2,5 В;
  • ITH+ = 2,5 мА;
  • ITH- = 1,3 мА;
  • VIHC3 (входное напряжение ограничения) = =12 В.

Теперь рассчитаем сопротивление внешнего резистора RX, необходимое для того, чтобы установить требуемый порог переключения 360 В. Формула для расчета такова:

Rx = (V_-VTH+)/(ITH+) = (360-3,6)/(2,5) = 142,56 кОм.

В целях повышения устойчивости к синфазным помехам и установления равного импеданса на сторонах входных контактов 2 и 3 рекомендуется разделить это сопротивление на две равные части и к каждому из входных контактов подсоединить резистор половинного сопротивления RX/2 (71,28 кОм).

Результирующий нижний пороговый уровень (V-) ввиду гистерезиса входной цепи HCPL-5761 рассчитывается по формуле:

V_=ITH-*RX+VTH- = 1,3x142,56+2,5 = 187,828 В.

Теперь необходимо определить необходимую мощность внешнего резистора (RX). Максимальная мощность, рассеиваемая на RX, зависит от того, какое из приведенных ниже неравенств выполняется (VIHC3 — это входное напряжение ограничения для случая с постоянным входным напряжением):

V+/Vpeak> VTH+/VIHC3, (VIN не будет ограничиваться);

V+/Vpeak < VTH+/VIHC3, (VIN будет ограничиваться).

Так как 360/400 > 3,6/12, входное напряжение ограничиваться не будет.

Вход оптрона HCPL-5761 эквивалентен сопротивлению 1000 Ом, последовательно соединенному с источником напряжения смещения 1 В. Если выходы переменного напряжения (1, 4) оставить без соединения, как в данном примере, постоянное входное напряжение можно увеличить до 12 В (два напряжения стабилитрона), прежде чем начнет ограничиваться входное напряжение (VIHC3). Соответственно, консервативную оценку максимальной мощности, рассеиваемой на RX, при отсутствии демпфирования на входе (пренебрегая входным напряжением смещения) можно получить следующим образом:

PRX = [ Vpeak*(RX/(RRX+1)]2/RX= [400*(142,56/(142,56+1)]2/142,56 = 1,1 Вт.

Чтобы остался некоторый запас, рекомендуется использовать резистор мощностью 1,25 Вт. Если выполняется неравенство для случая ограничения, рассеиваемую мощность можно легко рассчитать по следующей формуле:

PRX = [Vpeak-VIHC]2/RX = [400-12]2/142,56 = 1,056 В.

Чтобы обеспечить функционирование схемы с соблюдением предельно допустимых параметров HCPL-5760, необходимо вычислить максимальные входные ток и мощность. В случае ограничения входного напряжения:

IIN = ( Vpeak-VIHC)/RX < IIN(max) =(400—12)/142,56 = 2,3 мА < 15 мА (max),

PIN = (VIHCxIN) < PIN(max) = 12x2,3 = 27 мВт < 195 мВт (max).

Поскольку выходной каскад оптрона HCPL-5761 выполнен по схеме с открытым коллектором, для ее переключения необходим нагрузочный резистор. Сопротивление нагрузочного резистора 1,8 кОм соответствует коэффициенту усиления и коэффициенту передачи тока оптрона при Vcc на выходе, равном 5 В.

Если входное напряжение переменное, для порогового детектирования используются входы переменного напряжения оптрона HCPL-5761. Допустим, требуется контролировать сеть переменного тока (115 Вэфф), а пороговый уровень равен 60% от Vpeak. Здесь уровень в 60% выбран так, чтобы обеспечить достаточный запас по шумам, так как напряжение в сети переменного тока может колебаться в пределах ±15% от номинальных значений.

Контроль напряжения в сети переменного тока с помощью оптрона HCPL-5761

Рис. 14. Контроль напряжения в сети переменного тока с помощью оптрона HCPL-5761

Для случая порогового детектирования переменных напряжений имеем следующее:

  • паспортные входные пороги HCPL-5761:
    • VTH+= 5,0 В;
    • VTH- = 3,7 В;
    • ITH+ = 2,5 мА;
    • ITH- = 1,3 мА;
    • VIHC2 = 6,6 В;
  • номинальное напряжение сети = 115 В;
  • пиковое переменное напряжение = 1,414*115 = 162,61 В (Vpeak);
  • выбранный порог (V+)= 60%*162,6 = 97,56 В.

