GALVANİK İZOLASYONUN VAZGEÇİLMEZİ -OPTOKUPLÖR-
Bir elektronik sistemde izolasyona birçok nedenle ihtiyaç duyulabilir. Bu nedenlerden başlıcaları;
- Yüksek gerilim ve düşük gerilimin iç içe olduğu sistemlerde katmanlar arası gerekli izolasyonu sağlamak,
- Ana sistemi beklenmedik yüksek gerilim, impulse ve dalgalanmalardan korumak, kablolama sistemi üzerinde oluşan elektromanyetik girişimlerden sistemi korumak (EMC),
- Sistemde oluşan elektromanyetik etkilerin, sistemin bağlı olduğu şebeke ve aynı şebekede çalışan diğer cihazlar üzerinde olumsuz bir etki yapmasının önüne geçmek (EMI),
- İnsan eli temasının yoğun olduğu uygulamalarda ESD etkisini sistem dışında tutmak, iki farklı sistemin topraklarının birleştirilmesinin mümkün olmadığı(toprak döngüsü varlığı)durumlarda, geri besleme uygulamalarında.
- Endüktif yüklerin sürülmesinde oluşacak Ters EMK’ nın sistem üzerindeki etkilerini yok etmek,
- İki farklı sistemin topraklarının birleştirilmesinin mümkün olmadığı ( toprak döngüsü varlığı ) durumlarda,
- Sensör, Encoder, Pals Üreteci gibi harici sinyal üreteçlerinin tümüyle izole olarak sisteme dahil edilmesi uygulamalarında,
- Farklı gerilim seviyelerinde yapılan geri besleme uygulamalarında.
Galvanik izolasyon teknikleri;
- Optik İzolasyon Tekniği (Optical Isolators)
- Transformatörlü İzolasyon Tekniği (Inductive Isolators)
- Dijital (Kapasitif) İzolasyon Tekniği
Galvanik İzolatörler
Yazımın konusu optik izolasyon tekniği olmasına rağmen trafolu izolasyon ve dijital (kapasitif) izolasyonun da ne olduğundan kısaca bahsetmek istiyorum.
Endüktif İzolatörler :
Basit bir anlatım ile yalıtım transformatörüdür denilebilir. Bildiğiniz gibi transformatörlerde giriş ve çıkış sargıları arasında elektriksel bir bağlantı bulunmaz. Bu yalıtım, sargıların sarıldığı nüve ile de sağlanmıştır. Giriş sargısına AC bir gerilim uygulandığında, gerilimin sürekli yön ve şiddeti değiştiğinden, oluşturduğu manyetik alanında yönü ve şiddeti sürekli değişir. Sonuçta çıkış sargılarında alternatif bir gerilim endüklenir. Girişe DC gerilim uygulandığında da manyetik alan oluşur ancak yönü ve şiddeti değişmediğinden çıkış sargısında bir endüklenme gerçekleşmez. Bu sebepledir ki transformatörlü izolasyonlarda AC gerilim kullanılmak veya kullanım öncesi AC gerilime dönüştürmek zorunluluğu vardır. Anahtarlamalı izole güç kaynaklarında, DC/DC dönüştürücülerde, yüksek gerilim izolasyon projelerinde karşımıza çıkarlar. Yapısal olarak büyük bileşenler olduklarından tasarımlarda daha fazla yer kaplarlar. Bu nedenle kısıtlı alana sahip projelerde tercih edilmezler.
Dijital (Kapasitif) İzolatörler :
Dijital izolatörler, adından da anlaşılacağı gibi dijital kullanımlara uygun olarak geliştirilmiş izolasyon çözümleridir. Yani On-Off Mod çalışırlar. Girişte sunulan gerilim seviye değişimleri çıkışa aktarılamaz. Bu sebeple analog çözümlerde kullanılmazlar. Optik izolatörlerden en temelde bu yönüyle ayrılırlar. Ancak dijital uygulamalarda optik izolatörlerin yerini kesinlikle almışlardır. Daha küçüklerdir, çevresel bileşenlere ihtiyaç duymazlar, daha yüksek izolasyon sağlayabilirler ve en önemlisi çok çok daha hızlıdırlar (up to 200 Mbps).
