Изолирующий усилитель: ИЗОЛИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

Содержание

ИЗОЛИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

Данная группа усилителей относится к готовым устройствам, предназначенным для гальванической развязки электрических цепей. К особенности данных микросхем относится то, что части усилителя могут питаться от разных источников каждый со своей <землей>. При этом разность потенциалов между <землями> может достигать нескольких киловольт. Микросхемы данной группы совмещают высокие изоляционные качества наряду с низким коэффициентом искажений и позволяют передавать как цифровые, так и аналоговые сигналы.
В корпусе микросхемы (см.рис) содержится 2 усилителя, разделенных между собой конденсатором малой емкости (порядка 1-2 пФ). Входной ток попадает на компаратор, на который также попадает и ток от перестраиваемого источника, управляемого датчиком передачи. На выходе передатчика (триггер Шмитта) появляется последовательность импульсов, которые, проходя через барьерную емкость, поступают на приемный датчик и далее на второй интегратор, где происходит преобразование импульсов в выходное напряжение.

Применение изолирующих усилителей достаточно широко: начиная от схем обработки информации с удаленных датчиков (давления, температуры), исследовательских и схем контроля, схем фильтров и заканчивая схемами передачи информации по протяженным линиям.

Основные электрические параметры:

Uизол. – Напряжение изоляции
Uпит. – Диапазон напряжений питания
Iпотр. – Ток потребления
Uсм. – Напряжение смещения
Uвх. – Входное напряжение
BW – Граничная частота

SR – Скорость нарастания выходного напряжения
e_n – Нормированное напряжение шумов (на частоте 1000 Гц)
КНИ – Коэффициент нелинейных искажений
Iвых. – Максимально-допустимый выходной ток

tуст. – Время установления
Траб.– Диапазон рабочих температур

Наименование

Uизол., В

Uпит., В

Iпотр., мА

Uсм., мВ

Uвх., В

BW, кГц

SR, В/мкс

e_n, мкВ/√Гц

КНИ, %

Iвых., мА

tуст., мкс

Tраб., °C

Особенности

ISO122

1500

±4,5…±18

5,0…7,0

20…50

±12,5

0,02

±5…±15

-25…+85

Прецизионный

ISO124

1500

±4,5…±18

5,0…7,0

20…50

±12,5

0,01

±5…±15

-25…+85

Прецизионный

Наименование
К продаже
Цена от

К продаже:

1 972 шт.

Цена от:

1 042,62₽

К продаже:

1 857 шт.

К продаже:

23 шт.

Цена от:

4 613,47₽

К продаже:

13 шт.

Цена от:

1 965,30₽

К продаже:

314 шт.

Цена от:

1 692,43₽

Изолирующий усилитель – Isolation amplifier

электронный усилитель, элемент схемы

Изолирующие усилители представляют собой разновидность дифференциальных усилителей, которые позволяют измерять слабые сигналы в присутствии высокого синфазного напряжения, обеспечивая электрическую изоляцию и барьер электробезопасности. Они защищают компоненты сбора данных от синфазных напряжений, которые представляют собой разность потенциалов между заземлением прибора и землей сигнала. Приборы, которые применяются при наличии синфазного напряжения без изолирующего барьера, позволяют циркулировать токам заземления, что в лучшем случае приводит к искажению исследуемого сигнала. В худшем случае, если предположить, что величина синфазного напряжения или тока достаточна, вероятно разрушение прибора. Изолирующие усилители используются в медицинских инструментах для обеспечения изоляции пациента от тока утечки источника питания.

Усилители с изолирующим барьером позволяют входному каскаду усилителя плавать по отношению к синфазному напряжению до предела напряжения пробоя барьера, которое часто составляет 1000 вольт или более. Это действие защищает усилитель и подключенный к нему прибор, позволяя при этом проводить достаточно точные измерения.

Эти усилители также используются для усиления сигналов низкого уровня в многоканальных приложениях. Они также могут устранить ошибки измерения, вызванные контурами заземления . Усилители с внутренними трансформаторами исключают внешний изолированный источник питания . Обычно они используются как аналоговые интерфейсы между системами с разделенными заземлениями .

Изолирующие усилители могут включать в себя изолированные источники питания как для входных, так и для выходных каскадов или могут использовать внешние источники питания на каждой изолированной части.

Концепции

Компоненты источника сигнала

Все источники сигнала представляют собой смесь нормального и синфазного напряжений.

Все источники сигнала состоят из двух основных компонентов. Составляющая нормального режима (V _NM ) представляет интересующий сигнал и представляет собой напряжение, которое подается непосредственно на входы усилителя. Синфазная составляющая (V _CM ) представляет собой разность потенциалов между нижней стороной составляющей нормального режима и землей усилителя, который используется для измерения интересующего сигнала (напряжение нормального режима).

Во многих ситуациях измерения синфазная составляющая несущественно низкая, но редко равна нулю. Компоненты синфазного режима всего в несколько милливольт часто встречаются и в значительной степени успешно игнорируются, особенно когда составляющая нормального режима на несколько порядков больше.

Первым показателем того, что величина синфазного напряжения конкурирует с составляющей нормального режима, является зашумленное воспроизведение последнего на выходе усилителя. Такая ситуация обычно определяет необходимость не в развязывающем усилителе, а скорее в дифференциальном усилителе . Поскольку синфазная составляющая появляется одновременно и синфазно на обоих входах усилителя, дифференциальный усилитель в рамках конструкции усилителя может ее отклонить.

Однако, если сумма напряжений в нормальном и синфазном режимах превышает либо диапазон синфазных сигналов дифференциального усилителя, либо максимальный диапазон без повреждений, то необходимость в изоляционном усилителе становится очевидной.

Принцип работы

Изолирующие усилители коммерчески доступны в виде гибридных интегральных схем , выпускаемых несколькими производителями. Есть три метода обеспечения изоляции.

Трансформатор – изолированный усилитель основаны на трансформаторной связи сигнала высокочастотного несущего между входом и выходом. Некоторые модели также включают изолированный от трансформатора блок питания, который также может использоваться для питания внешних устройств обработки сигналов на изолированной стороне системы. Доступная полоса пропускания зависит от модели и может составлять от 2 до 20 кГц. Разделительный усилитель содержит преобразователь напряжения в частоту, подключенный через трансформатор к преобразователю частоты в напряжение. Изоляция между входом и выходом обеспечивается изоляцией обмоток трансформатора.

Оптически изолированный усилитель модулирует ток через светодиодную оптрону . Линейность улучшается за счет использования второй оптопары в цепи обратной связи. Некоторые устройства обеспечивают полосу пропускания до 60 кГц. Гальваническая развязка обеспечивается преобразованием электрического тока в поток фотонов через пространство между светодиодом и детектором, независимо от промежуточной среды.

Третья стратегия – использовать небольшие конденсаторы для связи модулированной высокочастотной несущей; Конденсаторы могут выдерживать большие напряжения постоянного тока или переменного тока промышленной частоты, но обеспечивают связь для гораздо более высокочастотного несущего сигнала. Некоторые модели, работающие по этому принципу, могут выдерживать напряжение 3,5 кВ и обеспечивать полосу пропускания до 70 кГц.

Использование развязывающего усилителя

Разделительные усилители используются для измерения слабых сигналов при высоком синфазном напряжении. Емкость изолирующего усилителя зависит от двух основных характеристик изолирующего усилителя:

Напряжение пробоя изоляции усилителя, которое определяет абсолютное максимальное синфазное напряжение, которое он выдержит без повреждений. Стандартны характеристики от 1000 вольт и более.
Коэффициент подавления синфазного сигнала усилителя (CMRR). Спецификация CMRR определяет степень, в которой синфазное напряжение нарушит измерение компонентов в нормальном режиме и, следовательно, повлияет на точность измерения.

Частота синфазного напряжения может отрицательно повлиять на производительность. Высокочастотные синфазные напряжения создают трудности для многих изолирующих усилителей из-за паразитной емкости изолирующего барьера. Эта емкость проявляется в виде низкого импеданса для сигналов с более высокой частотой и позволяет синфазному напряжению существенно пройти через барьер и помешать измерениям или даже повредить усилитель. Однако большинство синфазных напряжений складываются из линейных напряжений, поэтому частоты обычно остаются в диапазоне от 50 до 60 Гц с некоторым содержанием гармоник, что находится в пределах диапазона подавления большинства изолирующих усилителей.

Дифференциальные усилители

Неизолированный дифференциальный усилитель не обеспечивает развязку между входными и выходными цепями. У них общий источник питания, и между входом и выходом может существовать путь постоянного тока. Неизолированный дифференциальный усилитель может выдерживать синфазные напряжения только до напряжения источника питания.

Подобно инструментальным усилителям, развязывающие усилители имеют фиксированное дифференциальное усиление в широком диапазоне частот, высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.

Типичное применение

Измерения ячеек с накоплением напряжения

Измерения ячеек с накоплением напряжения иллюстрируют потребность в развязывающем усилителе.

Измерения ячеек с накоплением напряжения – обычное дело в связи с растущей популярностью солнечных элементов и топливных элементов. В этом приложении техник хочет профилировать характеристики отдельных последовательно соединенных ячеек напряжения, но необходимость изолированного усилителя часто упускается из виду. ^a ^b ^c Пол Хоровиц, Winfield Hill The Art of Electronics Second Edition , Кембридж, 1989 ISBN 0-521-37095-7, страницы 462-464

внешние ссылки

ACPL-782T — изолирующий усилитель автомобильного исполнения

Автор: admin

27 Май

ACPL-782T — изолирующий усилитель, разработанный для мониторинга напряжения и тока электродвигателей и систем батарейного питания.

В типичном случае токи двигателя текут через внешний резистор, а результат падения напряжения на нем воспринимается ACPL-782T. На другой стороне оптически изолированного барьера создается дифференциальное выходное напряжение пропорциональное току, текущему через электродвигатель. Оно может быть конвертировано в однополярный сигнал с помощью схемы, указанной в рекомендациях по применению. Высокий уровень CMR (коэффициент ослабления синфазного сигнала) изолирующего усилителя ACPL-782T обеспечивает точность и стабильность, необходимую для корректного мониторинга токов и напряжений электродвигателей, работающих с шумным оборудованием, и позволяет обеспечить плавное управление (уменьшить пульсации крутящего момента). Усилитель может быть применен во множестве разработок для управления двигателем.

Отличительные особенности

Ослабление синфазного сигнала: 15 кВ/мкс (мин.) при V_CM = 1000 В
Дрейф коэффициента по температуре: 30 ppm/°C
Входное напряжение смещения: 0.3 мВ
Полоса пропускания: 100 кГц
Нелинейность: 0.004%
Сертифицирован по AEC-Q100
Автомобильный диапазон рабочих температур: -40…+125°C
Передовая технология Сигма-Дельта АЦП
Схема с полностью дифференциальной топологией
Компактный, поддерживающий автоматическую установку на ПП, 8-выводной корпус DIP

Область применения

Измерение силы тока и напряжения в автомобильных инверторах электроприводов
Измерение силы тока и напряжения в автомобильных AC/DC и DC/DC конвертерах
Автомобильные электронные блоки управления
Изолирующий интерфейс датчиков температуры

Типовая схема включения ACPL-782T

Запросить образцы, средства разработки или техническую поддержку

Документация на ACPL-782T (англ.)

Лекция 10 Изолирующие усилители Компьютерная схемотехника и…

Привет, сегодня поговорим про изолирующие усилители, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое изолирующие усилители , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров

Изолирующие усилители предназначены для гальванической развязки цепей, непосредственно подключенных к источнику ( датчику) сигнала и цепей, осуществляющих его обработку и/или передачу запоминающему или индицирующему устройству. Такая изоляция нужна, например, в таких приложениях, как

– медицинских приборах для защиты пациента от поражения электрическим током,

– для снижения погрешности передачи информации при значительных синфазных наводках на цепь передачи сигнала.

Для решения этих задач измерительную схему разбивают на две изолированные части. Передающая часть работает под потенциалом измерителя ( датчика), а приемная – под нулевым потенциалом. Для реализации подобного устройства необходимо, чтобы передающая часть имела отдельный, изолированный от приемной части, так называемый ”плавающий” источник электрической энергии.

Связь между этими частями может осуществляться посредством трансформаторов, емкостей или оптронов.

В качестве примера рассмотрим изолирующий усилитель с трансформаторной связью AD215, производства фирмы Analog Devises (рис.10.1).

Рис.10.1. Схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью AD215

Здесь для передачи входного сигнала через изолирующий барьер используется балансная амплитудная модуляция несущей частоты 430 кГц. Внутренний синхронизатор управляет демодулятором и передает часть энергии через трансформатор T2 для питания изолированной части и управления модулятором. Встроенный изолированный выпрямитель с фильтром обеспечивают питание изолированной части схемы постоянным током силой до 10мА при напряжении ±15В.

Пульсации напряжения на выходе демодулятора подавляются ФНЧ Бесселя с полосой пропускания 150 кГц. В результате амплитуда пульсаций выходного напряжения усилителя не превышает 5мВ. Полоса пропускания схемы 0…120кГц. При ограничении полосы пропускания до 50кГц дополнительным выходным фильтром амплитуда пульсаций выходного напряжения снизится до 1,2 мВ. Нелинейность коэффициента передачи схемы при К=1 не превышает 0,015%.

Компаратор – это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной анализируемый сигнал V_IN, а опорный сигнал ( или уровень сравнения) V_REF , то выходной сигнал компаратора, представляющий собой логический сигнал, V_OUT будет определяться по правилу:

Выходной сигнал компаратора в большинстве случаев подается на входы логических устройств и поэтому согласуется по уровню и мощности с их входами.

В качестве простейшего компаратора может быть использован операционный усилитель (рис.10.2). Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис.10.2. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂ . Если (V_IN – V_REF) > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытом диоде и не превышает 0,5…0,7 В. При (V_IN – V_REF) < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации V_СТ. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных схем, подключенных к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме.

Основное назначение источников опорного напряжения ( ИОН ) – создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве эталона. К таким устройствам можно отнести компараторы, стабилизаторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и др.

Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывается через токоограничивающий резистор к стабилитрону, который играет роль, так называемого параметрического стабилизатора, чей основной параметр – напряжение пробоя p-n перехода (рис.10.3).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис.10.4.

Рис.10.3. Схема ИОН на стабилитронах : а) параметрический ИОН,

Рис.10.4. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

При определенном обратном напряжении, называемом напряжением стабилизации V_СТ , происходит пробой p-n перехода, причем вследствии конструктивных и технологических особенностей этот пробой не приводит к выходу прибора из строя. Участок вольтамперной характеристики, соответствующий режиму пробоя, расположен почти вертикально, так что при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем меняется мало.

Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации

К_СТ = ΔV_IN/ΔV_REF

Коэффициент стабилизации для параметрического ИОН (рис.10.3а) может составлять 10…100. В ИОН компенсационного типа он может достигать величины порядка 10000.

Аналоговые коммутаторы служат для переключения аналоговых сигналов. Если коммутатор находится в состоянии ”включено”, его выходное напряжение должно, по возможности, точно равняться входному, если же коммутатор находится в состоянии ”выключено”, выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.

Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на рис.10.5 на примере механических ( контактных) переключателей.

Рис.10.5. Схемы механических коммутаторов: а) последовательный,

б) параллельный, в) последовательно-параллельный

Аналоговые коммутаторы, показанные на рис.10.5, могут быть реализованы на электронных компонентах с управляемым сопротивлением, имеющие малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности они вносят ряд статических и динамических погрешностей в коммутируемые сигналы. В число основных источников погрешностей входят:

– проходное сопротивление электронного ключа не равно нулю во включенном состоянии,

– наличие не равного нулю остаточного напряжения на замкнутом ключе при нулевом коммутируемом сигнале,

– нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) как на сигнальном, так и на управляющем входах,

– взаимовлияние управляющего и коммутируемого сигналов,

– наличие целого ряда паразитных емкостей, одни из которых приводят к ослаблению высокочастотных составляющих коммутируемого сигнала при замкнутом ключе, а также между управляющими и сигнальными цепями,

– ограниченный динамический диапазон коммутируемых токов и напряжений.

Ключи на биполярных транзисторах и в особенности на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы мВ, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов ( менее 100мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие ( время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нС) и применяются для построения сверхскоростных коммутаторов . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В менее быстродействующих коммутаторах гораздо шире применяются ключи на полевых транзисторах.

Схемы коммутаторов с ключами на МОП-транзисторах приведены на рис.10.6.

Рис.10.6. Последовательные коммутаторы с ключами на МОП транзисторах: а) на n-канальном МОП транзисторе, б) на КМОП транзисторах

Ключ на рис.10.6а предназначен для коммутации положительных напряжений, которые, как минимум на 5 В, меньше V_CTRL. При напряжении затвор-исток V_GS≤0 сопротивление канала достигает десятков ГОм и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения переводит канал в проводящее состояние с сопротивление от 1 до 300 Ом.

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплиментарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис.10.6б. Здесь на подложку транзистора VT₁ подается положительное питающее напряжение +V_S, а на подложку транзистора VT₂ отрицательное питающее напряжение –V_S.

При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT₂ практически равно +V_S. В этом случае транзистор VT₂ проводит сигналы с уровнями от –V_S до величины лишь на несколько вольт ниже +V_S. В то же время напряжение на затворе p-канального VT₁ практически равно –V_S и он пропускает сигналы с уровнями от +V_S до значения на несколько вольт выше –V_S. Таким образом все сигналы в диапазоне от –V_S до +V_S проходят через параллельно включенные VT₁ и VT₂.

При низком уровне управляющего сигнала оба транзистора заперты.

Эта схема одинаково работает в двух направлениях – ее сигнальные контакты S ( source – исток) и D ( drain – сток) могут служить как входом, так и выходом.

В качестве примера использования аналоговых ключей можно привести аналоговый мультиплексор (рис.10.7). Он позволяет выбрать один из нескольких входов, соответствующий поданному на него адресу. Такие мультиплексоры выпускаются либо отдельно, либо могут быть встроены в аналого-цифровой преобразователь или аналогичные устройства.

Каждый из ключей на рис.10.7 от S₀ до S₃ представляет собой аналоговый КМОП –ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде, и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения E необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов, если на этот вход подать сигнал низкого уровня, то независимо от состояния адресных входов все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые КМОП-ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексов является одновременно и демультиплексором, то есть сигнал может быть подан на выход мультиплексора и снят с избранного входа.

Рис.10.7. Схема аналогового мультиплексора 4х1: а) функциональная схема, б) условное обозначение

Для сложных коммутаций аналоговых аудио- и дидеосигналов предназначены так называемые матричные коммутаторы ( crosspoint switch). Их применяют в тех случаях, когда требуется соединить в заданной конфигурации несколько источников сигнала с несколькими приемниками, включая соединения, при которых к одному источнику сигнала подключаются несколько приемников. Это необходимо для видеосерверов, систем передачи видеосигналов, устройств видеонаблюдения, видеоконференций, аудиоприложений и др..

Для примера на рис.10.8 представлена блочно-функциональная схема микросхем матричных коммутаторов 8х8 AD8108/09 производства фирмы Analog Devises.

Рис.10.8. Блочно-функциональная схема микросхем AD8108/09

Поскольку здесь возможно подключение к источнику сигнала до восьми приемников, для уменьшения нагрузки на входы используются выходные буферные усилители. Эти усилители в AD8108 имеют единичное усиление по напряжению, а в AD8109 коэффициент усиления буферных усилителей равен двум.

Микросхемы AD8108/09 используют матрицу с 64 входными каскадами, организованными как восемь мультиплексоров 8х1. Выходы этого матричного коммутатора способны работать на стандартную 150 омную видеонагрузку при низком уровне искажений сигналов ( дифференциальные амплитудная и фазовая погрешности не превышают 0,02% и 0,02° соответственно). Входы обладают высоким сопротивлением (10 Мом) и малой емкостью (2,5 пФ). Выходы имеют низкое сопротивление (0,2 Ом на постоянном токе), но могут быть переведены в высокоимпедансное состояние ( до 10 МОм).

Коммутаторы AD8108/09 управляются двумя способами: последовательным и параллельным вводом данных. В первом случае через последовательный вход данных DATA IN вводится 32-разрядное управляющее слово, которое полностью определяет конфигурацию коммутатора. Для изменения состояния одного единственного ключа нужно полностью перепрограммировать матрицу 32-разрядным словом. При параллельном способе можно переключить один ключ, подав на входы данных (4 линии) и адреса (3 линии) микросхемы 7-разрядное слово в параллельном коде.

Фирма Analog Devises выпускает также матричные коммутаторы размерностью 16х8 (AD8110/11) и 16х16 (AD8113/14/15/15).

10.5. Оптореле

Оптореле сходны с аналоговыми коммутаторами, но отличаются от них прежде всего отсутствием электрической связи между цепью управления и коммутируемыми цепями. Напряжение электрической изоляции может достигать несколько киловольт. Оптореле различаются, прежде всего типами ключевых элементов, в качестве которых применяются тиристоры, биполярные транзисторы и МОП-транзисторы. Первые два вида ключей обладают плохими точностными характеристиками, поэтому соответствующие типы оптореле применяются исключительно для коммутации силовых цепей небольшой мощности. Оптореле с МОП-транзисторами имеют неплохие точностные характеристики, поэтому они могут применяться в качестве коммутаторов аналоговых каналов. На рис.7.26 приведена схема оптореле на МОП-транзисторах.

Рис.10.9. Схема оптореле на МОП-транзисторах

Силовой ключ образуют два МОП-транзистора с каналом n-типа, включенные встречно-последовательно. Это хотя и увеличивает вдвое сопротивление открытого ключа, но позволяет получить высокое максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии. Управление состоянием обоих транзисторов осуществляется несколькими фотодиодами, включенными последовательно. Фотодиоды работают в данном случае как фотоэлементы в режиме холостого хода. При освещении каждый из них вырабатывает напряжение около одного вольта, поэтому при пропускании тока I_CTRL через светодиод транзисторы открываются. Динамическое сопротивление фотодиодов даже в режиме холостого хода сравнительно велико, поэтому процессы отпирания и запирания ключа, связанные с зарядом входной емкости МОП-транзисторов, протекают довольно медленно.

Типичным представителем этого класса приборов является 2-канальное оптореле TLV422 фирмы International Rectifier. Это реле может обеспечить коммутацию разнополярных сигналов с напряжением до 400 В, чего не допускает ни один КМОП-коммутатор. Максимально допустимое напряжение изоляции составляет 4 кВ. Сопротивление открытого канала не более 20 Ом при входном токе управления 5 мА. Типичное время отпирания ключа при коммутируемом токе 20 мА – 800 мкс, а выключения – 400 мкс. Ток утечки закрытого ключа достигает 1 мкА ( у аналоговых коммутаторов он меньше 1 нА).

Стандартная схема преобразования аналогового сигнала в цифровой предусматривает дискретизацию по времени и последующую дискретизацию по уровню. Дискретизация по времени осуществляется с помощью устройств выборки-хранения ( УВХ ), которые на интервале выборки ( слежения) повторяют на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения сохраняют последнее значение входного напряжения до поступления следующего сигнала выборки, то есть, по сути, они являются аналоговыми запоминающими устройствами. Хранимый сигнал ( текущая выборка по времени) поступает на аналого-цифровой преобразователь ( АЦП ) для преобразования в цифровой вид. Для правильной работы АЦП необходимо, чтобы преобразуемый сигнал на протяжении времени преобразования оставался постоянным. Схема простейшего УВХ приведена на рис.10.10а.

Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, то есть V_OUT = V_IN (рис.10.10б). При размыкании ключа V_OUT сохраняет значение, соответствующее моменту размыкания. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения C_H на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе. По такой схеме построены, например, многоканальные УВХ SMP04/08 фирмы Analog Devises.

УВХ выпускаются в виде отдельных микросхем, либо совместно с АЦП в одной микросхеме.

Рис.10.10. Устройство выборки-хранения : а) принципиальная схема,

б) временные диаграммы

Цифроаналоговый преобразователь ( ЦАП ) предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. На рис.10.11 представлена общая классификация ЦАП по способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.

Рис.10.11. Обобщенная классификация ЦАП

Дальнейшую классификацию ЦАП можно провести по ряду специфических признаков, например:

– по роду выходного сигнала: преобразователи с токовым выходом или с выходом по напряжению,

– по типу цифрового интерфейса : с последовательным вводом или с параллельным вводом,

– по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные,

– по быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия,

– по разрядности.

Наиболее простую конструкцию имеют параллельные ЦАП с суммированием весовых токов резистивными цепями (рис.10.12).

Рис.10.12. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов

В этой схеме сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного кода равен единице. Выходной ток определяется соотношением

где k – разрядность входного кода, d_k принимает значение 0 или 1 в зависимости от состояния k-го разряда входного тока, D – входной код

( точнее, суммарный вес входного кода). При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс весовых токов не должен превышать доли тока младшего разряда.

Рассмотренная схема ЦАП с суммированием весовых токов при всей ее простоте обладает рядом недостатков:

– при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину выходного напряжения ИОН,

– значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых микросхемах; кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это ведет к дополнительным погрешностям преобразования,

– в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

В настоящее время разными фирмами выпускается большое количество ЦАП, основанных на разных принципах, которые тем или иным образом обходят эти недостатки и обеспечивают высокие характеристики по точности и быстродействию.

В схеме устройства ЦАП появляется тогда, когда необходимо обработанный цифровой сигнал преобразовать в аналоговую форму и подать на исполнительное устройство, которым может быть динамик, электродвигатель и т.п. Другим использованием ЦАП является прямой синтез сигналов необходимой формы, который предварительно формируется в цифровом виде, а затем с помощью ЦАП преобразовывается в аналоговый вид. Для примера на рис.10.13 приведена упрощенная схема генератора прямого цифрового синтеза (ПЦС) синусоидального сигнала с широким диапазоном задаваемых частот.

Рис.10.13. Упрощенная схема генератора ПЦС синусоидального сигнала

Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Необходимое приращение фазы Δφ в виде цифрового кода загружается последовательно или побайтно во входные регистры. Память играет роль таблицы функций.

Системы прямого цифрового синтеза чрезвычайно гибки. Частота выходного сигнала может быть изменена практически мгновенно без разрыва фазы простым изменением содержимого входных регистров.

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую предполагает две операции. Первая – дискретизация по времени. Она осуществляется с помощью устройств выборки-хранения, рассмотренных ранее. Вторая – дискретизация по уровню. Для этого предназначены аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

В простейшем случае АЦП представляют собой набор компараторов и логическое устройство, выдающее на выходе код, зависящий от того, какие компараторы сработали. На рис.10.14 показана схема такого 3-х разрядного АЦП. Подобные АЦП называются параллельными.

Рис.10.14. Схема параллельного АЦП

Весь диапазон входного сигнала разбит на восемь уровней, которые можно закодировать тремя двоичными разрядами. В соответствии с этими уровнями сформировано семь пороговых напряжений, которые подаются на семь компараторов. Все компараторы сравнивают входной сигнал со своим порогом. Входному сигналу сопоставляется цифровой код, соответствующий максимальному номеру компаратора, из тех, что сработали. Если ни один компаратор не сработал, то на выход подается код 000. Логическая схема, формирующая выходной код состоит из приоритетного шифратора и трех триггеров, в которые записывается выходной сигнал импульсами синхронизации.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь MAX108 позволяет производить 1,5 млрд преобразований в секунду. Недостатком этой схемы является большой объем и сложность реализации. N-разрядный параллельный АЦП должен содержать 2^N-1 компараторов и 2^N согласованных прецизионных резисторов. Так, например, АЦП AD9060 содержит 512 компараторов.

Поэтому для приложений, где не требуется максимальная скорость преобразований, производится обмен быстродействия на экономию оборудования за счет тактирования работы АЦП и использования одних и тех же компараторов для определения разных разрядов. В самом медленном варианте остается один компаратор, с помощью которого определяются все разряды (рис.10.15).

Рис.10.15. АЦП последовательного счета: а) структурная схема,

б) временная диаграмма работы

Схема содержит счетчик, на который поступают счетные импульсы от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Код, сформированный в счетчике поступает в ЦАП, выходной сигнал которого используется в качестве порогового для компаратора. Код в счетчике начинается с нулевого и потактно возрастает на единицу. Как только сработает компаратор, подача импульсов на счетчик прекращается и достигнутый код подается на выход. На следующем цикле обработки на вход компаратора поступает очередное значение V_IN, счетчик сбрасывается в ноль и подача импульсов на счетчик возобновляется.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис.10.15 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

Рис.10.15. Классификация АЦП

Выбор АЦП для использования осуществляется адекватно приложению с учетом необходимых точности, быстродействия, потребления, габаритов и допустимой стоимости.

Постепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройством выборки-хранения, АЦП со сложной цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченные однокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от многих датчиков и передачу их на микро-ЭВМ. Структурная схема развитой системы сбора данных приведена на рис.10.16.

Рис.10.16. Структурная схема системы сбора данных

( УПК – усилитель с программируемым коэффициентом усиления, УВХ – устройство выборки-хранения, ИОН – источник опорного напряжения , ШД – шина данных)

В схему встроены устройство выборки-хранения и источник опорного напряжения. Для подключения к нескольким источникам входных аналоговых сигналов используется аналоговый мультиплексор. Чтобы сократить частоту прерываний главного процессора некоторые схемы сбора данных снабжаются оперативным запоминающим устройством типа FIFO (first input – first output, первый вошел, первый вышел). Измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (УПК), входящий в систему, меняет свой коэффициент усиления по команде от схемы управления. Это позволяет выровнять диапазоны аналоговых сигналов с различных входов.

Примерами таких систем сбора данных могут служить, например, микросхемы AD7581, AD1B60 и LM12458.

10.9. Контрольные вопросы

1. Схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью и описание его работы.

2. Схема компаратора на ОУ.

3. Схема источника опорного напряжения на стабилитроне и компенсационного типа.

4. Схемы механических коммутаторов и коммутаторы с ключами на МОП транзисторах.

5. Функциональная схема аналогового мультиплексора 4х1 и его условное обозначение.

6. Схема оптореле на МОП-транзисторах.

7. Функциональная схема устройства выборки-хранения и временные диаграммы его работы.

8. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов.

9. Упрощенная схема генератора прямого цифрового синтеза синусоидального сигнала.

10. Схема параллельного АЦП.

11. Структурная схема АЦП последовательного счета и временная диаграмма его работы.

12. Классификация АЦП.

13. Структурная схема системы сбора данных.

Понравилась статья про изолирующие усилители? Откомментируйте её Надеюсь, что теперь ты понял что такое изолирующие усилители и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятелно рекомендую изучить комплексно всю информацию в категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров

Изолирующий усилитель (гальваническая развязка) для осциллографа

РадиоКот >Схемы >Цифровые устройства >Измерительная техника >

Изолирующий усилитель (гальваническая развязка) для осциллографа

Некоторые специализированные, дорогие модели осциллографов имеют гальванически изолированные друг от друга входные каналы Y, а практически все массовые, бюджетные 2х и 4х-канальных осциллографы такой особенности лишены. Это сильно затрудняет или даже делает невозможным, в некоторых ситуациях применять такой осциллограф. Так в очередной раз столкнувшись с этой проблемой и не найдя ни одной любительской конструкции на эту тему, взялся за ее решение. Результаты копания в загашниках компонентов определили элементную базу и соответственно ожидаемые характеристики.

Описываемый в этой статье изолирующий усилитель конечно не обладает полноценным входом, как в промышленных осциллографах, но во многих случаях позволит одновременно наблюдать сигналы, имеющие разный потенциал общего провода (земли). Применение этого изолирующего усилителя будет так-же полезно и с 1-канальным осциллографом, оснащенным отдельным входом внешней синхронизации, позволяя увязать процессы в разных цепях по времени. Питание усилителя осуществляется от разъема USB, который как правило, тоже присутствует на осциллографе, или от отдельного адаптера +5VDC.

ТТХ изолирующего усилителя:

Допустимый потенциал между входом и выходом: 500VDC.
Входное сопротивление: 50кОм.
Переключатель постоянного/переменного входного напряжение.
Плавный входной делитель напряжения: 1:1…1:100.
Диапазон входного напряжения (при 1:1): -1.6В…+1.6В.
Диапазон выходного напряжения аналогового канала: 0В…+3.3В.
Средняя точка выхода аналогового канала: +1.6В.
Входной порог срабатывания логического канала: +150мВ.
Диапазон выходного напряжения логического канала: 0В/+3.3В.
Частота оцифровки аналогового канала: 495кГц.
Полоса пропускания аналогового канала: 240кГц.
Разрядность аналогового канала: 10бит.
Задержка сигнала в аналоговом канале: 5мкс.
Задержка сигнала в логическом канале: 200нс.
Максимальная частота логического канала (меандр 3.3В): 9.3МГц.
Индикация (светодиоды):
– включение (поток с входной части).
– лог.1 в логическом канале (регистрация коротких импульсов).
– перегрузка аналогового входа (в том числе на короткое время).
Ток потребления: 92мА.
Размеры: 92х58х43мм.

Схема состоит из двух частей, гальванически изолированных друг от друга. В каждой части имеется микроконтроллер, который производит обработку сигнала. Первый микроконтроллер оцифровывает входной аналоговый сигнал встроенным ADC и использую канал DMA отправляет поток в модуль SPI. Далее, через схему гальванической развязки, поток данных попадает на второй микроконтроллер, который из принятого собственным модулем SPI потока, с помощью встроенного DAC, восстанавливает аналоговый сигнал.

Входной сигнал с коаксиального разъема, проходит через конденсатор, которым можно отсечь постоянное напряжение. Далее сигнал поступает на плавный делитель напряжения, в качестве которого использован переменный резистор. С делителя сигнал идет на встроенный в микроконтроллер компаратор (ножка PA1), а также через повторитель на ОУ, на вход АЦП (ножка PA2). На выходе ЦАП (ножка PA4) формируется напряжение средней точки, которое после еще одного повторителя на ОУ, будет являться входной виртуальной землей. Это необходимо, чтобы АЦП микроконтроллера смог работать и с отрицательными входными сигналами. На резисторах R4R5 собран делитель смещения второго входа встроенного компаратора (ножка PA0). Для ускорения прохождения сигнала логического канала, выход компаратора (ножка PA6) подключен непосредственно к схеме гальванической развязки.

К микроконтроллеру входной части подключено два светодиода. HL1 индицирует состояние логического канала, обозначая заметными вспышками даже очень короткие импульсы. HL3 аналогично индицирует перегрузку (клиппинг) аналогового канала. Светодиод HL2 выходной части горит при наличии потока данных с входной части.
Питание входной части осуществляется через гальванически развязанный DC-DC преобразователь DC0509C2 или подобный 5В в 9В в корпусе DIP-24. Такие преобразователи, в свое время, массово применялись в сетевых картах с выходом на коаксиальный кабель (с разъемом BNC).

Проект для микроконтроллеров делался в Keil uVision 5, прошивки написаны с использованием библиотек SPL (Standard Peripherals Library). Прошиваются микроконтроллеры каждый своей прошивкой через SWD (программатором ST-LINK/V2).
Компоненты. Микроконтроллеры STM32F051K6T6 или STM32F051K8T6. ОУ – rail to rail, MCP6022, MCP6002 и др. Изоляторы – ADUM1200 или другие из этой серии, на суммарное количество каналов в одну сторону не менее 4. С существенными переделками возможно применение быстрых оптронов типа 6N137 и подобных. Тумблеры и переменный резистор любые, подходящих размеров. Переменный резистор может иметь сопротивление 50-220кОм или больше.

Проект печатной платы сделан в PCAD2006. Плата разведена в Topor’е под корпус Sanhe 20-22. Корпус идеально вписался в некрасивую пустоту передней панели осциллографа 🙂

Изготовление платы возможно по лазерно-утюговой технологии. Сборка не сложна, достаточно просверлить в корпусе отверстия под разъем, тумблеры, переменный резистор, светодиоды и выходные кабели. После установки всех компонентов в корпус, произвести все соединения проводами наименьшей длины. Напечатать и наклеить на корпус бумажки с подписями.

Усилитель не имеет особой защиты входа, это предъявляет к процессу использования определенные требования. Сначала нужно подключить к исследуемой цепи один канал осциллографа и ориентировочно определить размах сигнала. Затем через изолирующий усилитель подключить второй канал к той-же точке и плавным делителем привести размах сигнала к реальной размерности В/дел. После этого можно переносить первый канал осциллографа на другой участок цепи, с другим потенциалом земли.

Картинки. Желтый луч – входной сигнал, голубой – выход изолирующего усилителя.
Аналоговый канал:

Логический канал:

Файлы:
Наклейки (sPlan)
Прошивка и исходники
Гербер
Проект в PCAD2006
Плата для ЛУТ и монтажка
Принципиальная схема

Все вопросы в Форум.

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

9.7. Контрольные вопросы

1.Нарисуйте схемное обозначение операционного усилителя и приведите формулу для выходного сигнала.

2.Принцип отрицательной обратной связи и выражение для выходного сигнала и коэффициента усиления операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью.

3. Дифференциальное включение ОУ.

4. Инвертирующее включение ОУ.

5. Неинвертирующее включение ОУ.

6. Схема инвертирующего сумматора на ОУ.

7. Схема инвертирующего интегратора на ОУ.

8. Схема дифференциатора на ОУ.

9. Источник напряжения, управляемый током, на ОУ.

10. Источник тока, управляемый напряжением, для заземлённой нагрузки, на ОУ.

11. Активный ФНЧ второго порядка на ОУ.

12. Схема логарифмического и экспоненциального преобразователей на ОУ.

13. Триггер Шмидта на ОУ.

14. Автоколебательный мультивибратор на ОУ.

15. Схема ждущего мультивибратора на ОУ.

Лекция 10

10.1. Изолирующие усилители

Изолирующие усилители предназначены для гальванической развязки цепей, непосредственно подключённых к источнику ( датчику) сигнала и цепей, осуществляющих его обработку и/или передачу запоминающему или индицирующему устройству. Такая изоляция нужна, например, в таких приложениях, как

медицинских приборах для защиты пациента от поражения электрическим током,
при измерениях в высоковольтных цепях,
для снижения погрешности передачи информации при значительных синфазных наводках на цепь передачи сигнала.

Для решения этих задач измерительную схему разбивают на две изолированные части. Передающая часть работает под потенциалом измерителя ( датчика), а приёмная – под нулевым потенциалом. Для реализации подобного устройства необходимо, чтобы передающая часть имела отдельный, изолированный от приёмной части, так называемый ”плавающий” источник электрической энергии.

Связь между этими частями может осуществляться посредством трансформаторов, ёмкостей или оптронов.

Рис.10.1. Схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью AD215

Здесь для передачи входного сигнала через изолирующий барьер используется балансная амплитудная модуляция несущей частоты 430 кГц. Внутренний синхронизатор управляет демодулятором и передаёт часть энергии через трансформатор T2 для питания изолированной части и управления модулятором. Встроенный изолированный выпрямитель с фильтром обеспечивают питание изолированной части схемы постоянным током силой до 10мА при напряжении ±15В.

10.2. Аналоговые компараторы

Выходной сигнал компаратора в большинстве случаев подаётся на входы логических устройств и поэтому согласуется по уровню и мощности с их входами.

В качестве простейшего компаратора может быть использован операционный усилитель (рис.10.2). Усилитель включён по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис.10.2. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂ . Если (V_IN – V_REF) > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытом диоде и не превышает 0,5…0,7 В. При (V_IN – V_REF) < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации V_СТ. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных схем, подключенных к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причём в обоих усилитель работает в линейном режиме.

Изолирующие усилители, контроллеры уровня для разных производств

Контрольно-измерительные приборы и автоматика (КИПиА) ⇒ Каталог ⇒ Уровень ⇒ Контроллеры

Для измерений предельного уровня вещества и сыпучих материалов используются контроллеры уровня. Данное оборудование контролирует датчики, чем защищает хранилища от переливов, а насосы от сухого хода. При этом сигнал передается на устройство посредством кабельного подключения. В преобразователе предусмотрен беспотенциальный релейный выход для сигналов потока и значений уровня, который исключает ошибочные реакции.

Сам процесс калибровки контроллера уровня не занимает много времени и не требует узкоспециализированных знаний. Присутствует функция мониторинга подключенных кабелей и электроники.

Изолирующие усилители, помимо защиты от перепадов напряжения, выполняют функцию усилителя слабых сигналов в многоканальных схемах. С помощью этого оборудования устраняются погрешности замеров, которые могут возникнуть из-за контуров в системе заземления.

Если изолирующий усилитель укомплектовать трансформатором, то его стоимость значительно снизится, так как будут полностью исключены дополнительные компоненты изоляции напряжения питания.

Выберите бренд

Endress+Hauser
Siemens
WIKA

Transmitter FTC325
Преобразователь Transmitter FTC325 разработан специально для использования во взрывоопасных зонах. Для этих целей в конструкции прибора предусмотрена искробезопасная сигнальная цепь. Технические возможности позволяют эксплуатировать оборудование в резервуарах и на силосах, в том числе тех, которые содержат вредные для воды жидкости.
Density Computer FML621
Вычислитель плотности Density Computer FML621 используется в трубопроводах и емкостях для любых продуктов. Функциональные возможности делают это оборудование универсальным. Пользователям доступны дополнительные опции, в частности, вычисления массы продукта, сравнительной плотности и другие.
Transmitter FTC470Z
Преобразователь Transmitter FTC470Z используется в резервуарах с жидкостями и силосах с сыпучими продуктами. Компактное оборудование может монтироваться в разных системах защиты от переливов, обеспечивая точность измерений. Беспотенциальный релейный выход исключает вероятность ошибочных реакций преобразователя.
Transmitter FTC471Z
Компактный преобразователь Transmitter FTC471Z сертифицирован на эксплуатацию в системах защиты от перелива. Оборудование выпускается в разных модификациях, в том числе для использования на участках с высоким риском взрывоопасности. Преобразователь обеспечивает высокую точность измерений. Вероятность ошибочных реакций исключена.
Transmitter FTC625
Преобразователь Transmitter FTC625 в искробезопасном исполнении обеспечивает бесперебойную эксплуатацию измерительных датчиков во взрывоопасных зонах. Непрерывный мониторинг состояния электрического кабеля осуществляют электронные модули FEI57S или EC27Z. Самодиагностика исключает риск поломок или неточных показаний прибора.
Nivotester FTL325N
Изолирующий усилитель Nivotester FTL325N выпускается в одноканальном и трехканальном исполнениях. Прибор обеспечивает подключение измерительного оборудования NAMUR. Допускается эксплуатация в Зоне 0, Зоне 20, а также на взрывоопасных участках. Эксплуатация усилителя обеспечивает измерения и двухточечное управление.
Nivotester FTL325P
Преобразователь Nivotester FTL325P с искробезопасной сигнальной цепью используется для подключения датчиков предельного уровня. Прибор соответствует высшему уровню функциональной безопасности, может использоваться в резервуарах с горючими и негорючими жидкостями, а также в силосах с сыпучими продуктами.
Nivotester FTL375N
Преобразователь Nivotester FTL375N доступен в разных исполнениях. Технические характеристики прибора позволяют подключать до трех датчиков. Мониторинг соединительный кабелей и вибровилки датчика обеспечивает высокие параметры функциональной безопасности. Преобразователь совместим с высокотемпературными датчиками.
Nivotester FTL375P
Преобразователь Nivotester FTL375P необходим для подключения датчиков предельного уровня. Функциональные возможности позволяют использовать оборудование для определения наличия жидкости в трубопроводах и защиты насосов от осушения, защиты от переполнения емкостей с горючими и негорючими продуктами.
Nivotester FTL670
Преобразователь Nivotester FTL670 используется как часть измерительной системы предельного уровня горючих и негорючих жидкостей, сжиженного газа. Оборудование соответствует международным стандартам безопасности. Светодиодная индикация и непрерывный самомониторинг повышают его надежность.

Изоляционные усилители

| Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить
Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:
Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам проводить веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Файлы cookie для таргетинга / профилирования:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.
Отклонить файлы cookie
Методы проектирования, схема и ее применение
Изолирующий усилитель или усилитель с единичным усилением обеспечивает изоляцию от одной части схемы к другой. Таким образом, мощность не может быть получена, использована и потрачена впустую в цепи. Основная функция этого усилителя – увеличение сигнала.Тот же входной сигнал операционного усилителя выдается точно из операционного усилителя как выходной сигнал. Эти усилители используются для обеспечения электрической безопасности батареи, а также изоляции. Эти усилители защищают пациентов от утечки тока. Они нарушают омическую непрерывность электрического сигнала между входом и выходом, а изолированный источник питания может быть обеспечен как для входа, так и для выхода. Таким образом, сигналы низкого уровня могут быть усилены.
Что такое развязывающий усилитель?
Разделительный усилитель можно определить как усилитель, не имеющий проводящего контакта между входными и выходными секциями.Следовательно, этот усилитель обеспечивает омическую изоляцию между клеммами i / p и o / p усилителя. Эта изоляция должна иметь меньшую утечку, а также высокое напряжение пробоя диэлектрика. Типичные значения резистора и конденсатора усилителя среди входных и выходных клемм: резистор должен иметь сопротивление 10 Терам, а конденсатор – 10 пикофарад.

развязывающий усилитель
Эти усилители часто используются, когда существует чрезвычайно большая разница синфазного напряжения между входом и выходом.В этом усилителе нет омической схемы от земли входа до земли выхода.
Способы проектирования развязывающего усилителя
В развязывающих усилителях используются три метода проектирования, которые включают следующие.
Изоляция трансформатора
Оптическая изоляция
Емкостная изоляция
1). Изоляция трансформатора
В этом типе изоляции используются два сигнала, такие как ШИМ или частотно-модулированные.Внутри этот усилитель включает в себя генератор 20 кГц, выпрямитель, фильтр и трансформатор для подачи питания на каждый изолированный каскад.
Выпрямитель используется как вход к основному операционному усилителю.
Трансформатор подключает питание.
Генератор используется как вход для вторичного операционного усилителя.
ФНЧ используется для удаления составляющих другой частоты.
К преимуществам трансформаторной развязки, в основном, относятся высокий CMRR, линейность и точность.
Изоляция трансформаторов применяется в основном в медицине, атомной промышленности и промышленности.
2). Оптическая изоляция
В этой изоляции сигнал l может быть изменен с биологического на световой сигнал со светодиодом для дальнейшей обработки. В этом случае цепь пациента является входной цепью, тогда как выходная цепь может быть образована фототранзистором. Эти схемы работают от батареи. Цепь i / p изменяет сигнал на свет, а схема o / p меняет свет обратно на сигнал.
К преимуществам оптической развязки в основном относятся;
Используя это, мы можем получить амплитуду и исходную частоту.
Он подключается оптически без необходимости модулятора, иначе демодулятора.
Повышает безопасность пациента.
Применение изоляции трансформатора в основном включает управление технологическими процессами в промышленности, сбор данных, биомедицинские измерения, мониторинг пациента, интерфейсный элемент, испытательное оборудование, управление SCR и т. Д.
3). Емкостная изоляция
Использует частотную модуляцию и цифровое кодирование входного напряжения.
Входное напряжение может быть изменено на относительный заряд переключенного конденсатора.
Он включает в себя такие схемы, как модулятор, а также демодулятор.
Сигналы передаются через дифференциальный емкостной барьер.
Для обеих сторон поставляются отдельно.
К преимуществам емкостной развязки в основном относятся:
Эта изоляция может использоваться для устранения шумов пульсаций.
Они используются для аналоговых систем.
Она включает линейность и стабильность высокого усиления.
Обеспечивает высокую устойчивость к магнитным помехам.
С его помощью можно избежать шума.
Применения емкостной изоляции в основном включают сбор данных, интерфейсный элемент, мониторинг пациента, ЭЭГ и ЭКГ.
Характеристики
К основным характеристикам изолирующего усилителя в основном относятся следующие.
Источник напряжения
Источник тока
Рабочая температура
Источник напряжения усилителей в основном относится к диапазону источника напряжения.Источник тока – это величина тока, которая снимается с источника питания, поскольку он связан с усилителем. Рабочая температура усилителя – это конкретное значение температуры окружающей среды.
В этих усилителях используются различные методы уменьшения искажений и огромной нелинейности сигнала, например, использование LOC (линейной оптопары) для повышения линейности усилителя в точном диапазоне сигнала. Этот LOC включает входной светодиод, подключенный к 2 фотодиодам. Эти фотодиоды питают схемы ввода и вывода.
При проектировании этого усилителя основной задачей является уменьшение дрейфа сигнала, а изолирующий усилитель часто нагревается во время работы, тогда ток, подаваемый на схему, уменьшится. Эти усилители обычно оцениваются по размеру, характеристикам и стоимости, при этом техническими требованиями являются стабильность, линейность и высокочастотная характеристика сигнала. Основными проблемами при разработке этого усилителя являются напряжение пробоя и устранение утечек.
Как добиться изоляции?
Когда входное сопротивление операционного усилителя чрезвычайно велико, может возникнуть изоляция.Поскольку эта схема имеет высокий входной импеданс, из схемы усилителя может поступать незначительный ток. Согласно закону Ома, когда сопротивление велико, ток будет меньше потребляться от источника питания.
схема развязки-усилителя-схема
Следовательно, операционный усилитель не потребляет значительного количества тока от источника питания. Таким образом, на практике ток не будет потребляться, а также передаваться из одной части в другую часть цепи. Таким образом, этот усилитель работает как изолирующее устройство.
Когда входное сопротивление операционного усилителя низкое, он потребляет большой ток. Закон Ома гласит, что если сопротивление нагрузки имеет меньшее сопротивление, то он потребляет большой ток от источника питания, так что могут быть вызваны большие помехи, а это совершенно противоположно изоляции. Здесь развязывающий усилитель работает как буфер, и они не усиливают сигналы, хотя обеспечивают изоляцию разделов цепей.
Разделительный усилитель Применения
Эти усилители обычно используются в таких приложениях, как преобразование сигналов.Здесь могут использоваться различные биполярные, КМОП и дополнительные биполярные усилители, которые включают прерыватель, развязку, инструментальные усилители.
Так как некоторые устройства работают с маломощными источниками энергии, в противном случае они работают от батарей. Выбор изолирующего усилителя для различных приложений в основном зависит от характеристик напряжения питания усилителя.
Таким образом, речь идет об изолирующих усилителях, которые можно использовать для электрической изоляции таких сигналов, как входные и выходные, с помощью индуктивных соединений.Эти усилители защищают электрические и электронные компоненты от перенапряжений в различных приложениях, использующих множество каналов. К вам вопрос, а каково применение этого усилителя в медицинских приборах?
Методы проектирования, особенности и их применение
Иногда при выполнении электрических операций для нас становится важным изолировать одну часть цепи от другой, чтобы предотвратить чрезмерную потерю энергии. По этой причине мы используем развязывающий усилитель, который действует как изолирующее устройство.Основное назначение развязывающего усилителя – электрически отделить цепь, которая идет перед усилителем, от цепи, которая идет после усилителя. Таким образом, можно сказать, что развязывающий усилитель может использоваться для омической развязки между выходом и входом усилителя. В некоторых случаях изолирующий усилитель также может использоваться для усиления сигналов низкого уровня.
Что такое развязывающий усилитель?
Определение: Разделительный усилитель также известен как усилитель единичного усиления.По сути, это схема операционного усилителя, которую можно использовать для отделения части схемы от другой. Таким образом, он гарантирует, что мощность не потребляется и не расходуется впустую в какой-либо части цепи. Разделительный усилитель не используется для усиления сигнала. Сигнал, который вводится в усилитель, и сигнал, который выходит из усилителя, абсолютно одинаковы, что означает, что входное напряжение остается таким же, как выходное напряжение. Если входное напряжение составляет 10 В переменного тока, то выходное напряжение также равно 10 В переменного тока.Схема изолирующего усилителя показана ниже.
изолирующий усилитель
Изоляционный усилитель Методы проектирования
Существует три метода, которые используются для создания изолированного усилителя. Эти три метода были упомянуты ниже:
Изоляция трансформатора
Изоляция трансформатора использует либо сигнал с широтно-импульсной модуляцией, либо сигнал с частотной модуляцией. Внутренне частота генератора составляет 20 кГц. Наряду с этим в приборе есть выпрямитель, трансформатор и фильтр, обеспечивающий питание различных изолированных ступеней.Выпрямитель используется для обеспечения входа в первичный операционный усилитель, трансформатор может подключать питание, генератор используется для обеспечения входа во вторичный операционный усилитель, а фильтр нижних частот удаляет частотные составляющие из схемы.
Преимущества
К преимуществам трансформаторной развязки можно отнести следующее.
Он имеет высокую точность
Он имеет высокую линейность
Коэффициент отклонения синфазного сигнала также довольно высокий
Применения
Применение изоляции трансформатора включает следующее.
Мониторинг пациентов и диагностические цели в медицинских областях
Устранение контура заземления в промышленности
Изоляция мощности на атомных электростанциях
Оптическая изоляция
В усилителях этого типа биологический сигнал преобразуется в световой сигнал. Это устройство имеет цепь пациента, которая также является входной цепью, а выходная цепь – фототранзистором. Батарея управляет всеми цепями. Входная схема может преобразовывать сигнал в свет, а выходная схема снова преобразует свет в сигнал.
Преимущества
К преимуществам оптической развязки можно отнести следующее.
Получены исходные амплитуда и частота
Высокая линейность
В схеме не используется модулятор или демодулятор
Может повысить безопасность пациента
Приложения
Применения оптической развязки включают следующее.
Сбор данных и мониторинг пациента
Биомедицинские измерения
Устранение контура заземления
Испытательное оборудование
Изоляция с емкостной связью
В усилителях этого типа выполняется цифровое кодирование входного напряжения.Он также допускает частотную модуляцию. Входное напряжение преобразуется в пропорциональный заряд конденсатора. Устройство имеет как модуляторы, так и схему демодулятора. Сигнал схемы проходит через дифференциальные емкостные барьеры. Мы используем отдельные поставки для обеих сторон.
Преимущества
Преимущества емкостной развязки заключаются в следующем.
Удаляет шумы пульсации
Используется в различных аналоговых системах
Высокая линейность
Высокая стабильность
Приложения
Применения емкостной развязки включают следующее.
Сбор данных
Мониторинг пациента
ЭКГ
ЭЭГ
Характеристики
Основные характеристики изолирующего усилителя следующие:
Источник напряжения: Обычно его называют диапазоном напряжения источники.
Источник тока: Это величина тока, потребляемого от источника питания.
Рабочая температура: Это относится к определенному значению температуры окружающей среды, при которой работает усилитель.
Усилители обычно оцениваются на основе их стоимости, производительности и размера. Наряду с этим также учитываются различные технические требования, такие как линейность, стабильность и высокочастотная характеристика сигнала. Основные проблемы, возникающие при проектировании изолирующего усилителя, связаны с управлением напряжением утечки и пробоя.
Как добиться изоляции?
Операционный усилитель или операционный усилитель имеет очень высокий входной импеданс. Этот входной импеданс можно использовать для изоляции.Когда цепь имеет высокий входной импеданс, из цепи снимается очень небольшой ток. По закону Ома мы говорим, что В = IR . Таким образом, чем больше сопротивление, тем меньше ток, потребляемый от источника питания. Таким образом, из-за высокого импеданса операционный усилитель не потребляет значительного тока от источника питания. В результате ток принимается очень медленно. От первой половины цепи ко второй передается очень небольшой ток. Таким образом, операционный усилитель может действовать как изолирующее устройство между двумя частями схемы.
Применение развязывающего усилителя
Изолирующий усилитель можно использовать для различных целей.
Использование в основном определяется конструкцией усилителя. Мы можем использовать развязывающий усилитель для преобразования сигнала.
Использует CMO, биполярные и дополнительные биполярные усилители. Разделительный усилитель выбирается исходя из его характеристик напряжения питания.
Часто задаваемые вопросы
1). Что такое изолированный выход?
Выходной сигнал развязывающего усилителя, который обычно изолирован от остальной схемы, называется изолированным выходом.Этот изолированный выход в основном релейного типа.
2). Зачем нужна изоляция?
Изоляция в основном требуется для предотвращения потери мощности. Изолирующая цепь гарантирует отсутствие потерь энергии в цепи. В нем используется операционный усилитель с высоким импедансом, чтобы гарантировать, что из цепи не будет вытекать избыточный ток.
3). Что такое изолирующий барьер?
Изолирующий барьер относится к тому сегменту цепи, который предотвращает протекание тока от одной части цепи к другой.По сути, это та часть устройства, которая обеспечивает изоляцию между двумя частями цепи.
4). Что такое изоляция высокого напряжения?
Изоляция под высоким напряжением относится к напряжению, которое может быть приложено к устройству таким образом, чтобы изоляция устройства не была нарушена.
5). Что такое изоляция постоянного тока?
Изоляция по постоянному току происходит, когда часть цепи изолирована, предотвращая прохождение через нее постоянного тока.
Итак, это все о изоляционном усилителе.Эти усилители могут изолировать часть схемы и защитить ее от электрического повреждения. Это чрезвычайно важное устройство с промышленной точки зрения. Можете ли вы упомянуть некоторые другие важные области применения развязывающего усилителя?
Усилители с оптической развязкой
поддерживают преобразователь напряжения, тока и температуры
Новое поколение оптически изолированных усилителей, разработанных специально для измерения высокого напряжения, делает схемы контроля и защиты системы более точными и более простыми в разработке.Эти изо-усилители также могут обеспечивать изолированное измерение температуры и тока.
На рис. 1 показан типичный инвертор в приводе двигателя переменного тока. Инвертор преобразует напряжение на шине постоянного тока в мощность переменного тока с переменной частотой для привода двигателя. БТИЗ составляют основу инвертора; они должны работать на высокой частоте и выдерживать высокое напряжение.
Рис. 1. Структурная схема преобразователя мощности в моторном приводе.
С помощью соответствующих устройств переключения мощности, изоляторов сигналов и цепей управления выход переменного тока инвертора может быть настроен на любое требуемое напряжение и частоту.Разделительный усилитель в Рис. 1 (изо-ампер) ACPL-C87A ^[1] работает как прецизионный датчик напряжения вместе с резистивным делителем, состоящим из R1 и R2, контролирующим напряжение шины постоянного тока. ACPL-C79A ^[2] работает с шунтирующим резистором для обеспечения точного измерения тока. Это измерение напряжения и тока выполняется даже при высоком уровне шума переключения. Изолированный датчик напряжения ACPL-C87A также может использоваться в конструкциях с изолированным датчиком температуры. В этом случае датчик напряжения должен линейно и точно измерять температуру и передавать ее через изолирующий барьер, обеспечивая тем самым безопасную изоляцию.
Эти данные о напряжении, токе и температуре изо-ампер собираются микроконтроллером, который использует эти данные для расчета значений обратной связи и выходных сигналов, необходимых для обеспечения эффективного управления и устранения неисправностей в преобразователях мощности.
Усилители с оптической развязкой
В качестве примера функциональные блоки ACPL-C87A показаны на Рис. 2 .
Рис. 2. Внутренняя блок-схема ACPL-C87A.
Сначала развязывающий усилитель определяет входное напряжение (несимметричный аналоговый сигнал) и преобразует его в цифровой битовый поток. Затем битовый поток передается через пару оптических соединений, состоящую из светодиода и фотодетектора. Этот путь оптического сигнала обеспечивает электрический изолирующий барьер. Поскольку передаваемый сигнал является оптическим, а не электрическим, он невосприимчив к магнитным полям и электрическим шумам. Фотодетектор восстанавливает оптический сигнал и преобразует его обратно в электрический сигнал, который декодируется и фильтруется для воспроизведения аналогового выходного сигнала.Выходное напряжение, обеспечиваемое в дифференциальном режиме для лучшего подавления синфазных помех, пропорционально входному напряжению с единичным усилением.
Датчик напряжения ACPL-C87A обеспечивает точность измерения ± 1%. Другие варианты включают ± 0,5% (ACPL-C87B) и ± 3% (ACPL-C870). Семейство ACPL-C87X включает растянутый корпус SO-8, который на 30% меньше корпуса DIP-8. Эти изо-усилители имеют двойную степень защиты 5000 В _RMS/1 мин в соответствии со стандартом безопасности UL 1577. Спецификация максимального рабочего напряжения 1414 В _PEAK согласно IEC / EN / DIN EN 60747-5-5 гарантирует, что цепи на стороне низкого напряжения не будут повреждены опасными высокими напряжениями.
Датчик тока ACPL-C79A разделяет все ключевые функциональные блоки ACPL-C87A, как показано на рис. 1 , за исключением того, что первый сконфигурирован как дифференциальные входы (V _{IN +} и V _IN _–). вместо несимметричного входа (В _В) и отключения (ШДН). Другими отличиями между датчиком напряжения и датчиком тока являются входной диапазон и настройки усиления. ACPL-C87A точно измеряет входной сигнал 0–2 В, а ACPL-C79A измеряет линейный входной диапазон ± 200 мВ.Различные входные диапазоны оптимизированы для измерения напряжения и измерения тока соответственно. ACPL-C87A имеет единичное усиление, в то время как ACPL-C79A настроен на 8,2-кратное усиление. Семейство ACPL-C79A имеет тот же корпус и изоляционные возможности, что и семейство ACPL-C87X.
Измерение напряжения
Использовать ACPL-C87X в качестве изолированного датчика напряжения несложно. Вы можете выбрать резисторы, чтобы сформировать делитель напряжения, чтобы уменьшить измеряемый сигнал напряжения до уровня в пределах диапазона входного сигнала датчика.Благодаря встроенной цепи развязки и чувствительности прикладная схема значительно упрощается по сравнению с альтернативными решениями, в которых используются отдельные устройства для выполнения функций обнаружения и развязки.
Рис. 3. Измерение высокого напряжения с преобразованием в изолированный выход с заземлением.
Подробная схема измерения напряжения с ACPL-C87X показана на Рис. 3 . Учитывая, что номинальное входное напряжение ACPL-C87X для V _IN составляет 2 В, пользователю необходимо выбрать резистор R1 в соответствии с уравнением 1:
.
V _L1 – напряжение на L1 в Рис.3 . Если V _L1 составляет 600 В, а R2 – 10 кВт, то значение R1 составляет 2990 кВт.
Подбирать резисторы можно гибко. Один из способов – объединить несколько резисторов для соответствия заданному значению; Например, последовательно включенные резисторы мощностью 2 МВт, 430 кВт и 560 кВт дают ровно 2990 кВт. V _IN с 2 В соответствует V _L1 с 600 В. Однако в случаях, когда V _L1 не равно 600 В, конкретные значения сопротивления может быть трудно найти. Другой метод – округлить целевое значение до удобного значения, например 3 МВт, чтобы упростить выбор резистора.В таких случаях может потребоваться точная настройка соотношения масштабирования. В том же примере с V _L1 на 600 В, R1 на 3 МВт и R ₂ на 10 кВт, V _IN решается равным 1,993 В.
Уменьшенное входное напряжение фильтруется фильтром сглаживания, образованным R2 и C1, с угловой частотой 159 кГц (значение R1 обычно намного больше, чем R2, поэтому не учитывается в расчетах), а затем воспринимается ACPL. -C87X. Гальванически изолированное дифференциальное выходное напряжение (V _{OUT +} -V _OUT _–) пропорционально входному напряжению.OPA237, сконфигурированный как дифференциальный усилитель, преобразует дифференциальный сигнал в несимметричный выход. Этот каскад также может быть выполнен для усиления сигнала и, при необходимости, для фильтрации сигнала нижних частот для ограничения полосы пропускания. В этой схеме разностный усилитель рассчитан на коэффициент усиления, равный единице, с угловой частотой фильтра нижних частот 15,9 кГц. Резисторы R5 и R6 можно поменять на другое усиление. Полоса пропускания может быть уменьшена за счет увеличения емкости C4 и C5. Изолированное выходное напряжение V _OUT, которое линейно пропорционально линейному напряжению на стороне высокого напряжения, может быть безопасно подключено к системному микроконтроллеру.
С коэффициентом усиления ACPL-C87X, равным 1, общая передаточная функция будет просто:
или
Входной каскад прикладной схемы на рис. 3 можно упростить, как показано на рис. 4 . R2 и R _IN, входной импеданс ACPL-C87X, создают делитель тока, который приводит к дополнительной составляющей ошибки измерения, которая добавляется к ошибке усиления усилителя.Если предположить, что R1 и R _IN имеют гораздо более высокое значение, чем R2, результирующая ошибка загрузки может быть оценена как R2 / R _IN.
Рис. 4. Упрощенный входной каскад схемы ACPL-C87X.
С R _IN 1 ГВт для ACPL-C87X ошибка нагрузки незначительна для значений R2 до 1 МВт, где ошибка составляет приблизительно 0,1%. Хотя эта ошибка невелика, ее можно уменьшить, снизив R2 до 100 кВт (погрешность примерно 0,01%).
Измерение тока
Как показано на рис. 5 , использование развязывающего усилителя для измерения тока может быть таким же простым, как подключение шунтирующего резистора ко входу и получение дифференциального выхода. Выбирая подходящее сопротивление шунта, можно контролировать любой диапазон тока, от менее 1 А до более 100 А. Во время работы токи протекают через шунтирующий резистор, и результирующее падение аналогового напряжения регистрируется ACPL-C79A. На другой стороне оптического изолирующего барьера создается дифференциальное выходное напряжение.Это дифференциальное выходное напряжение пропорционально току и может быть преобразовано в несимметричный сигнал операционным усилителем или напрямую отправлено на АЦП контроллера.
Рис. 5. Типовая прикладная схема для измерения фазного тока двигателя.
Одним из преимуществ использования развязывающего усилителя является то, что один датчик может поместиться во все модели с соответствующим изменением шунта. Затем разработчик может сосредоточиться на оптимизации работы сенсора и легко перенести дизайн на другие модели.
Выбрать шунт очень просто.Например, если компактный двигатель имеет максимальный ток 10 А и может испытывать перегрузку до 50 процентов, то пиковый ток составляет 21,1 А (= 10 ´1,414 ´1,5). Предполагая, что входное напряжение датчика составляет 200 мВ для оптимальной производительности, сопротивление шунта будет около 10 мВт. Максимальная средняя рассеиваемая мощность составляет около 1 Вт. Доступны различные шунтирующие резисторы для выполнения этого типа приложений. Они предлагаются в корпусе размером 2512 или аналогичном по недорогой цене, с номинальной мощностью 3 Вт, приличными допусками и температурным коэффициентом.
Условия перегрузки по току в IGBT могут возникать из-за межфазного короткого замыкания, замыкания на землю или пробоя. Устройства измерения тока шунт + изоампер на выходных фазах и шине постоянного тока обеспечивают обнаружение неисправности в дополнение к измерению тока ( Рис. 5 ), и требуется быстрое реагирование на скачки тока.
ACPL-C79A имеет быстрое время отклика 1,6 мкс с пошаговым входом. Это позволяет изо-усилителю улавливать переходные процессы в условиях короткого замыкания и перегрузки.Задержка распространения сигнала от входа к выходу в средней точке составляет всего 2 мс, в то время как выходному сигналу требуется всего 2,6 мс, чтобы догнать входной, достигая 90% конечных уровней ^[2].
Помимо малого времени отклика, ACPL-C79A обеспечивает точность усиления ± 1%, отличную нелинейность 0,05% и отношение сигнал / шум (SNR) 60 дБ. Также доступны ACPL-C79B, который обеспечивает более высокую точность усиления ± 0,5%, и ACPL-C790 с допуском усиления ± 3%.
Изолированный датчик температуры
Термисторы широко используются для измерения температуры. Гальваническая развязка между потенциалом термистора и потенциалом аналого-цифрового преобразователя системы часто требуется, особенно когда термистор устанавливается вблизи высокого напряжения или в электрически зашумленной или плохо заземленной среде. Отсутствие изоляции может снизить безопасность и вызвать электромагнитные помехи (EMI).
Рис. 6. Простая изолированная схема измерения температуры.
Простая схема изолированного датчика температуры показана на рис. 6 . RT1 и R2 образуют делитель напряжения от плавающего источника постоянного напряжения 5 В, который также питает датчик напряжения. Выберите RT1 и R2 так, чтобы напряжение, подаваемое на развязывающий усилитель ACPL-C87X, не превышало полного диапазона 2,46 В. Входной терминал с высоким импедансом ACPL-C87X обеспечивает относительно высокое сопротивление R2, не вызывая значительной нагрузки. ошибка. Выберите номиналы резистора и конденсатора после просмотра технических данных производителя термистора.
Ссылки
1. Технические данные прецизионного оптически изолированного датчика напряжения ACPL-C87B / C87A / C870. Avago Technologies, AV02-3563EN.
2. Спецификация ACPL-C79B / C79A / C790, Avago Technologies, публикация № AV02-2460EN.
3. Лист данных изоляционного усилителя HCPL-7840. Avago Technologies, AV02-1289EN.
4. Лист технических данных изоляционного усилителя HCPL-7800A / 7800. Avago Technologies, AV02-0410EN.
Введение в развязывающий усилитель – инженерные знания
Привет, читатель, надеюсь, вам всем весело в жизни. В сегодняшнем посте будет подробно рассмотрено введение в усилитель изоляции . Разделительный усилитель – это тип усилителя, который используется для разделения по постоянному току между входом и выходом. Это полезно в такой среде, где существуют опасные утечки мощности или большие скачки напряжения, чтобы обеспечить защиту людей и чувствительных элементов, связанных с цепями.
Обычно этот усилитель используется в медицинских устройствах, различных типах устройств электростанций, промышленных устройствах обработки и устройствах автоматизированного тестирования. В этом посте мы обсудим его схему, работу и некоторые другие факторы. Итак, давайте начнем с раздела «Введение в развязывающий усилитель ».
Изолирующий усилитель с конденсаторной связью
Изолирующий усилитель представляет собой такой модуль, который состоит из 2 типов цепей или каскадов, которые электрически разделены.
Эти 2 каскада являются входом и выходом, которые изолированы друг от друга через изолирующий барьер, который обрабатывал сигнал для сопряжения вокруг границы изоляции.
В некоторых типах развязывающих усилителей используется оптическая связь или трансформаторная связь для разделения двух цепей.
В некоторых других типах развязывающих усилителей для разделения используется конденсатор.
Каждая цепь или каскад состоит из своего выигранного источника питания и клеммы заземления, поэтому между ними нет общего электрического пути.
На рисунке ниже показан нормальный рисунок развязывающего усилителя.
Вы можете видеть, что есть 2 символа заземления, которые используются для обозначения концепции изоляции ступеней.
Входная часть или каскад состоит из схемы усилителя, генератора и модулятора.
Модуляция – это процедура, посредством которой сигнал, состоящий из данных, получает модификацию в другом типе сигнала, таком как частота, амплитуда, следовательно, данные существуют в первом сигнале, также существуют в 2 ^nd
Для этого условия, Модулятор состоит из генератора прямоугольных импульсов, который генерирует большие значения частоты для модификации реального сигнала.
Конденсатор, имеющий меньшее значение емкости в разделительном барьере, используется для передачи частотно-модулированного сигнала с меньшей величиной или постоянного напряжения от внутренней стороны к внешней стороне.
При отсутствии модуляции требуется конденсатор с большой емкостью, что приводит к уменьшению изоляции между 2 ступенями.
Внешний каскад состоит из демодулятора, который получает реальный входной сигнал из модулированного сигнала, который преобразует реальный сигнал в исходную форму.
Выход генератора большой частоты, показанный на приведенном выше рисунке, может иметь амплитудную или широтно-импульсную модуляцию через сигнал от входного усилителя.
В случае амплитудной модуляции амплитуда выходного сигнала генератора изменяется в результате изменения входного сигнала, который показан на рисунке ниже и обозначен как a.
На этом рисунке для описания используется синусоидальный сигнал.
В случае широтно-импульсной модуляции рабочий цикл выхода генератора изменяется путем изменения ширины импульса в соответствии с изменением входного сигнала.
Разделительный усилитель, использующий широтно-импульсную модуляцию, показан на рисунке ниже и обозначен буквой b.
Несмотря на то, что внутри него используется несколько сложная процедура, изолирующий усилитель является единственным усилителем и прост в использовании.
Если подаются разные источник питания постоянного тока и входной сигнал, на выходе генерируется усиленный сигнал.
Процесс изоляции – это отдельная невидимая процедура.
Трансформаторный развязывающий усилитель
Типичным примером развязывающего усилителя является прибор Texas весом 3656 кг, который состоит из трансформатора для развязки двух каскадов.
В отличие от ISO124, который включает в себя определенное значение усиления единицы, 3656 килограмм предлагает изменение внешнего усиления обеих схем.
Принципиальная схема 3656-килограммового блока с внешним сопротивлением усиления и развязывающим конденсатором показана на рисунке ниже.
Коэффициент усиления по напряжению как на стороне входа, так и на стороне выхода можно регулировать с помощью внешнего сопротивления, связанного, как показано на рисунке.
Здесь указано значение усиления на входном каскаде.
Av1 = Rf1 / Ri1 + 1
Здесь указано значение усиления на выходном каскаде.
Av2 = Rf2 / Ri2 + 1
Чистое усиление усилителя является кратным двум коэффициентам усиления, полученным на входе и выходе.
Av (tot) = Av1Av2
Применения развязывающего усилителя
Как уже говорилось выше, развязывающий усилитель используется в таких приложениях, которые не требуют общей клеммы заземления между преобразователем и схемой обработки для такой схемы, в которой существует взаимосвязь нужны чувствительные устройства.
В таких отраслях, как химическая, ядерная и металлообрабатывающая промышленность, например, мВ напряжения присутствуют в существовании большого значения общего напряжения, которое имеет значение в диапазоне кВ.
В этой категории схем изолирующий усилитель может усиливать меньшее значение напряжения, которое существует в шумных устройствах, и генерирует безопасный выходной сигнал, который можно использовать для компьютеров, ноутбуков и т. Д., Которые являются чувствительными модулями.
Есть важное применение в медицинских устройствах.
В медицинских устройствах в таких приложениях, где задействованы операции с телом, такие как частота сердечных сокращений и мониторинг артериального давления, сигнал очень меньшего значения связан с большим синфазным сигналом, например, срабатывание линии электропередачи с частотой 60 Гц от кожи.
В этих условиях при отсутствии изоляции утечка постоянного тока или повреждение устройств могут быть катастрофическими.
На рисунке ниже представлена схема изолирующего усилителя в приложении для кардиологического мониторинга.
В этом состоянии сигнал сердца, имеющий малую ценность, связан с большим синфазным сигналом, создаваемым шумом мидий, электрохимическим звуком, остаточным электродным напряжением и шестидесяти герцовой линией электропередачи, снимаемой с кожи.
Итак, друзья, это подробный пост об изолирующем усилителе, если у вас есть какие-либо дополнительные вопросы, спрашивайте в комментариях. Спасибо за чтение, хорошо да
Автор: Генри
http://www.theengineeringknowledge.com
Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби – изучать новые вещи и делиться ими с миром.Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.
Сообщение навигации
Изоляция и усиление: новый изолирующий усилитель от Texas Instruments, подходящий для измерения тока
Усилители
, такие как AMC1301-Q1, представляют собой удобное решение для изолированных измерений тока и напряжения.
Изоляция, а точнее гальваническая изоляция, – это тема, которая возникает время от времени. По моему опыту, многим это незнакомо, потому что некоторые типы проектов никогда не требуют этого.Напротив, инженеры, работающие с промышленными системами, могут обсуждать изоляцию почти ежедневно. Это просто вопрос дизайнерских ситуаций, с которыми вы обычно имеете дело. Потребительская электроника, встроенные системы, схемы датчиков низкого напряжения и т. Д. – они обычно придерживаются парадигмы «много напряжений, одно заземление».
Изоляция вступает в игру, когда мы хотим защитить одно заземление от другого, или когда одна часть схемы или системы несовместима с напряжениями, присутствующими в другой части.Есть разные способы добиться гальванической развязки. Оптопары – это хорошо известный вариант, но вы также можете использовать магнитные соединители.
Несколько отличный подход – изолированный (или развязанный) усилитель. Эти компоненты принципиально не отличаются от автономных изоляторов, поскольку они основаны на той же технологии для изолирующей части схемы (существует лишь определенное количество возможных способов передачи электрической информации без использования электрического тока). Что делает их интересными, так это интеграция.
Блок-схема
Диаграмма взята из таблицы данных .
AMC1301-Q1 от Texas Instruments – изолированный усилитель с фиксированным усилением. Когда вы смотрите на блок-схему, вы не видите ни оптических схем, ни магнитных схем, хотя я только что упомянул тот факт, что изоляторы основаны на оптической или магнитной связи. Вместо этого все, что вы видите, – это обычные конденсаторы.
Емкостная муфта
Легко забыть, что конденсаторы могут обеспечивать изоляцию просто потому, что мы обычно не используем их для этой цели.Однако они не обеспечивают изоляцию в отличие от оптопары – оптопара блокирует все частоты, в то время как конденсатор является разомкнутой цепью только при постоянном токе. Но это не проблема, если все, что вы пытаетесь сделать, – это защитить одну подсхему от неизменяющихся (или очень медленно меняющихся) синфазных напряжений в другой подсхеме. И это действительно стандартная ситуация, когда требуется какая-то изоляция.
Загвоздка, конечно же, в том, что низкочастотную информацию нельзя передавать посредством емкостной связи.Это верно и для магнитной муфты. Теоретически оптическая связь позволяет осуществлять низкочастотную аналоговую передачу данных – определенное напряжение может быть представлено постоянным освещением определенной интенсивности. Но, насколько мне известно, на практике оптопары таким образом не используются; для достижения адекватной точности требуется модуляция.
AMC1301-Q1 обеспечивает изоляцию в установившемся режиме 1500 В и соответствует требованиям AEC-Q100. Изображение предоставлено Texas Instruments .
Как вы можете видеть на блок-схеме, AMC1301-Q1 использует дельта-сигма модуляцию, которая преобразует низкочастотные сигналы в высокочастотный поток битов, который может успешно преодолевать барьер емкостной изоляции. Затем синхронизация и фильтрация выполняются на другой стороне усилителя, так что аналоговый выходной сигнал воспроизводит аналоговый входной сигнал, умноженный на фиксированный коэффициент усиления (который для AMC1301-Q1 составляет 8,2 В / В).
Приложения
Я бы не стал называть AMC1301-Q1 усилителем общего назначения.Другими словами, я бы не стал использовать его как автономную замену вашему любимому операционному усилителю. Некоторое качество неизбежно будет потеряно в процессе модуляции и демодуляции входного сигнала, а потребление тока довольно велико по сравнению с современными усилителями малой мощности. И в любом случае TI не продает эту часть как изолированную версию усилителя общего назначения. Он явно оптимизирован для приложений измерения тока и других подобных применений.
Таким образом, AMC1301-Q1 решает общую проблему проектирования: цепь датчика низкого напряжения должна измерять ток или напряжение, присутствующее в высоковольтной или сильноточной части системы.Датчик должен быть защищен от шума и / или высокого синфазного напряжения, поэтому требуется изолированный усилитель. Следующая схема дает вам пример изолированного приложения для измерения тока; шунтирующий резистор создает входное напряжение, а выходное напряжение подается на АЦП.
Диаграмма взята из таблицы данных .
Обратите внимание, как эта схема предлагает старомодный подход к регулированию напряжения – V _DD для высоковольтной стороны генерируется методом резистора плюс стабилитрон.Также имейте в виду, что дифференциальное входное напряжение ограничено до ± 250 мВ (на самом деле оно может быть немного выше, но с потерей линейности).
Если измерение тока не ваше, и вы предпочитаете следить за напряжением, вот пример схемы для измерения напряжения:
Диаграмма взята из таблицы данных .
Есть ли у вас опыт работы с изолирующими усилителями? Дайте нам знать об этом в комментариях.
Разделительный усилитель
26 августа 2014 г.
Шэньчжэнь WAYJUN Промышленная автоматизация
Разделительный усилитель
Ключевые слова: от 4-20 мА до 1-5 В | 0-15 В до 0-5 В | 0-100 мВ до 4-20 мА | 0- +/- 10 В до 0-5 В | 0-75 мВ до 0-10 В | изолирующий усилитель IC | передатчик развязки сигнала | усиление слабого сигнала | передатчик развязки | преобразователь сигналов
Особенности: >> Модуль усилителя с оптической развязкой >> Класс точности: 0.1 / 0,2 / 0,5. Откалиброван на заводе, пользователь может использовать напрямую >> Вспомогательный источник питания: 5 В / 12 В / 15 В / 24 В постоянного тока (± 10%) >> Один входной сигнал международного стандарта: 0-100 мВ / 0-75 мВ / 0-24 В / 0-5 В / 0-10 В / 1-5 В, 0-10 мА / 0-20 мА / 4-20 мА / 0- ± 5 В / 0 – ± 10 В / 0- ± 100 мВ / 0- ± 20 мА >> Стандартный один выходной сигнал: 0-5 В / 0-10 В / 1-5 В, 0-10 мА / 0-20 мА / 4-20 мА >> Высокая линейность (нелинейность <0,2%) >> Монтаж на DIN35 рейку >> Размер: 79.0×69.50.0x25.0 мм >> Сильные антиэлектромагнитные помехи и возможность помех высокочастотному сигналу Приложение: >> Изоляция, сбор и преобразование данных аналогового сигнала >> Изолированная передача сигнала 4-20 мА или 0-20 мА >> Сигнальная развязка и преобразование промплощадки >> Длительная передача сигнала без искажений >> Приемопередатчик инструментального сигнала >> Контроль мощности, изоляция медицинского оборудования >> Подавление наземных помех >> Изоляция управляющего сигнала двигателя PLC / FA Список продуктов:
DIN11 IAP- V (A) ‚ñ ° – P ‚ ñ ° – V / I ‚ñ °
Входной сигнал
Блок питания
Выходной сигнал
напряжение код текущий
код
Мощность
код
текущий
код
напряжение
код
0-5 В
V1
0-1 мА
A1
24 В постоянного тока
П1
0-20ma
A3
0-5 В
V1
0-10 В
V2
0-10 мА
A2
12 В постоянного тока
P2
4-20ма
A4
0-10 В
V2
0-75 мВ
V3
0-20ma
A3
5 В постоянного тока
П3
0 ~ ± 20 мА
A6
1-5В
V6
0-2.5В
V4
4-20 мА
A4
15 В постоянного тока
П4
определяемый пользователем
азв.
0 ~ ± 10 В
V7
0 ~ ± 5 В
V5
0 ~ ± 10 мА
A5
определяемый пользователем
Vz
0 ~ ± 10 В
V7
0 ~ ± 20 мА
A6
0 ~ ± 100 мВ
V10
определяемый пользователем
азв.
определяемый пользователем
Vz
Образцы: 1.Вход: 0-5 В Источник питания: 24 В Выход: 4-20 мА Номер типа: DIN11 IAP-V1-P1-A4 2. Вход: 0-10 В Источник питания: 24 В Выход: 0-10 В Номер типа: DIN11 IAP-V2-P1-V2 3. Вход: 4-20 мА Источник питания: 24 В Выход: 4-20 мА Типовой номер: DIN11 IAP-A4-P1-A4 4. Вход: 0-100 мВ Источник питания: 24 В Выход: 4-20 мА Типовой номер: DIN11 IAP-Vz-P1-A4 (Vz: 0-100 мВ) 5.Вход: 0-75 мВ Источник питания: 12 В Выход: 0-10 В Номер типа: DIN11 IAP-V3-P2-V2 6. Вход: 0 ~ +/- 10 В Источник питания: 24 В Выход: 0-10 В Тип No.: DIN11 IAP-V7-P1-V2
Перейти на сайт промышленной автоматизации WAYJUN в Шэньчжэне
Узнать больше
.

Входной сигнал				Блок питания		Выходной сигнал
напряжение	код	текущий	код	Мощность	код	текущий	код	напряжение	код
0-5 В	V1	0-1 мА	A1	24 В постоянного тока	П1	0-20ma	A3	0-5 В	V1
0-10 В	V2	0-10 мА	A2	12 В постоянного тока	P2	4-20ма	A4	0-10 В	V2
0-75 мВ	V3	0-20ma	A3	5 В постоянного тока	П3	0 ~ ± 20 мА	A6	1-5В	V6
0-2.5В	V4	4-20 мА	A4	15 В постоянного тока	П4	определяемый пользователем	азв.	0 ~ ± 10 В	V7
0 ~ ± 5 В	V5	0 ~ ± 10 мА	A5					определяемый пользователем	Vz
0 ~ ± 10 В	V7	0 ~ ± 20 мА	A6
0 ~ ± 100 мВ	V10	определяемый пользователем	азв.
определяемый пользователем	Vz

Изолирующий усилитель: ИЗОЛИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

ИЗОЛИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

Изолирующий усилитель – Isolation amplifier

Концепции

Компоненты источника сигнала

Принцип работы

Использование развязывающего усилителя

Дифференциальные усилители

Рекомендации по выбору усилителя

Типичное применение

Измерения ячеек с накоплением напряжения

внешние ссылки

ACPL-782T — изолирующий усилитель автомобильного исполнения

Лекция 10 Изолирующие усилители Компьютерная схемотехника и…

10.5. Оптореле

10.9. Контрольные вопросы

Изолирующий усилитель (гальваническая развязка) для осциллографа

9.7. Контрольные вопросы

Лекция 10

10.1. Изолирующие усилители

10.2. Аналоговые компараторы

Изолирующие усилители, контроллеры уровня для разных производств

| Analog Devices

Методы проектирования, схема и ее применение

Что такое развязывающий усилитель?

Способы проектирования развязывающего усилителя

Характеристики

Как добиться изоляции?

Разделительный усилитель Применения

Методы проектирования, особенности и их применение

Что такое развязывающий усилитель?

Изоляционный усилитель Методы проектирования

Изоляция трансформатора

Преимущества

Применения

Оптическая изоляция

Изоляция с емкостной связью

Характеристики

Как добиться изоляции?

Применение развязывающего усилителя

поддерживают преобразователь напряжения, тока и температуры

Введение в развязывающий усилитель – инженерные знания

Автор: Генри

Сообщение навигации

Изоляция и усиление: новый изолирующий усилитель от Texas Instruments, подходящий для измерения тока

Блок-схема

Емкостная муфта

Приложения

Разделительный усилитель

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