Как и прежде, сопротивление внешнего резистора, требуемое для установления мгновенного порога переключения 97,6 В (пик.), равно:

RX = (V+ - VTH+)/ITH+ = (97,6-5)/2,5 = 37 кОм

(на каждом входном контакте устанавливаем резистор RX/2 = 18,5 кОм, 1%).

Результирующее нижнее пороговое напряжение равно:

V_ = (ITH-*RX)+VTH- = (1,3*37)+2,5 = 50 В.

И снова необходимо вычислить максимальную мощность, рассеиваемую на RX, и определить, будет ли ограничиваться входное напряжение. Необходимо также убедиться, что максимальный входной ток и максимальная входная мощность не превышают соответствующих предельных паспортных характеристик оптрона HCPL-5761. В данном случае V+/Vpeak < VTH+/VIHC2 [97,6/162,6 < 3,6/6,6].

Входное напряжение будет ограничиваться. Рассчитаем теперь входной ток:

IlN = (Vpeak-VIHC)/RX = (162,6-6,6)/37 = 4,21 [мА] < 15 мА (max).

Рассеиваемая на входе мощность вычисляется по следующей формуле:

PIN = VIHC*IIN = 6,6*4,2= 27,72 мВт < 195 мВт (max).

Наконец, рассчитаем мощность, рассеиваемую на резисторе:

PRX = [ Vpeak- VIHC]2/RX (при ограничении входного напряжения) = [162,6-6,6]2/131 = 0,66 Вт.

Таким образом, если вместо RX установить на каждом из входных контактов по одному резистору половинного сопротивления (RX/2 = 18,5 кОм), то каждый из них должен иметь мощность 0,5 Вт.

Применение оптронов на мощных полевых МОП-транзисторах (HSSR-7111 и HSSR-7110)

HSSR-7111 — однополюсный нормально разомкнутый оптрон с выходным каскадом на мощных полевых МОП-транзисторах, имеющий очень малое сопротивление во включенном состоянии и работающий в точности как полупроводниковое реле. Для HSSR-7111 имеется две схемы включения. В схеме A выходной сигнал снимается с контактов 8 и 5, и максимальное сопротивление во включенном состоянии равно 1 Ом. Эта схема включения носит также название схемы переменного и постоянного тока. В схеме B два выхода соединяются параллельно: контакт 5 соединяется с контактом 8, а общим проводом служит контакт 6 или 7 (контакты 6 и 7 соединены внутри оптрона). Максимальное сопротивление во включенном состоянии равно всего 1 Ом. Схема B носит также название схемы постоянного тока. Одно из преимуществ схемы B — вдвое большая максимально допустимая нагрузка по току по сравнению со схемой A. Например, средний абсолютный максимальный ток в схеме A равен 0,8 А, а в схеме B — 1,6 А.

Этот оптрон обеспечивает громадные преимущества по сравнению с традиционным электромеханическим реле. Внутри него нет механических, электромагнитных или подвижных частей. Каждый оптрон состоит из двух выходных полевых МОП-транзисторов и матрицы оптических детекторов, связанных с цепью на полевых транзисторах, управляющей затворами мощных выходных транзисторов. Входом оптрона является светодиод с высоким КПД. Оптическая полость заполнена прозрачным материалом с высокой диэлектрической прочностью на основе силикона, который обеспечивает оптическую развязку между входным и выходным каскадами оптрона. Упрощенная схема оптрона приведена на рис. 15.

