Hur designar man ett bra optokopplat interface?

[Nerre]

Ja, en viktig aspekt med skyddsfunktionerna är ju vilken del av kretsen de ska skydda.

Ska de skydda optokopplaren från att gå sönder eller ska de skydda den anslutna kretsen från att gå sönder vid felinkoppling? (det beror ju oftast på vad som är dyrast eller svårast att laga)

Frågan är också om skyddet ska fungera flera gånger eller om det fungerar med ett skydd som måste bytas/återställas (typ säkring).

[Agwan]

Har funderat lite till och fått några träffar på google. Inga uttömmande svar från komponenttillverkare än. Det bästa svar jag fått hittills är att det främst är USB man skyddar nu för tiden.

Såhär ser iaf min första prototyp till lösning ut:

opto01.png

Skyddat för ESD först från vänster, sedan reverseringsdiod och så en strömstyrning med transistorn. Med den här lösningen så regleras strömmen till dioden med svagt beroende på inspänningen. På så vis skall det gå att mata 5-24 volt in utan extern anpassningsresistor.

Frågan är bara om ESD-skyddet skall sitta bakom resistorn sådär. Jag vill nog ha den längst ut i kedjan direkt på kontakten. Och vad händer vid en ESD-stöt? Skjuter man in den på en pinne och GNDIso inte är ansluten vilket den säkert inte är när man får in en ESD-stöt så lyfter den ju hela kedjan med jorden ut, den isolerade jorden. Så att man får typ 8kV över optokopplaren. Undra om man inte skall ha ESD-skyddsdioden till vanliga jorden. Men vad händer då med isolationen? Den tappar man. Så kanske en ESD-diod mellan jordarna på 2500V, om det finns...

[PF013]

Om du sätter en (högspännings)konding på några nF mellan jordarna så får du laddningsdelning mellan den och den "givande" kapacitansen vid en ESD-puls. Det borde utan problem hålla spänningen nere. Men då får du problemet att den kan laddas upp till ett par kilovolt, och sen ge en ESD-puls som heter duga till utrustningen i andra ändan av kabeln om man kopplar om nåt. Eventuellt kan några MOhm parallellt med kondingen vara acceptabelt. Eller ett gnistgap mellan jordarna, men det är svårt att designa så att det tänder tillförlitligt (om du faktiskt behöver hela optokopplarens spänningstålighet). Om du bara behöver några 100 volt spänningstålighet och optokopplaren tål 2500 så blir det givetvis enklare.

[Agwan]

Ja en konding kanske är bra. Jag är lite osäker på hur skärmningen får se ut regulatoriskt. För etherneten får skärmen inte sitta ihop med jorden i enheten, det måste vara 4mm krypavstånd och lite sånt. Där har vi en konding som håller ihop jordarna. Men för en D-sub med signaler så förväntar man sig nog inte upp mot 100m kabel och därför får man inte samma potentialskillnad mellan skärmningen och jorden. Därför kan nog den skärmen sitta ihop med enhetens jord. Men om man behöver separation så kommer lösningen med kondingen naturligt, vi får göra samma som för etherneten med en konding.

Jag hitta den här diskussionen:http://www.electronicspoint.com/threads ... gnd.96715/
De föreslår dels transiendskyddsdiod inom isolerade systemet och dels över jordarna. Men det som de inte pratar om där är tåligheten på dioden mellan jordarna. Den kan ju inte direkt vara på 24V för då har vi inte isolationen. Utan den behöver vara på över 2kV i mitt fall. Men jag hittar bara upp till 800V. Inte så enkelt som man kan tro med en lite optokopplare.

[Agwan]

Äh, det blir inge bra. Gnistgap är det enda som uppfyller kraven och som PF013 säger så är de svåra att designa. Det enda i kedjan som jag ritat ovan som är känsligt för ESD är FET:en. Så jag tror nästan bästa lösningen är att gå tillbaka till gamla vanliga resistor-transiendskyddsdioe-resistor-opto och helt enkelt skita i om opton ryker. Jag hade hoppats på att kunna få till ett bättre skydd. Men tillverkarna av skyddskomponenter verkar inte ha några bra förslag heller.

[Swech]

Men om du nu har D2 ansluten så öppnar ju den vid 33v så det blir ju inga 8kV över optokopplaren....

Likaså om du nu vet vad du skall ha för spänning in så är väl ett seriemotstånd att föredra
istället för att komplicera allt i onödan.

Swech

[Agwan]

Jo, D2 öppnar, men till vaddå? Jo en jord som också flyter. Hela optokopplarsidan lyfts i potential. Men om man har tillräckligt mycket kapacitans så borde spänningen inte bli så hög, det är ju bara en viss laddning som kommer. Dock så skall det ju fungera med signalhastigheten också.

