産業 システム に は なぜ 光学 隔離 が 必要 です か

エンジニアが光ファイバーについて考えるとき、帯域幅の広さや伝送距離の長さが最初に思い浮かぶ利点であることがよくあります。しかし、産業システムにおいては、どちらも光ファイバーを使用する主な理由ではないかもしれません。

制御信号は、機械内部、2つのキャビネット間、またはコントローラーから電力変換ステージまで、わずか数メートルしか移動しない場合があります。必要なデータレートも比較的控えめかもしれません。それでも、光リンクは重要なシステムレベルの利点を提供できます。それは、通信媒体自体がそれらの間に導電性の電気経路を作成する必要なしに、情報が電気ドメイン間でやり取りできることです。

この区別は、可変周波数ドライブ、サーボシステム、スイッチング電源コンバーター、コンタクタ、大型モーター、エネルギー貯蔵装置、高電圧IGBTまたはSiCパワー段を含む環境では重要です。異なるグランド電位、コモンモードの障害、スイッチング過渡現象、電磁干渉はすべて、電気的に接続された通信リンクの管理をより困難にする可能性があります。

したがって、産業用光アイソレーションを理解することは、基本的なエンジニアリングの問題から始まります。2つの機器は、同じ電気環境内で動作していなくても、情報を交換する必要がある場合があります。

産業システムにおける光アイソレーションとは？

産業システムにおける光アイソレーションとは、導電性の信号経路を必要とせずに、個別の電気ドメイン間で制御信号またはデータ信号を転送することです。信号は電気形式から光に変換され、光媒体を介して伝送され、受信側で電気信号に再変換されます。

重要な点は、単に信号が光になることではありません。通信経路自体が、2つの終端を電気的に接続する必要がなくなります。

従来の電気リンクは通常、デバイス間に導体を使用します。インターフェースによっては、信号線、基準導体、シールド、または通信システムに関連するその他の導電性経路が含まれる場合があります。2つのデバイスが異なる電位にある場合、通信配線は、不要な電流または電圧が転送される経路の一部になる可能性があります。

光リンクは、その関係を変更します。一方の側の電子機器が光送信機を駆動します。光がファイバーを通過します。もう一方の側の光受信機が光を電気信号に変換します。

ファイバーリンクにアイソレーション境界を横断する導電性経路がない場合、両方の電子側は、伝送媒体を介して信号導体または共通の電気基準を共有する必要がなくなります。

ガルバニックアイソレーション対信号コンディショニング

信号コンディショニングとガルバニックアイソレーションは、異なる問題を解決します。

フィルタリングは、不要な周波数成分を低減できます。差動信号は、両方の信号導体に同様に現れる障害の除去を改善できます。シールドは電磁結合を低減できます。サージ保護コンポーネントは、過渡ストレスを制限できます。

これらの技術はすべて価値がありますが、2つの電気ドメインを自動的に分離するわけではありません。

ガルバニックアイソレーションとは、通常の電流がアイソレーションバリアを直接流れることはできないが、情報または電力が別のメカニズムを介して転送されることを意味します。トランス、オプトカプラー、容量性アイソレーター、磁気アイソレーター、光ファイバーリンクは、そのような境界を作成するためのさまざまな方法です。

アイソレーションは安全機能だけではない

アイソレーションは、危険な電圧からの保護と関連付けられることが多いですが、産業用通信には別の理由があります。それは信号の整合性です。

2つの回路は比較的低電圧で動作できますが、グランド電位の差やコモンモードの障害が大きすぎて、通信の問題を引き起こす可能性があります。

したがって、産業用アイソレーションは、互換性のない基準電位を分離したり、不要なグランド電流経路を遮断したり、通信配線を介した電気的障害の伝播を低減したり、低電圧制御電子機器を高電圧過渡現象から保護するために使用される場合があります。