Упрощенная схема оптрона на мощных полевых МОП-транзисторах HSSR-7111

Рис. 15. Упрощенная схема оптрона на мощных полевых МОП-транзисторах HSSR-7111

Основные преимущества этих оптронов по сравнению с традиционными электромагнитными реле заключаются в следующем:

  • отсутствие дребезга контактов, бесшумное замыкание;
  • отсутствие чувствительности к ударным нагрузкам, вибрации и положению монтажа;
  • отсутствие механизмов электромагнитного износа;
  • неограниченное число замыканий контактов;
  • длительный срок службы и чрезвычайно высокая надежность;
  • крайне малый входной ток для включения;
  • отсутствие необходимости обеспечивать минимальный ток для «смачивания» контактов.

Для замыкания выходных полевых МОП-транзисторов оптронов HSSR-7111 и HSSR-7110 достаточно входного тока всего в 5 мА. Максимальное напряжение включения светодиода составляет 1,7 В, а в выключенном состоянии минимальное выдерживаемое напряжение равно 90 В. При больших входных токах (максимум 20 мА) можно получить несколько меньшее время переключения. Данный оптрон имеет очень малый порог включения, поэтому для полного его выключения необходимо, чтобы входной ток светодиода равнялся нулю. Один из способов гарантировать полное выключение — сделать так, чтобы входное напряжение на светодиоде в выключенном состоянии было меньше 0,6 В. Это обусловлено тем, что светодиод начинает проводить ток при напряжении около 0,9 В, а при напряжении 0,6 В и менее ток через него будет равен нулю.

Когда светодиод включен, излучаемый им свет регистрируется фотодиодной матрицей, обозначенной как «фотоэлектрический генератор» на рис. 15. Эта матрица преобразует оптическое излучение в напряжение и ток, достаточные для срабатывания цепи на полевых транзисторах, управляющей затворами выходных полевых МОП-транзисторов. Питание ключа на полевых МОП-транзисторах полностью обеспечивается за счет электроэнергии, вырабатываемой фотодетектором: никаких внешних источников питания не требуется.

На рис. 16 показана простая схема формирователя входного тока на базе логического КМОП-вентиля на напряжение 5 В. Резистор R1 необходим для задания входного тока в установившемся состоянии; номинальный входной ток 10 мА достигается при R1 = 330 Ом. Сопротивление резистора R2 выбрано равным 1200 Ом. Важно, что в выключенном состоянии напряжение на светодиоде не должно превышать 0,6 В, иначе даже слабый (порядка микроампер) ток, протекающий через светодиод, может привести к замыканию выходного транзисторного ключа. Назначение резистора R2 — обеспечивать альтернативный путь утечки тока для КМОП-вентиля, а также удерживать напряжение на светодиоде в выключенном состоянии на уровне менее 0,6 В. Резистор R3 и конденсатор C нужны только в случае, если необходимо обеспечить начальный пиковый ток для более быстрого включения. При сопротивлении R3, равном 330 Ом, начальный пиковый ток составляет 20 мА; далее ток устанавливается на уровне 10 мА с постоянной времени, определяемой значением КС. Значение тока в установившемся состоянии определяется исключительно R1. Если выбран пиковый ток, имеет смысл использовать два параллельно соединенных КМОП-вентиля для увеличения потребляемого тока.

Рекомендуемая схема управления оптроном HSSR-7111

Рис. 16. Рекомендуемая схема управления оптроном HSSR-7111

На рис. 17 показано, как можно применить оптрон для управления лампами. HSSR-7111 часто используется для управления лампами в технологическом оборудовании, навигационной аппаратуре, световых вывесках и индикаторах состояния. На самолетах, подводных лодках и кораблях этот оптрон может управлять лампами освещения салона, подсветки приборов, предупреждающими индикаторами или индикаторами состояния. Особенно полезны данные оптроны в сравнении с электромагнитными реле при эксплуатации в жестких условиях (например, в авиационной, космической и спутниковой аппаратуре), так как они устойчивы к ударным нагрузкам, вибрации и электромагнитным помехам.