Dijital İzolatörler
Kapasitif dijital izolasyon, endüstrideki en yüksek dielektrik yalıtım malzemesi olan Silikon Dioksit (SiO2) kullanılarak elde edilir. İzolasyon değerinin yüksek olması çok daha küçük mesafelerde, çok daha yüksek izolasyon değerleri sunabilmesini sağlar. ( ~500Vrms / um) Kapasitif dijital izolatörler için kullanılan iki temel mimari vardır ancak detaylarına bu yazıda değinmeyeceğim. Basit olarak bu mimariler On-Off Keying Modülasyon (OOK) ve Kenar Tabanlı (Edge Based) mimarisidir. Giriş sinyalini frekans modülasyonu ile yüksek voltaj kapasitif bariyerinden (SiO2) çıkışa aktarırlar. Digital izolatörlerin kapasitif izolasyon dışında gelişmekte olan manyetik izolasyon tekniği ile çalışanları da vardır ancak kapasitif kadar yaygın değillerdir.
OPTOKUPLÖRLER
Galvanik İzolatörlere yönelik genel bilgilendirmeden sonra yazımızın kahramanı olan Optokuplör (Optocoupler) ler hakkında konuşmaya başlayalım. Optokuplör kelimesi, Opto (Işık ile ilgili) ve Kuplör (Bağlantı) kelimelerinin birleşimi ile oluşmuş birleşik bir kelimedir. Kelime anlamı olarak optik bağlayıcı demektir ki doğru bir ifadedir. İki katman arasındaki elektriksel izolasyonu ve bağlantıyı ışık vesilesi ile sağlarlar. Kullanılan ışık türü ve algılayıcı tarafı farklı olabilir. Önemli olan elektriksel bir bağlantının kesinlikle ortadan kalkmasıdır. Bu da katmanlar arasındaki fiziki bağlantının kopartılması anlamına gelir ki bu yönüyle birçok sistemde hayat kurtarıcı olmuşlardır.
Temel Optokuplör Yapısı
Optokuplörün iç yapısına baktığımızda bir tarafta ışık kaynağı diğer tarafta bu ışığı algılayan bir fotosensör bulunur. Işık tarafında genel olarak Infrared LED ışık kaynağı kullanılır. Ancak almaç tarafında çeşitlilik daha fazladır. Fotodirenç, Fotodiyod Fototransitör, Darlington Fototransistör, Foto SCR, FotoTriyak gibi ihtiyaca uygun almaçlar kullanılarak üretilmiş çeşitli optokuplörler bulunur. Bu almaçların farklı oluşu sebebiyle farklı hız, farklı çıkış gücü, farklı gerilim türleri, çalışma ısıları ve transfer çevrim oranları sunan optokuplörler üretilmiştir. Kullanım amacına uygun, doğru optokuplörü seçmek bu nedenle kritiktir.
Nasıl Çalışırlar?
Optokuplürün giriş ( IR LED) tarafına bir akım uygulanır. Bu akım IR LED’ in uygulanan akımla orantılı bir ışık yaymasını sağlar. Işık, ışığa duyarlı optik almaca ulaşır. Optokuplör içinde bulunan almaç ışığın şiddetine göre normal bir transistör gibi davranarak iletime geçer ve akım iletmeye başlar. IR LED ve ışığa duyarlı almaç arasında bir cam, plastik veya hava boşluğundan oluşan bir izolasyon alanı vardır. Bu izolasyon alanının büyüklüğü, kullanılan malzeme türü optokuplörün kalitesini ve izolasyon değerini belirler. Transistör Base kontrolü tümüyle ışık kontrollü olan modeller olduğu gibi hem ışık hemde elektriksel olarak aynı anda kullanılabilen modeller de mevcuttur. Yandaki şekilde de görüldüğü gibi bu modellerde almaç tarafında kullanılan transistörün base bağlantısı dışa alınmıştır. Bu sayede optokuplörün ışık hassasiyetinin ayarlanması sağlanıp uygulamaya yönelik hassas ayarlamalar yapılabilmesinin önü açılır. Analog izolasyon için özel tasarlanmış optokuplörler dışında kalan standart optokuplörlerin giriş — çıkış arasında lineer bir çevrim olmadığını da bilmenizde fayda var. Lineer kullanım için Lineer Optokuplör kullanımına gidilmelidir. Aşağıda bu optokuplörlerden de kısaca bahsedeceğim.
Almaç Türüne Göre Optokuplör Tipleri
Almaç türüne göre optokuplör seçimi , optokuplörün kullanılacağı uygulamaya göre yapılır. Eğer lineerlik gerektirmeyen analog bir uygulama veya lojik bir uygulamanız var ise burada Fototransistör almaca sahip bir optokuplör kullanabilirsiniz. Optokuplörün almaç tarafında daha fazla güce ihtiyacınız var ise burada Darlington Bağlı Fototransitör almaçlı bir bileşene yönelebilirsiniz. Optokuplör ile daha yüksek gerilimlerde SCR veya TRİAK davranışı sergileyen bir optokuplör için Opto-SCR veya Opto-TRIAC modellerini seçebilirsiniz. Bu modelleri daha güçlü TRIAC veya SCR leri izole biçimde sürmek için de kullanabilirsiniz.
KULLANIM ŞEKİLLERİ
Farklı Gerilim Seviyelerinde Kullanım
Farklı gerilim seviyelerinde olan kontrol sinyallerinin çevriminde kullanılırlar. Örneğin 220VAC lik bir şebeke sinyalinin 3V3 lojik seviyede izoleli olarak algılanabilmesini sağlayabilirsiniz. Veya tersi olarak 3V3 lojik düzeyde bir sinyal ile 48VDC lik bir röleyi direkt olarak izole biçimde sürebilirsiniz.
Haberleşmede Kullanım
Sistem dışından kablo ile taşınan haberleşme bağlantılarının izolasyonu için kullanılabilirler. Özellikle seri haberleşmede uzun metrajlarda kablolamalar söz konusudur. Bu durumda aradaki haberleşme kablosunun hangi elektriksel ortamlardan geçeceğini kestiremezsiniz. Bu kablo üzerinde meydana gelecek olan bir kaçak veya manyetik bir yüklenme, kablonun her iki tarafında bulunan sistemlerde soruna yol açabilir. Burada kullanılacak olan optokuplörler bu gibi istenmeyen yüklenmelerin sistemin dışında kalmasını sağlayacaktır. Haberleşmede optokuplör tercihinde en belirleyici faktör şüphesiz hızdır. Standart optokuplörler ile belirli hızların üzerine çıkmak maalesef pek mümkün olmaz . Çıkabileceğimiz hızlar 10Kbps-20Kbps’ leri pek geçemez. Daha yüksek hızlar için optokuplörleri limitlerinde kullanmak gerekir ki buda size güncel yüksek haberleşme hızlarını sunamaz. Günümüz endüstriyel haberleşme standartlarında hızlar oldukça yükseldi. İşte burada yukarıda bahsettiğimi dijital izolatörlerden yararlanılmalıdır.
Geri Besleme ve Anahtarlamalı Güç Kaynaklarında Kullanım
Anahtarlamalı güç kaynakları aslında bir tür DC/DC çeviricidir. Düşük frekanslı yüksek gerilimi önce DC’ ye çevirip yüksek frekanslı kırpma işlemine tabi tutarak bir transformatör aracılığı ile düşük bir DC gerileme çevirirler. Bunun tersi de mümkün tabi. Arada bulunan transformatör yukarıda da bahsettiğim gibi aslında endüktif bir izolatör gibi çalışır. Yani giriş ve çıkış katmanları tümüyle yalıtılmıştır. Anahtarlama elemanı aynı zamanda çıkış gerilimindeki değişimlere göre anahtarlama frekansını değiştirerek çıkış gerilimini sabit tutmaya çalışır. İşte Transformatör ile oluşturulmuş bu izolasyonu delmemek için çıkış geriliminden alınan geri besleme bir optokuplör aracılığıyla anahtarlama elemanına verilir. Yukarıdaki şematikte bu bağlantı görülebilir.
Analog İzolasyon için Standart ve Lineer Optokuplör Kullanımı
Analog bir sinyalin izolasyonunda optokuplörün üç teknikle kullanıldığını söyleyebiliriz. Bunlardan ilki tam lineer bir çevrim beklentisi olmayan analog uygulamalarda standart fototransistörlü optokuplörlerin kullanımı tekniğidir. SMPS ‘lerde geri besleme kullanımı bu tekniğe bir örnektir. Lineer bir analog sinyal aktarımı isteniyorsa bu da iki farklı yolla yapılabilir. İlki Analog Dijital Çeviriciler (ADC) kullanmak ve bu çeviricileri ana sistemle standart optokuplörler veya dijital izolatörler kullanarak bağlamaktır. Bu teknik, izolasyon açısından daha ekonomik bir yöntemdir ancak çevrimi yapan ADC’ nin yetenekleri ile sizi sınırlar. Diğer teknik ise Lineer Optokuplör kullanımıdır. Adından da anlaşılacağı gibi bu optokuplörlerin transfer çevrimi lineerdir. Ancak özel sınıfta yer alan bu optokuplörler diğer ürünlere göre oldukça pahalı bileşenlerdir.
Dijital Giriş-Çıkışlarda Kullanım
Dijital giriş çıkışlar On-Off Mod olacağından bu bileşenlerin en rahat kullanıldığı yerlerdir. Giriş gerilimine göre belirleyeceğiniz bir akım direnci ve çıkış yükünüze göre belirleyeceğiniz bir kollektör akımı doğru bileşeni seçmenize yardımcı olacaktır. Çıkış olarak kullanıldığında eğer optokuplörün çıkış akımı yetersiz ise darlington tip seçebilirsiniz veya optokuplörün çıkışında harici bir transistör ile bu darlington bağlantıyı siz oluşturabilirsiniz.
Doğrudan Endüktif Yük Sürülmesi (Röle, Kontaktör vs.)
Endüktif yüklerin sürülmesi konusunda dikkat edilmesi gereken en önemli nokta Ters Elektro Motor Kuvvet (EMK) dir. Bunun önüne geçmek için yandaki şekilde de görüleceği üzere endüktif yükün uçlarına ters polaritede bir diyot bağlanır. Bu diyot oluşan Ters EMK’ nın GND üzerinde sıfırlanmasını sağlar. Peki GND’ nin de izole olmasını istiyorsak. Bu durumda bu tip endüktif yüklerin de optokuplör ile sürülmesi fayda sağlayacaktır. Optokuplörün çıkış akımına bağlı olarak yükü doğrudan optokuplör ile sürebilir ve malzemeden tasarruf edebilirsiniz. Gücün yetmemesi durumunda optokuplör çıkışına bir transistör daha bağlayarak gücü arttırabilirsiniz.
OPTOKUPLÖRÜ SEÇERKEN
Optokuplör seçiminde sorgulamanız gereken başlıca maddeler şöyledir.
- İzolasyon Değeri ( İsolation Voltage) — Viso(rms))
- Çalışma sıcaklığı (Operating temperature)
- Paket Tipi (Package)( izolasyon değerini etkiler)
- Transfer Çevrim Oranı ( Current Transfer Ratio — CTR )
- Çıkış Transistörü Kollektor-Emiter Gerilimi (Collector-Emitor Voltage)
- Çıkış Transistörü Kollektör Akımı (Collector Current)
- IR LED Sürme Gerilimi ve Akımı ( IR Led Forward Voltage-Current)
- Hız ( Cut-off Frequency )
Uğur TARLACI // 2020
ugurtarlaci@yahoo.com