そのため、アイソレーションは、後から追加される安全コンポーネントとしてだけでなく、通信アーキテクチャ自体の一部であることがよくあります。

産業システムでグランド電位の差が発生する理由

電気回路図では、グランドはしばしば単一のゼロボルトノードとして表されます。実際の産業設置はより複雑です。

グランド導体には抵抗とインダクタンスがあります。電力電流は、導体、保護アースネットワーク、キャビネット構造、機械フレーム、配電システムを流れます。また、機器は異なる電源から供給されたり、離れた場所に設置されたりする場合があります。

その結果、異なる機器の「グランド」とラベル付けされた2つの点は、瞬時電位が完全に同じであるとは限りません。

「グランド」は常にどこでも同じ電位ではない

一方のキャビネットに設置されたコントローラーと、もう一方のキャビネットに設置されたドライブを考えてみましょう。

両方のデバイスは正しく接地されている可能性があります。それらのローカルグランド基準は、接地導体に沿った電圧降下、共有インピーダンスを流れる高電流、電源配線の違い、スイッチング過渡現象、または物理的な分離のために依然として異なる場合があります。

これらのシステム間に電気通信ケーブルが接続されている場合、電位差が均等化しようとする経路の一部になる可能性があります。

                                        グランド電位差がグランドループを形成する方法

グランド電位差がグランドループになる方法

「グランドループ」は、名目上接地されているが実際には同一の電位ではない点を接続する複数の導電性経路が存在する場合に形成される可能性があります。その後、電流は、等化電流を運ぶためではなく、主に信号基準、シールド、または通信を目的とした経路を循環する可能性があります。

結果として生じる電流は、通信経路に沿って追加の電圧降下を生じさせます。受信機は、意図された差動情報信号のみではなくなり、信号全体が受信機自身のローカル基準に対してシフトする可能性もあります。

ここで、グランド電位差がコモンモードの問題になります。

グランドループが通信問題になる方法

電気受信機は、限られたコモンモード環境内で動作します。

接続されたシステム間の電圧差が大きすぎる場合、またはコモンモード電圧が速すぎる場合、利用可能な信号マージンが減少する可能性があります。データが破損したり、保護構造が導通を開始したり、インターフェースコンポーネントが追加の電気的ストレスを受けたりする可能性があります。

これらの問題はしばしば断続的です。

通信リンクは、コミッショニング中は機能するかもしれませんが、より多くの機器が接続された後に不安定になる可能性があります。大型モーターが始動したときや、インバーターが異なる動作状態に入ったときに失敗する可能性があります。プロトコル自体は正しく機能している可能性がありますが、終端間の電気的関係はそうではありません。

EMIが銅通信リンクに影響を与える理由

グランド電位差は、産業用電気環境の一部にすぎません。

工場やパワーエレクトロニクスシステムには、強力な「電磁干渉（EMI）」

の発生源も含まれています。モーターケーブルは、急速に変化する電流を運びます。インバーターやスイッチングコンバーターは、急峻な電圧遷移を生成します。コンタクタやリレーは、誘導負荷を切り替えます。高電流導体は、低レベルの制御配線に近接して配線される場合があります。電気通信ケーブルは、同じ環境内で動作します。干渉が電気リンクに入る方法

ノイズは、いくつかのメカニズムを通じて導電性通信システムに入ることができます。

変化する磁場は、導体ループに電圧を誘導できます。変化する電場は、エネルギーを近くの導体に容量的に結合できます。ノイズは、共有電源または接地インピーダンスを介して入ることもあります。

したがって、産業用通信システムは、差動信号、制御インピーダンス、シールド、接地戦略、フィルタリング、サージ保護、ケーブルルーティング、ガルバニックアイソレーションなどの技術に依存しています。

それぞれが問題の異なる部分に対処します。

差動信号は役立ちますが、電気的接続を削除するわけではありません

差動通信は、受信機が各導体ではなく、2つの導体間の電圧差に主に反応するため、広く使用されています。

同じ障害が両方のラインに同様に現れる場合、その多くは除去できます。

しかし、実際には、ノイズが完全にバランスが取れていることはめったにありません。ケーブルの形状、シールド、終端、周波数、接地、設置品質、および受信機のコモンモード機能はすべて結果に影響します。