Управление лампами или мощными нагрузками с помощью оптрона HSSR-7111

Рис. 17. Управление лампами или мощными нагрузками с помощью оптрона HSSR-7111

Часто возникает необходимость использовать устройство с оптической развязкой для управления работой электромагнитного реле. Может, например, случиться, что ток или мощность нагрузки, которой требуется управлять, существенно выше, чем обеспечивает оптрон HSSR-7111. В таких случаях его можно эффективно использовать для управления входным током электромагнитного реле. На рис. 18 показан оптрон, управляющий входной катушкой электромагнитного реле, которое представляет собой мощную индуктивную нагрузку. Поскольку индуктивные нагрузки могут давать очень сильные броски напряжения и тока при выключении, настоятельно рекомендуется при работе на такие нагрузки включать параллельно выходу оптрона предохранительное устройство. Для защиты контактов оптрона от бросков напряжения и тока следует использовать такие компоненты, как металл-оксидные вари-сторы (MOV) или полупроводниковые ограничители напряжения TranZorb.

Оптрон HSSR-7111, управляющий работой электромагнитного реле

Рис. 18. Оптрон HSSR-7111, управляющий работой электромагнитного реле

Электродвигатели — еще один пример мощных индуктивных нагрузок. Оптрон можно использовать для управления выключением или замедлением вращения небольших маломощных электродвигателей. Схема управления реверсом синхронного электродвигателя переменного тока показана на рис. 19. В электродвигателях, рассчитанных на частое включение и выключение, ток должен включаться и выключаться на циклической частоте. В таких случаях предпочтительнее использовать полупроводниковые реле, так как они обладают большей устойчивостью к индуктивным броскам по сравнению с электромагнитными реле и не создают ЭМП. Эти оптроны применяются также для управления небольшими электродвигателями постоянного тока, например в аудио- и видеоаппаратуре, бытовой и автомобильной электронике.

Применение оптрона HSSR-7111 для управления реверсом электродвигателя

Рис. 19. Применение оптрона HSSR-7111 для управления реверсом электродвигателя

Распространенное конструктивное требование к контрольно-измерительным приборам и аппаратуре состоит в том, чтобы коэффициент усиления операционного усилителя в аналоговых схемах устанавливался посредством реле. На рис. 20 показана установка коэффициента усиления операционного усилителя с помощью оптрона. В этой схеме использованы такие преимущества оптрона, как низкое сопротивление во включенном состоянии, малое напряжение смещения и пренебрежимо малая нелинейность замкнутых контактов.

Применение оптрона HSSR-7111 для установки коэффициента усиления операционного усилителя

Рис. 20. Применение оптрона HSSR-7111 для установки коэффициента усиления операционного усилителя

Полупроводниковые реле широко используются в телекоммуникационной отрасли (рис. 21). В частности, в схемах включения-выключения абонента, испытательном и ремонтном оборудовании, мини-АТС, телефонных узлах и импульсных номеронабирателях. Назначение схемы абонентского коммутатора — соединение или разъединение телефонного аппарата с мини-АТС. При входящем или исходящем вызове выход оптрона включается для замыкания проводников телефонной линии. В таких телекоммуникационных схемах необходимо использовать защитное устройство (например, металл-оксидный варистор) из-за возможных перенапряжений на линии, вызванных ударами молнии. Другие примеры применения данного оптро-на в телекоммуникационной отрасли — подключение к линиям испытательного оборудования для диагностики, мультиплексирование входящих сигналов и кросс-коммутация на телефонных станциях.

Применение оптрона HSSR-7111 в телефонном коммутаторе

Рис. 21. Применение оптрона HSSR-7111 в телефонном коммутаторе

Радиационно-устойчивые герметичные оптроны компании avago Technologies

Герметичные оптроны производства Avago Technologies нельзя охарактеризовать как «радиационностойкие», но они зарекомендовали себя как весьма устойчивые к большинству эффектов радиации. В оптронах Avago используются детекторы на интегральных фотодиодах, в то время как во многих оп-тронах других производителей применяются фототранзисторы. Фотодиодная конструкция позволяет использовать меньшую глубину диффузии и меньшую площадь базы транзистора. В оптронах на базе фототранзисторов площадь базы делается как можно большей для улучшения оптической связи. Такая схема делает оптрон уязвимым для радиации. При одном и том же уровне радиации устройство с меньшей площадью пораженной области пострадает в меньшей степени.