Och eftersom det är kunden som skall koppla in sig på den här signalen så vet jag inte vilken spänning de vill använda. Jag kan såklart säga att det är 24 volt som gäller, punkt slut. Men jag vill inte komplicera användandet i onödan heller. Jag vill bara sätta in resistans för den lägsta spänning in jag vill tillåta.

[opatagio]

Det skulle iof förenkla ditt åtagande och bevisbörda när grejerna gått sönder om kunden, som exempel likriktat 230VAC och ingången pajar. Bättre designa skyddet för ett absolut max, sedan sänker du med tiotal procent och detta är kundens absoluta max. Annars kan kunden slänga ur sig saker som "Men det står ju vilken spänning som helst! Jag körde ju bara 230V!" och så får man stå för repkostanden/utbyte själv.

[Agwan]

Jo det är ju klart. Jag skall sätta en lägsta spänning in som jag tänker mig att de vill använda. 5V eller kanske tom 3V3. Och så övre typ 24V borde räcka, man har ju inte signalnivåer högre än så normalt.

[Swech]

Men om du nu har 8kv+33V på ena sidan av optokopplaren och 8kv på andra sidan så
är det ju endast 33 volt över optokopplaren i sig.

Det är ju en sluten krets där max spänning är 33V.... oavsett om den är 8kV ovanför
det du väljer att kalla för jord.

Att designa en ingång där man tillåter allt från 1v till 230v är både dyrt och onödigt.
Du kan inte lämna en konstruktion till att vara upp till kunden att ansluta vad den vill
Det får ju finnas gränser

Swech

[Agwan]

Det är ju en sluten krets där max spänning är 33V.... oavsett om den är 8kV ovanför
det du väljer att kalla för jord.

Så är det ju inte riktigt. Optokopplaren är gjord med en max tillåten spänning över barriären. Har man 8kV på diodsidan så kommer det att hoppa i komponenten och bränna sönder saker om det är en 1kV optokopplare.

Men du har helt rätt i att det är onödigt att designa för vad för insignal som helst. Det är lite av det jag frågade om här, vad förväntas när man kopplar in sig på en optokopplare. Och svaret i spänningstålighet är nog 5-24V även om man kan behöva sätta in en extern resistor själv för de högre spänningarna.

[H.O]

I ett projekt jag gjort använde jag TLP280-4, 3k9 förkoppling med LED i serie för indikering, 10k kollektormotstånd till +5V, signalen driver TTL-ingång. Kortet är egentligen gjort för 24V på ingångarna med de fungerar bra med 5V också även om transistorn inte riktigt bottnar. Vid 4.5V in har jag 230mV på kollektorn vilket fortfarande är väl inom gränsen för en "TTL-nolla".

Max diodström är 50mA vilket ger en teoretisk max inspänning på 195V men om någon får för sig att ansluta det så är det förkopplingsmotståndet som ryker (0.5W)....

[Nerre]

Har man 8kV på diodsidan så kommer det att hoppa i komponenten och bränna sönder saker om det är en 1kV optokopplare.

Men det är ju just därför man har optokopplaren.

Ska isoleringen tåla 8 kV så får man välja en optokopplare som tål 8 kV.

Tål optokopplaren bara 1 kV så får man sätta common mode transientskydd som ser till att transienter begränsas till 1 kV (d.v.s. dubbla skydd mot jord).

[Agwan]

Nu blandas delarna ihop lite här. Även om en isolation är gjord för 1kV så är en ESD-urladdning ändå tex 8kV (beroende på krav). Isolationen behöver inte vara gjord för att klara den spänningen men skall ändå helst överleva en sån urladdning. Som PF013 påpekade så ett gnistgap mellan jordarna enda lösningen för att förhindra att det byggs upp en för hög spänning över isolationen, men de är väldigt svårdesignade. En transientskyddsdiod mellan jordarna förstör isolationen och finns inte i över 1kV.

Som jag ser det är en kapacitans stor nog för att ta ner spänningen från 8kV till under isolationsspänningen enda lösningen förutom det allra enklaste att helt enkelt skita i det.

[Nerre]

Isolationskrav ska ta hänsyn till transienter. Det är därför t.ex. isolation för nätspänning kräver minst 3 mm luftavstånd och 6 mm krypavstånd. Man brukar säga 1 mm/kV, så för 230 V skulle det räcka med 0,23 mm luftavstånd. Man designar alltså isolationen med hänsyn till den transientnivå som kan förekomma, för nätspänning räknar man alltså med transienter på upp till 3 kV.