さらに重要なのは、差動信号自体では電気ドメイン間の導電性経路を排除できないことです。

適切に設計された銅リンクは、産業システムで非常に信頼性の高いパフォーマンスを発揮できます。実際の設計上の問題は、アプリケーションが2つの電気ドメインを物理的に接続したままにすることからメリットを得るかどうかです。

光ファイバーが物理層で電気的アイソレーションを提供する理由

光ファイバーは、情報が電気電流または電圧として境界を越える必要がなくなるため、通信問題を変化させます。

典型的な産業用光リンクは、単純なシーケンスに従います。

電気信号 → 光送信機 → ファイバー → 光受信機 → 電気信号

両端に電子機器は存在しますが、伝送媒体は電気信号ではなく光を運びます。

                         銅が電気的障害を運び、光ファイバーが導電性経路を遮断する理由

両端はファイバーを介して信号グランドを共有する必要がない

低電圧コントローラーが別の電気ドメインで動作する機器にコマンドを送信すると仮定します。

直接の銅接続では、両方のシステムは通信配線を介して電気的に関連付けられます。

完全に非導電性の光経路では、グランド等化電流が一方の終端からもう一方の終端に流れることができる金属信号導体はありません。

情報は境界を越えますが、電位はそれに従う必要はありません。

これは、電気受信機のノイズ耐性を単に高めることとは根本的に異なるアプローチです。

EMIが同じように光信号に結合しない理由

銅導体は電気電流と電圧をサポートするため、外部の電場と磁場は通信回路と直接相互作用できます。

誘電体ファイバー内の光信号は異なります。ファイバーに沿って走る電気信号導体がないため、外部電磁場が同じように駆動することはできません。

これが、光ファイバーが電気的にノイズの多い産業環境で非常に価値がある理由です。

ただし、この区別を過度に強調すべきではありません。送信機PCB、受信機PCB、ローカル電源、コネクタ電子機器、および周囲の回路は依然として電子システムです。不適切な接地、弱い電源整合性、不十分な過渡保護、または不適切なPCBレイアウトは、依然として障害を引き起こす可能性があります。

光ファイバーは、1つの重要な結合と電流経路を削除します。終端での適切なEMC設計の必要性をなくすわけではありません。

光アイソレーション対電気アイソレーター：光ファイバーがより価値を追加するのはいつか？

光ファイバーはガルバニックアイソレーションを作成する唯一の方法ではありません。

産業用電子機器は、オプトカプラー、容量性アイソレーター、磁気アイソレーター、アイソレーショントランス、その他の技術も使用しています。これらは、信号を完全にPCB上または電気インターフェース内で維持しながら、非常に効果的なアイソレーションを提供できます。

したがって、有用な比較は、光ファイバーがすべての電気アイソレーターよりも「優れている」かどうかではありません。

より重要な質問は、アイソレーション境界をどこに配置する必要があるかです。

                                    ボードレベルアイソレーション対ドメインレベル光ファイバーアイソレーション

ボードレベル電気アイソレーション

マイクロコントローラーとアイソレートされた通信インターフェースを含むコントローラーPCBを検討してください。

デジタルアイソレーターは、コントローラー ドメインをインターフェース側電子機器から分離できます。外部ケーブルは電気的なままですが、ボードアーキテクチャは電流がローカルアイソレーションバリアをコントローラー ドメインに横断するのを防ぎます。

多くのアプリケーションでは、これがまさに適切なソリューションです。

電気アイソレーターは、コンパクトで、高速で、コスト効率が高く、統合が容易です。それらを自動的に光ファイバーに置き換える理由はありません。

ケーブルレベルまたはドメインレベルアイソレーション

光ファイバーは、必要なアイソレーション境界がローカルPCBを超えて拡張される場合に、より魅力的になります。

通信経路は、キャビネット間、異なる機械間、制御電子機器と高電圧電源セクション間、または不確実なグランド電位と深刻なスイッチングノイズのある領域を横断する場合があります。

これらの状況では、伝送媒体自体がアイソレーションアーキテクチャの一部になる可能性があります。

インターフェースを電気的にアイソレートしながら、環境を介して導電性ケーブルをルーティングし続ける代わりに、光ファイバーリンクは終端間の物理的な距離全体で電気的分離を維持できます。

エンジニアリングの考慮事項

直接銅線リンク

機器の外観は非常に異なりますが、同じ電気的原理が多くの産業アプリケーションに現れます。

                                      産業用高電圧システムにおける光アイソレーション

可変周波数ドライブとサーボドライブ

モータードライブは、低電圧制御電子機器と高電流、急速にスイッチングするパワー段を組み合わせます。

コントローラーは、コマンド、位置情報、診断、またはフィードバックを処理する場合がありますが、インバーター段はモーターにかなりの電圧と電流を切り替えます。

モーターケーブルとスイッチングノードは、困難な電磁環境を作り出す可能性があります。制御キャビネット、リモート機器、エンコーダー、およびドライブシステムも、わずかに異なるグランド電位にある場合があります。

光通信は、これらの境界のいずれかを横断する必要がある制御またはフィードバックパスが、電気的接続を拡張することなく、そこで役立つ場合があります。

これは、すべてのサーボまたは可変周波数ドライブが光ファイバーを必要とするという意味ではありません。短い内部信号は、電気的アイソレーションで完全に処理できる場合があります。物理的な分離と電気ドメインの分離の両方が要件の一部である場合、光ファイバーはより価値が高くなります。

エネルギー貯蔵PCSおよびBMSアーキテクチャ

エネルギー貯蔵システムには、複数の電気ドメインが含まれています。

バッテリー監視回路、通信電子機器、制御システム、および電力変換段は、非常に異なる電位で動作する場合があります。これらのセクションは、不要な電気的ストレスがそれらの間で自由に伝播するのを防ぎながら、情報を交換する必要があります。

したがって、ガルバニックアイソレーションはシステムアーキテクチャの重要な部分です。

光ファイバーは、物理的に分離された、または特にノイズの多い電気的境界を横断する通信で役立つ場合があります。すべてのPCSまたはBMS接続で必須として扱われるべきではありません。適切な方法は、システムトポロジー、電圧、距離、帯域幅、安全要件、およびコストに依存します。

IGBTおよびSiCゲートドライバーシステム

ゲートドライバーシステムは、アイソレーションの問題を特に明確に示しています。

低電圧コントローラーは、パワー トランジスタにいつスイッチするかを指示する必要がありますが、トランジスタは、コントローラー グランドに対して電位が急速に変化するスイッチング ノード上にある場合があります。

IGBT、SiC MOSFET、およびその他の高速パワー デバイスでは、アイソレーション バリアは、電気ドメイン間の電圧が急速に変化する間、正しい制御信号を転送し続ける必要があります。

ここで、「コモンモード過渡耐性（CMTI）」

が重要になります。CMTIは、急速なコモンモード電圧遷移中に、アイソレートされたデバイスが正しい信号動作を維持する能力を説明します。

光制御パスは、別の方向から同じ問題に取り組みます。通信パスの一部は、2つのドメインにまたがる電気信号ではなく、光として運ばれる可能性があります。完全なシステムは、依然として適切なアイソレートされた電源、適切なクリーページとクリアランス、スイッチング保護、PCB設計、およびEMC制御を必要とします。光ファイバーは、パワー段のすべてのアイソレーション要件ではなく、通信パスに対処します。

短距離産業用アイソレーションリンクにおけるPOFの役割すべての産業用光リンクが長距離通信用ファイバーを必要とするわけではありません。

機械、キャビネット、ドライブ、自動化システム、パワーエレクトロニクス機器の内部では、必要な距離はわずか数メートルまたは数十メートルである場合があります。

この範囲では、

プラスチック光ファイバー（POF）

は、電気的アイソレーションと実用的な設置特性の有用な組み合わせを提供できます。POFが短い機械レベルリンクに適している理由一般的な産業用POFは、従来の通信用ファイバーと比較して比較的大きな光コアを使用しています。これにより、光アライメントと終端の要求が軽減される可能性があり、設置の実際性、保守、コネクタの取り扱いが長距離伝送距離よりも重要になる可能性のある機械レベルリンクで役立ちます。

POFは柔軟で軽量でもあります。

完全なケーブル構造も重要です。ジャケット素材、機械的補強、温度能力、難燃性、引張強度、曲げ性能、および繰り返し移動に対する耐性は、ケーブルが特定の産業環境に実際に適しているかどうかを決定します。

そのため、産業用POFリンクは、光ファイバー素材だけでなく、完全なケーブルとコネクタシステムとして評価する必要があります。

典型的なPOFアイソレーションリンク

短い産業用光リンクは、次のように表すことができます。

コントローラー電子機器

→ 光送信機

→ POFケーブル

→ 光受信機
→ アイソレート側電子機器
                                           
 短距離POFアイソレーションリンクアーキテクチャ
両端の電子機器は、ローカル電源を引き続き必要とします。

アイソレーションの利点は、2つのドメイン間に導電性通信経路がないことから生じます。選択されたトランシーバーとインターフェースアーキテクチャによっては、このタイプのリンクは制御コマンド、ステータス情報、シリアルデータ、またはその他の短距離産業用信号を伝送できます。

短距離が低価値を意味しない理由

光ファイバーを主に伝送距離で評価するのは簡単です。

その観点から見ると、銅線が同じ距離で必要なデータを簡単に伝送できる場合、短い接続に光ファイバーを使用することは不要に思えるかもしれません。

しかし、距離は実際のエンジニアリングの問題ではないかもしれません。

それらの数メートルが異なるグランドドメインを横断したり、高出力インバーターの横を通過したり、制御キャビネットをスイッチングステージに接続したり、機器間に不要な電流経路を作成したりする場合、光リンクの価値はリーチではなく電気的分離から生じます。

したがって、短い光リンクは、最大伝送距離とはほとんど関係のないシステムレベルの問題を解決できます。

POFはすべての光リンクに適しているわけではない

POFにも明確な境界があります。

長距離、高データレート、より厳しい光損失要件、高温、環境暴露、コネクタアーキテクチャ、およびシステムリンクマージンは、ハードクラッドシリカ、ポリマークラッドシリカ、または従来のガラスファイバーなどの他の光媒体を優先する場合があります。

決定は、1つのファイバータイプへの好みではなく、アプリケーション要件から始めるべきです。

短い機械レベルのアイソレーションリンクの場合、POFは非常に実用的です。長い産業用バックボーンまたは非常に高速な接続の場合、別の光媒体がより適切かもしれません。

産業用リンクに光アイソレーションが必要かどうかを決定する方法

決定は、ケーブル素材ではなく、電気的境界から始めるべきです。

まず、両方の終端が実際に同じ安定した基準電位を共有しているかどうかを判断します。異なる電源から供給された機器、異なるキャビネットに設置された機器、または異なる接地ポイントに接続された機器はそうではない場合があります。

次に、ノイズ環境を調べます。モータードライブ、コンタクタ、インバータースイッチングノード、高電流ケーブル、DC/DCコンバーター、IGBTモジュール、SiCパワー段、および誘導負荷はすべて、電気通信リンクへのストレスを増加させる可能性があります。

アイソレーション境界の物理的な場所も同様に重要です。問題が小さなPCB境界のみに存在する場合、デジタルアイソレーターまたはオプトカプラーが最も簡単なソリューションである可能性があります。通信経路がキャビネット、機械、高電圧ゾーン、または不確実なグランドドメインを横断する場合、アイソレーション境界を伝送媒体自体に移動させると、追加の価値が得られる可能性があります。

次に、通信要件をアイソレーションと並行して考慮する必要があります。データレート、レイテンシ、リンク距離、温度、ケーブルの移動、曲げ要件、コネクタの耐久性、メンテナンス方法、光パワーバジェット、および障害動作はすべて、最終的なアーキテクチャに影響します。

したがって、選択は単に銅線対光ファイバーではありません。それは、直接電気通信、電気的にアイソレートされた銅線通信、POF、HCS/PCS、またはガラスファイバーの中から、実際の電気的および通信的境界に基づいて決定されます。

主要なエンジニアリング原則：リンクが必要な場合に電気ドメインを分離する

産業用光ファイバーは、単なる銅線の高速バージョンとして理解されるべきではありません。

多くの制御システムでは、その最も重要な特性はより基本的です。光は、通信媒体を介してそれらの場所が電気的に接続される必要なしに、情報を場所間で運ぶことができます。

これはグランド電位が異なる場合に重要です。これは、不要な電流が通信配線を循環する可能性がある場合に重要です。これは、高出力スイッチングが困難なコモンモードおよびEMI条件を作成する場合に重要です。また、コントローラーが高電圧境界を横断して通信する必要がある場合にも重要です。

電気アイソレーター、差動インターフェース、シールド、フィルタリング、サージ保護、および慎重な接地は、依然として不可欠なエンジニアリングツールです。光ファイバーはそれらを普遍的に置き換えるものではありません。

それは別のアーキテクチャオプションを提供します。導電性信号経路を完全に削除することです。長距離または高帯域幅システムの場合、それは光ファイバーの馴染みのある伝送上の利点と組み合わされるかもしれません。しかし、短い産業用リンクの場合、主な利点ははるかに単純かもしれません。

信号は境界を越えますが、グランドは越えません。

よくある質問

産業システムで光アイソレーションが使用されるのはなぜですか？

光アイソレーションにより、導電性通信経路を必要とせずに、データまたは制御信号を電気ドメイン間でやり取りできます。これにより、グランドループ経路を遮断し、グランド電位差の影響を低減し、通信ケーブルがノイズの多いセクションまたは高電圧セクション間の別の電気接続になるのを防ぐことができます。

光ファイバー通信はグランドループをどのように排除しますか？

グランドループには、電流が循環できる導電性の閉じた経路が必要です。2つの終端が関連する境界を非導電性の光ファイバーのみで接続されている場合、光ファイバーはその電流の電気的帰還経路を提供しません。

• 光ファイバー通信はEMIに耐性がありますか？

光伝送媒体は、情報が電気電流または電圧ではなく光として運ばれるため、電気導体とは異なる方法で電磁干渉と相互作用しません。送信機、受信機、ローカル電源、および周囲の電子機器は、依然として適切なEMC設計を必要とします。

• デジタルアイソレーターまたはオプトカプラーの代わりに光ファイバーを使用するのはいつですか？

デジタルアイソレーターとオプトカプラーは、PCBレベルまたはインターフェースレベルのアイソレーションに適していることがよくあります。光ファイバーは、必要な電気的分離をキャビネット、機械、高電圧ゾーン、またはグランド電位が不確実な機器間に物理的に拡張する必要がある場合に特に役立ちます。

• POFが短距離産業用通信に使用されるのはなぜですか？

POFは、非導電性の光経路と、比較的大きなコア、柔軟性、および実用的な取り扱いを組み合わせています。これらの特性は、非常に長い伝送距離よりも電気的アイソレーションと設置の実際性が重要な短い機械、キャビネット、および機器レベルのリンクに適しています。

• 光ファイバーをIGBTまたはSiCゲートドライバー制御パスに使用できますか？

はい。光リンクは、低電圧制御電子機器と高電圧スイッチングドメイン間の制御パスの一部を形成できます。完全なシステムは、適切なアイソレートされた電源、スイッチング保護、クリーページとクリアランス、タイミングパフォーマンス、およびEMC設計を引き続き必要とします。