Одиночные переходные процессы (Single Event Transients, SET) под действием протонов весьма нередки в быстродействующих оптронах, например в изделиях семейств 6N134/HCPL-56xx и HCPL-54xx. Это неудивительно, так как фотодиоды являются превосходными детекторами частиц. Ввиду высокой пропускной способности (более 400 кбит/с) некоторых фотодиодов отдельные переходные процессы на входе вызывают соответствующие переходные процессы на выходе, однако существуют методы обхода этой проблемы (например, повысить Vcc или использовать оптрон в инвертирующем режиме вместо неинвертирующего — в зависимости от того, в каком случае достигается меньшая чувствительность). В приложениях, где требуется меньшая скорость передачи данных или пропускная способность, рекомендуется применять менее интегрированные и более простые оптроны, например из семейств 4N55 или 6N140A. Высокая устойчивость данного семейства к одиночным переходным процессам — великолепный пример фильтрующей способности усилительного каскада более медленных оптронов.

Большая часть герметичных оптронов была подвергнута испытаниям на воздействие радиации с суммарной дозой излучения до 200 крад. В ходе испытаний изделия продемонстрировали высокую степень устойчивости к радиации. За исключением устройств «релейного» типа (HSSR-711x), характеристики всех устройств соответствовали паспортным после воздействия дозы излучения 200 крад. Полевые МОП-транзисторы, используемые в оптронах семейства HSSR-711x, имеют низкое пороговое напряжение, для чего толщина оксидного слоя затвора должна быть мала. При такой конструкции значительная утечка начинается после воздействия суммарной дозы излучения до 30 крад.

За прошедшие несколько лет компания Avago Technologies предприняла координированные усилия по сбору данных о радиационной устойчивости герметичных оптро-нов собственного производства. Эти данные, описывающие главным образом отклик на облучение фотонами (гамма-лучами) и элементарными частицами (протонами и электронами), подкрепляют нашу уверенность в высокой радиационной устойчивости интегральных схем Avago Technologies, обусловленной конструктивными особенностями. Большая часть этих данных разрешена к передаче клиентам.

Заключение

Компания Avago Technologies предлагает широкий ассортимент современных высоконадежных герметичных оптронов общего и специального назначения. Оптроны используются главным образом для подавления помех и развязки от высоковольтных цепей. Имеется ряд специализированных герметичных оптронов для различных нужд, в том числе для высокоскоростной цифровой передачи данных, обратной связи в импульсных источниках питания и управления интеллектуальными модулями питания (IPM) в приводах электродвигателей. Также в ассортимент входят аналоговые оптроны для измерения токов и напряжений и оптроны на мощных полевых МОП-транзисторах для переключения мощных нагрузок и коммутации в телекоммуникационной аппаратуре. По результатам проведенных обширных радиационных испытаний эти герметичные оптроны продемонстрировали устойчивость к высоким уровням радиации, и при учете соответствующих конструктивных соображений они пригодны для эксплуатации в жестких условиях.

На весь ассортимент продукции имеются стандартные чертежи микросхем DSCC (Defense Supply Center Columbus). Компания Avago Technologies зарегистрирована под шифром QML-38534 как поставщик устройств классов H (высокая надежность) и K (высочайшая надежность). Все эти устройства, в том числе вся линейка устройств в стандартном исполнении, считаются «готовыми коммерческими изделиями без доработок» (Commercial Off the Shelf, COTS) в соответствии с определением DSCC.

Литература

  1. Gray P. R., Meyer R. G. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits. John Wiley and Sons, Inc., 1984.
  2. Horowitz P., Hill W. The Art of Electronics. Cambridge University Press, 1989.
  3. Khan J. N. Optocouplers For Variable Speed Motor Control Electronics in Consumer Home Appliances // Conference Proceeding, 2000. Appliance Manufacturer Conference and Expo (AMCE).
  4. Plant D., Walters M. Isolation Amplifiers: Isolation for Sense Resistor Applications // Principles of Current Sensors, Powersystems World, 1997.
  5. Khan J. N. Regulatory Guide to Isolation Circuits. Hewlett-Packard Publication. No 5965-5853E. 1997.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке