プレシジョン ラボ シリーズ：絶縁の概要

こんにちは。テキサス・インスツルメンツのプレシジョン・ラボの絶縁ビデオ・シリーズです。 プレシジョン・ラボはアナログ・エンジニア向けの 包括的なオンライン・カリキュラムです。 このビデオでは、ガルバニック絶縁に関する 基本的な疑問について取り上げます。 他にも多数ビデオやコンテンツをご用意しています。 ti.com/precisionlabsでご覧ください。 このプレシジョン・ラボ・ビデオでは、 次のような疑問に回答します。 ガルバニック絶縁とは何か？ ガルバニック絶縁が必要になる状況は？ 他にどのような絶縁方法があるか？ 絶縁技術とは何か？ システムでの絶縁の必要性をどのように把握するか？ まず、ガルバニック絶縁とは何かを解説します。 2個のデバイスまたは回路を互いに接続して通信を行う場合、 通常はDC電流とAC信号が自由に流れます。 低電圧システムの場合、これは安全な方法であり、 システム内の2つの要素は正常に機能します。 ただし、1つまたは複数の要素で高電圧を使用する場合、 DC電流と何らかのAC信号がシステム内で自由に流れる状態は、 危険を招く可能性があります。 高電圧が存在する場合、 大きな電位差が生じる可能性があり、 この場合は、損傷を引き起こす大きなDC電流、または望ましくないAC 電流が、システムの他の要素に流れ込む可能性があります。 その場合、誤差が生じるか、動作の危険な状況が 発生する可能性があります。 このような状況下で、ガルバニック絶縁が必要になります。 ガルバニック絶縁とは、DC電流や望ましくないAC 電流がシステム内の2つの要素の間で流れるのを防止する と同時に、信号と電力を これら2つの要素の間で伝送できるようにします。 アイソレータとは、絶縁に使用される 電子デバイスや半導体ICのことです。 次に、ガルバニック絶縁が必要になる状況について解説します。 絶縁はさまざまな理由から、 現代の電気システムで必要とされています。 その例として、感電の防止 による人間のオペレータの保護、高電圧システム内での高価なプロセッサ、IC、 FPGAの損傷リスクからの保護、 モーター・ドライブやパワー・コンバータ・システムなどのグランド・ループや 通信ネットワークの切断が挙げられます。 ガルバニック絶縁を複数の回路間で使用する 3つの主な理由について見ていきます。 第一に、ガルバニック絶縁は安全性の目的で使用します。 絶縁は、電流が 高電圧の電位にある素子からグランドに流れる時に 人体を経由する事態を防止します。 人間のオペレータがいる環境で、 機器が高電圧で動作している場合や、 機器が高電圧にさらされている場合、例えば 落雷のリスクなどが想定される状況で、 ガルバニック絶縁による保護が必要です。 複数の回路をガルバニック絶縁すると、 オペレータと他の回路は、 致命傷または損傷をもたらす可能性のある 電流から保護されます。 第2の理由は、ガルバニック絶縁を使用して グランドの電位差に対処することです。このような状態を 「グランド・ループ」とも呼び、精度の低下や 通信の途絶を、複数の通信サブシステムの間で発生させる可能性があります。 グランド・ループが発生するのは、意図していない物理的な接続が、 システムのグランド接続方式内で発生した時です。 この結果、複数の回路の間で複数のグランド・パスが形成されます。 この例はRS485インターフェイス を使用して、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラとの通信を行っています。 RS485インターフェイスは -7Vから12Vという定義済みの範囲で対処します。 電圧の基準はグランドですが、実際は 2つの回路間でグランドの電位 が異なる可能性があります。 グランドの電位が ある回路と別の回路で異なる場合、電圧差が生じる結果になり、 長いケーブル長にわたって電流が流れる事態が発生します。 電流がグランド・ループ経由で流れる場合、 大きな電圧差が生じる可能性があり、その結果、 データ通信で誤差が発生します。 ほかに、グランド・リンクは アンテナとして機能できる複数のパスを実現する可能性があり、その場合、 環境ノイズによって外乱が引き起こされます。 環境ノイズの最も一般的な例は、 50/60Hzのノイズであり、 アンテナがこのノイズに反応し、望ましくない誘導電流をシステム・グランドに流す可能性があります。 デジタル・アイソレータを使用してこのグランド・ループを切断し、その結果、 ノイズに反応する事態を防止して、通信の 整合性を維持することができます。 ガルバニック絶縁が最も一般的に使用される第3の理由は、 ノイズ耐性を改善することにあります。 多くの場合、グランド・ループに影響を及ぼす ノイズ生成源は、単一のカテゴリに分類できます。 ノイズ干渉の主な生成源 は、システム内で発生する過渡挙動です。 例えば、モーター制御のスイッチングが原因で過渡が 発生した場合、高いスルーレートの過渡電圧 がシグナルパス内で生じることがあります。 多くの場合、この現象は同相電圧過渡を引き起こし、 その結果、アイソレータが高い同相 過渡耐性、つまりCMTIを必要とします。 このノイズ耐性を使用して、シグナル・インテグリティを維持できます。 CMTIはベンダーのデータシートに規定されており、 CMTI仕様の値が大きいほど、ノイズ耐性が高い デバイスになります。 回路を絶縁する場合、絶縁方式はアナログまたはデジタルの 2種類あります。 複数のトポロジー・オプション が、アナログ入力とデジタル入力のどちらを絶縁する場合にも使用できます。 システム設計におけるプライオリティが、最適なソリューションを 選定する際の重要な要因となります。 アナログ絶縁は、アナログ信号の絶縁を A/Dコンバータ、つまりADCの入力の前段で実施します。 その後、ADCは信号をデジタル化します。 絶縁型アンプまたは絶縁型ADCは たいていの場合、アナログ信号を絶縁する目的で使用されます。通常、 シャント抵抗またはセンサからの入力です。 ADCの前段に絶縁バリアを配置していることから、 入力ゲイン・アンプに起因する入力信号にある程度の誤差があり、 その誤差が ADCによってデジタル化されることに注意する必要があります。 このことを必ず考慮に入れたうえで、 設計で目標としている分解能を達成するにはどのぐらいの精度が必要かを判断します。 アナログ絶縁を使用する場合、アンプのゲイン誤差を避けるために、 絶縁型データ・コンバータを選定します。該当するのは絶縁型 デルタ・シグマ変調器などで、アナログ入力 信号を直接サンプリングします。 これらのソリューションは高分解能の絶縁型入力を受け入れるために、 最適化を行い、 シャント抵抗または他の低電圧レベルの信号 源に直接接続します。 プレシジョン・ラボ・シリーズでは 絶縁型アンプとデータ・コンバータに関する ビデオを用意しています。 デジタル絶縁とは、デジタル入力 信号を絶縁する方式のことです。 この種のアイソレータは、デジタル通信の 信号などを絶縁バリア経由で伝送します。 ADCより後段で、マイクロプロセッサやFPGAとの間に位置します。 その後に、FETやゲート・ドライバが接続されています。 現在、信号のアナログ絶縁とデジタル絶縁には、 光学式、誘導性、静電容量性の3種類の 主な技術が使用されています。 各技術は異なる絶縁材を使用しており、 誘電体強度は互いに異なります。 誘電体強度とは、 材質が電気的ブレークダウンや電気的導通を 引き起こさずに耐えることのできる、 印加可能な最大の電界を表すために使用される測定値です。 誘電体強度の測定単位はV RMS/μmです。 この値が大きいほど誘電体強度は高くなり、 アイソレータの堅牢性が向上します。 ここに光学式アイソレータ、つまりフォトカプラを示しました。 入力LED、受光側フォトディテクタ、 出力ドライバで構成されています。 ドライバ回路とLED回路 には通常、相補型金属酸化膜半導体 技術、つまりCMOS技術が使用されています。 フォトカプラの絶縁バリア として一般的に使用する材料は、空気、エポキシ、モールド化合物です。 フォトカプラの入出力は両方とも 個別の電源電圧を必要とします。 各電源電圧をアノードとコレクタ・ ピンを通じて接続し、グランドを分離します。通常は 入力と出力の間の信号の絶縁を維持するために、 カソードまたはエミッタ・ピンを通じて接続されます。 フォトカプラ内の通信 が発生するのは、フォトカプラに対してCMOSロジック信号を印加し、 入力側に電流を流した時です。その結果、 入力信号に比例するLED出力が伝送され、 モールド化合物バリア経由で伝達された後、 フォトディテクタがその光を受光し、電気信号を出力します。 光学式絶縁は光伝送に依存しますが、 フォトカプラの通信レートは 一般的に、静電容量性または誘導性に比べると低い値に なります。 その主な原因は、伝送速度が LEDのスイッチング速度によって制限されていることにあります。 他のすべてのLEDと同様、LEDを使用する場合、 時間の経過とともに信号強度が低下するので、 通信の長期的な機能に制約が発生します。 電流転送率、つまりCTRパラメータ が表すのは、 時間の経過に伴う、入力電流に対する出力電流の挙動です。 長い寿命を必要とするシステムの場合、 CTRを考慮に入れたキャリブレーションを実施するか、 意図的に過剰設計をシステムに採用して、 十分強力な光強度を確保する必要があります。その結果、光強度が低下しても、必要な 動作寿命を確保できます。 2番目の誘導性アイソレータはトランス技術をベースとしており、 ポリイミドと呼ばれる絶縁材料を使用します。 複数のロジック入力を使用して 電磁界を生成し、入力に比例する磁気エネルギー 信号を、誘導性トランスのバリア経由で伝送します。 3番目の静電容量性絶縁が基礎としているエネルギー伝送は、 シリコン酸化物、つまりCMOSバリアを経由します。 この際に使用するのは高周波キャリアです。 デジタル入力信号の印加と変調を行った後、 絶縁バリアをまたぐ形で通信を行います。 その後、生成される出力は、 入力の信号測定レベルに比例しています。 静電容量性アイソレータは、最大の 誘導体強度を持つ材料を絶縁に使用しているので、 高いデータレート、低い放熱プロファイル、 長い動作寿命という利点をもたらします。 デジタル絶縁技術や アーキテクチャの詳細については、プレシジョン・ラボ・ビデオの 「デジタル・アイソレータとは何ですか？」をご覧ください。 コンポーネント・レベルの絶縁要件は 最も多くの場合、システム自体の高電圧定格によって決定され、 その際に重要なのは、 コンポーネントの絶縁に関する規格 と、システム・レベルの規格は互いに補い合うが、 同じではない、という点です。 コンポーネント・レベルの規格は デバイスと、そのデバイスの絶縁認証レベルに固有であるのに対し、 システム・レベルの規格は業界 標準団体によって規定され、環境関連、 地域的、国際的な規制を含んでいます。 ほかに、最終機器固有の要件も関係します。 どのレベルのコンポーネントの絶縁が システムにとって必要なのかを決定するには、まず システム・レベルの認証要件を考慮します。 これらの要件で、必要なコンポーネント・レベルの定格が決まります。 コンポーネント・レベルの認証と定格 は、各ベンダーのWebサイトに掲載されています。 プレシジョン・ラボの ガルバニック絶縁入門編は以上です。 ガルバニック絶縁の定義、 ガルバニック絶縁が必要な状況、その方法と種類、 ガルバニック絶縁の 規格と認証レベル などについてを解説してきました。 ご覧いただき、ありがとうございました。 絶縁に関するトピックは、 http://www.tij.co.jp/ja-jp/isolation/overview.htmlでご覧ください。 続いて、ガルバニック絶縁に関するクイズに挑戦してみてください。 第1問：次の文は正しいでしょうか、間違っているでしょうか。 ガルバニック絶縁は、 2つの回路の間で信号が伝送されるのを防止します。 答えは間違いです。 ガルバニック絶縁は、信号の 伝送を許可しますが、DC電流や望ましくない浮遊AC 電流が流れるのを防止します。 第2問 ガルバニック絶縁を システム内で使用する主な理由は何でしょうか。 答えは、高電圧からの安全性と保護のためです。 第3問 互いに大きな電位差が存在する複数のシステムの間で、 絶縁をどのように使用すると、システム間で流れる望ましくない電流を 最小化できるでしょうか。 答えは、アイソレータを使用して、望ましくないノイズや電流の流れのソースである グランド・ループを切断します。 「ガルバニック絶縁とは何ですか？」のクイズは以上です。 他のトピックについては、ti.com/precisionlabsページをご覧ください。