Измерение малых сигналов на фоне высоких напряжений и устранение "земляной петли" для датчиков

Разработчикам часто приходится измерять небольшие напряжения при наличии синфазных напряжений высокого уровня, особенно при работе с блоками питания и приводами двигателей. Это связано с проблемой появления земляной петли, или контура заземления, при использовании датчиков. Обе проблемы могут быть решены за счет эффективного использования изолирующих усилителей
904
В избранное

Разработчикам часто приходится измерять небольшие напряжения при наличии синфазных напряжений высокого уровня, особенно при работе с блоками питания и приводами двигателей. Это связано с проблемой появления земляной петли, или контура заземления, при использовании датчиков. Обе проблемы могут быть решены за счет эффективного использования изолирующих усилителей.

Такие усилители имеют гальваническую развязку между входами и выходами, поэтому они передают лишь полезные сигналы и устраняют высокие синфазные напряжения. В системах мониторинга на основе датчиков они поддерживают разделение заземления между датчиками для устранения так называемых земляных петель. Такие усилители широко используются в источниках питания, контроллерах двигателей, при дистанционном измерении напряжения, в биомедицинских измерениях и удаленном сборе данных.

Чтобы понять принципы работы изолирующих усилителей и методы их эффективного использования, рассмотрим один из возможных вариантов их применения с последующим обсуждением трех распространенных методов изоляции: трансформаторной, оптической и емкостной связи. Также разберем практические решения для каждого метода и заключительный пример с использованием рекомендуемой конструкции.

Типичный вариант электропитания

Современные источники электропитания и электроприводы требуют измерения малых сигналов при наличии больших синфазных напряжений. На рисунке 1 показано, как разработчики могут измерить ток нагрузки мощного двухтактного драйвера FET с помощью резистивного шунта при напряжении смещения для транзистора FET более 300 В.

Измерение малых напряжений при наличии высоких синфазных напряжений (а) и устранение контуров заземления (б)

To Load – К нагрузке

To Sense Amplifier – К измерительному усилителю

Upper Gate Driver – Драйвер верхнего плеча

Lower Gate Driver – Драйвер нижнего плеча

Рис. 1. Измерение малых напряжений при наличии высоких синфазных напряжений (а) и устранение контуров заземления (б)

Верхняя схема (рис. 1 а) является типичным мощным приводом (драйвером) для управления двигателем или его фазой. Схема контролирует выходную мощность, изменяя скважность импульсов на нагрузке. Напряжения питания (HV+ и HV-) порядка нескольких сотен В. Напряжение на шунтовом резисторе RSHUNT, позволяющее рассчитывать величину тока, составляет порядка 10 мВ. Но оно накладывается на импульсный сигнал, который переключается между HV+ и HV-. Подавая это напряжение на вход заземленного измерительного прибора или усилителя тока, можно превысить предел синфазного напряжения и повредить эти устройства.

Пример: каким образом разработчики могут измерить выходное напряжение одного солнечного элемента в верхней части пакета из множества элементов? Когда синфазное напряжение превышает 80 В, требуются какие-либо меры для выделения из него полезного сигнала.

Рассмотрим также задачу разделения цепей при проблемах с контуром заземления (рисунок 1 б). Сигнал подключен с использованием коаксиального кабеля от передающего источника (слева) к приемнику (справа). Блуждающие токи заземления от других цепей могут найти обратный путь через коаксиальный экран, соединяющий эти две точки заземления. Они создают напряжения на распределенном вдоль кабеля сопротивлении экрана, что приводит к тому, что VG2 отличается от VG1, а это, в свою очередь, ведет к появлению ошибки на входе приемника.

В обоих случаях требуется разделение сигнальных соединений. Решением является использование изолирующих усилителей, которые обеспечивают гальваническую развязку между своими входами и выходами. Они передают только необходимые сигналы и устраняют высокие синфазные напряжения. Будучи примененными для устранения контуров заземления в системах, они обеспечивают и разделение точек заземления между элементами цепи.

Как работают изолирующие усилители

Изолирующим называется усилитель, который имеет гальванически развязанные входные и выходные цепи, включая соответствующие источники питания. Это гарантирует отсутствие проводящего пути между входной и выходной секциями. Такие усилители имеют чрезвычайно малый ток утечки между секциями, наряду с высоким пробивным напряжением разделительного диэлектрика. Входной каскад представляет собой дифференциальный усилитель, который ослабляет синфазное напряжение. Он может делать это за счет того, что разница напряжений между входами находится в пределах вольта, а усилитель является развязывающим и не привязан к земле. Рассеянная емкостная связь между секциями, которая может уменьшить изоляцию, сводится к минимуму благодаря тщательному проектированию и компоновке. Изоляция между секциями обеспечивается трансформаторной, емкостной или оптической связью (рисунок 2). Такие соединения обычно блокируют необходимые постоянную (DC) и низкочастотную составляющие сигнала. Этот недостаток устраняется путем использования входного сигнала для модуляции несущей и передачи полного частотного спектра сигнала, который восстанавливается на выходной стороне устройства путем демодуляции. На входной и выходной сторонах используются изолированные источники питания.

Типичный изолирующий усилитель, показывающий три наиболее часто используемых метода изоляции: трансформаторную, емкостную или оптическую связь

VDOInput – Вход VDO
VDOOutput – Выход VDO
InputSide – Входная сторона
Out
putSide – Выходная сторона
InputAmp
– Входной усилитель
Out
putAmp – Выходной усилитель
Encoder, Modulator, Driver –
Энкодер, модулятор, драйвер
Oscillator –
Осциллятор
Isolation Barrier –
Изоляционный барьер
Transformer or Capacitive or Optical –
Трансформатор, емкость или оптрон
Receiver Clock Recovery Demodulator DAC –
Приемник, восстановление синхроимпульсов, демодулятор, ЦАП
Ground Input – Входное заземление
Ground Output – Выходное заземление

Рис. 2. Типичный изолирующий усилитель, показывающий три наиболее часто используемых метода изоляции: трансформаторную, емкостную или оптическую связь

Используемый метод модуляции зависит от устройства, хотя чаще используются частотная, широтно-импульсная или сигма-дельта-модуляции. Сигма-дельта-модуляция встречается наиболее часто. Входы являются дифференциальными, а конфигурация выходов может быть как несимметричной, так и дифференциальной. Обратите внимание, что входная и выходная части изолирующего усилителя имеют отдельные разъемы питания. Как правило, входная секция использует «плавающий» источник питания, который не имеет связи с заземлением. Для качественного разделения сигналов требуется, чтобы источники питания были хорошо изолированы.

В технической документации прочность изоляции между входом и выходом усилителя обычно указывают как разницу максимальных напряжений постоянного (DC) и переменного (AC) токов, прикладываемых к входам и выходам на длительное время. Для переходных процессов максимальное прикладываемое напряжение указывается отдельно, с учетом длительности времени переходного состояния. Эти технические требования применимы только в случае, если выдерживается рекомендуемое физическое расстояние между входными и выходными выводами устройства, которое точно определено в техническом паспорте.

Трансформаторная (электромагнитная) связь

Гальваническая развязка с использованием трансформаторов является исторически первым способом изолированного разделения цепей. Analog Devices AD202JY – это изолирующий усилитель с электромагнитной связью (рис. 3).

AD202JY производства Analog Devices использует трансформаторную связь для достижения прочности изоляции в 1000 В DC, здесь нужен один источник питания на 15 В

SIGNAL – Сигнал

POWER – Питание

MOD – Модулятор

RECTANDFILTER – Выпрямитель и фильтр

DEMOD – Демодулятор

OSCILLATOR - Осциллятор

Рис. 3. AD202JY производства Analog Devices использует трансформаторную связь для достижения прочности изоляции в 1000 В DC, здесь нужен один источник питания на 15 В

AD202JY имеет предельно допустимую прочность изоляции 750 В RMS AC/60 Гц и 1000 В DC для непрерывного переменного тока. Здесь использованы двойные трансформаторы. Первый из них предназначен для передачи сигнала. Второй передает с выходной части во входную несущую частоту 25 кГц для работы модулятора. Он также используется для создания двойных изолированных выходов питания во входной секции. Это устраняет потребность в отдельном изолированном источнике питания.

Коэффициент усиления усилителя устанавливается пользователем в диапазоне 1…100, а ширина полосы пропускания на уровне полной мощности составляет 5 кГц. Выходной каскад представляет собой небуферизованный дифференциальный выход с сигналом в диапазоне ± 5 В.

Оптическая связь

Оптическая связь является еще одной возможностью изоляции между входом и выходом изолирующего усилителя. Входная секция изолирующего усилителя управляет светоизлучающим диодом (LED), свет от которого принимается фототранзистором в выходной секции (рисунок 4). Линия связи полностью оптическая, без электрического соединения между светодиодом и фототранзистором.

Рис. 4. Функциональная схема семейства изолирующих усилителей Broadcom ACPL790X

Семейство разделительных усилителей ACPL790 производства компании Broadcom сочетает в себе отличную оптическую связь с технологиями сигма-дельта-преобразования и стабилизированного прерыванием усиления (chopper stabilized amplifiers), что обеспечивает высокую прочность изоляции, дифференциальный выход и полосу пропускания в 200 кГц. Защитное рабочее напряжение изоляции 891 В (пиковое) соответствует требованиям IEC/EN/DIN EN60747-5-5. В линейке есть три изделия, которые отличаются точностью параметров:

Емкостная связь

Изолирующий усилитель AMC1301 производства Texas Instruments представляет третий метод изоляции, а именно - емкостную связь (рис. 5).

Для обеспечения емкостной изоляции TI AMC1301 использует два последовательно соединенных конденсатора в каждой ветви усиленного изоляционного барьера

IsolationBarrier – Изоляционный барьер

OSCILLATOR – Осциллятор

Band-GapReference–ИОН (источник опорного напряжения)

Retiming and 4-th Order Active Low Pass Filter – Повторная синхронизация и активный ФНЧ 4-го порядка

Рис. 5. Для обеспечения емкостной изоляции TI AMC1301 использует два последовательно соединенных конденсатора в каждой ветви усиленного изоляционного барьера

AMC1301 – это изолирующий усилитель с дифференциальным выходом и номинальным допустимым напряжением изоляции 1500 В (пиковое значение). Входной каскад изолирующего усилителя выполнен в виде дифференциального усилителя, который управляет дельта-сигма-модулятором. Сигнал несущей (тактовой) частоты генерируется внутри микросхемы и использует разделительную цепь. Драйвер передатчика (TX) передает данные через двойной разделительный емкостной барьер. Принятые модулированные данные затем демодулируются и синхронизируются на стороне низкого напряжения с использованием тактовой частоты и выводятся как дифференциальный сигнал. AMC1301 имеет фиксированное усиление 8,2 и номинальную ширину полосы пропускания 200 кГц (типичное значение).

Как и в предыдущих случаях, входная и выходная стороны AMC1301 требуют изолированных источников питания.

Рекомендуемая конструкция на основе AMC1301

Компания Texas Instruments предоставляет рекомендуемый пример конструкции изолирующего усилителя с использованием AMC1301 (рисунок 6) в качестве симулятора TINA-TI (TINA-TI – это симулятор свободных цепей, предоставляемый Texas Instruments). Схема использует в качестве моделируемого входа сигнал 200 мВ (пиковый)/5 кГц, наложенный на синфазное напряжение 500 В. Сигнал на дифференциальном выходе имеет пиковую амплитуду 1,6 В со смещением 0 В на нагрузке 10 кОм. Этот пример демонстрирует возможности разделительного усилителя в устранении из входного сигнала большого синфазного смещения, в данном случае - 500 В.

Схема для AMC1301, работающая в качестве симулятора в TINA-TI, обеспечивает разделение для синфазного напряжения смещения постоянного тока 500 В

Рис. 6. Схема для AMC1301, работающая в качестве симулятора в TINA-TI, обеспечивает разделение для синфазного напряжения смещения постоянного тока 500 В

Разделение контуров заземления

Гальваническая развязка между входом и выходом усилителя может использоваться для разрыва контуров в цепях заземления, как показано на рисунке 1 б. При размещении изолирующего усилителя между передатчиком и приемником, заземляющее соединение между ними через коаксиальный кабель разрывается и устраняется прямая цепь заземления (рис. 7).

Установка изолирующего усилителя между передатчиком и приемником устраняет контур заземления благодаря оригинальному соединению коаксиального кабеля

Рис. 7. Установка изолирующего усилителя между передатчиком и приемником устраняет контур заземления благодаря оригинальному соединению коаксиального кабеля

Заключение

Изолирующий усилитель с использованием электромагнитной, оптической или емкостной связи является полезным инструментом для измерения малых сигналов, наложенных на высокие синфазные напряжения, или для разделения цепей заземления с целью устранения контуров заземления в системах с полосой пропускания до 200 кГц. Такие усилители широко используются в источниках питания, контроллерах двигателей, при дистанционном измерении напряжения, в биомедицинских измерениях и при удаленном сборе данных.

Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AD202JY
AD202JY
Analog Devices Inc.
Арт.: 191644 ИНФО PDF
Доступно: 9 шт. от 1 шт. от 6942,03
Выбрать
условия
поставки
AMP ISOLATION, SIL-11, 202; Amplifiers, No. of:1; Gain, Bandwidth -3dB:2kHz; Voltage, Isolation:750V; Gain, Non-Linearity Max:0.05%; Voltage, Supply Min:13.5V; Voltage, Supply Max:16.5V; Termination Type:Through Hole; Case Style:SIL; Pins, No.…
AD202JY от 1 шт. от 6942,03
9 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Broadcom Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ACPL-790B-000E
ACPL-790B-000E
Broadcom Corporation
Арт.: 858700 ИНФО
Доступно: 125 шт. от 1 шт. от 516,50
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790B-000E - Оптически развязанные усилители Precision Iso-Amp
ACPL-790B-000E от 1 шт. от 516,50
125 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790B-300E
ACPL-790B-300E
Broadcom Corporation
Арт.: 1006370 ИНФО
Доступно: 34 шт. от 1 шт. от 1894,49
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790B-300E - Оптически развязанные усилители Precision Iso-Amp
ACPL-790B-300E от 1 шт. от 1894,49
34 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-7900-000E
Broadcom Corporation
Арт.: 1119955
Доступно: 40 шт. от 1 шт. от 1626,20
Выбрать
условия
поставки
ACPL-7900-000E от 1 шт. от 1626,20
40 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-7900-300E
Broadcom Corporation
Арт.: 1119956
Доступно: 91 шт. от 3 шт. от 713,40
Выбрать
условия
поставки
ACPL-7900-300E от 3 шт. от 713,40
91 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-7900-500E
Broadcom Corporation
Арт.: 1119957
Доступно: 36 шт. от 1 шт. от 1759,67
Выбрать
условия
поставки
ACPL-7900-500E от 1 шт. от 1759,67
36 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790A-000E
Broadcom Corporation
Арт.: 1119958
Доступно: 73 шт. от 2 шт. от 884,83
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790A-000E от 2 шт. от 884,83
73 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790A-300E
Broadcom Corporation
Арт.: 1119959
Доступно: 35 шт. от 1 шт. от 1843,59
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790A-300E от 1 шт. от 1843,59
35 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790A-500E
Broadcom Corporation
Арт.: 1119960
Доступно: 35 шт. от 1 шт. от 1813,32
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790A-500E от 1 шт. от 1813,32
35 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790B-500E
Broadcom Corporation
Арт.: 1119961
Доступно: 31 шт. от 1 шт. от 2058,21
Выбрать
условия
поставки
ACPL-790B-500E от 1 шт. от 2058,21
31 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AMC1301DWVR
AMC1301DWVR
Texas Instruments
Арт.: 2172055 PDF AN RD
Доступно: 251 шт. 259,00
ISOLATION AMP, 210KHZ, 50UV, SOIC-8
AMC1301DWVR 259,00 от 10 шт. 259,00 от 22 шт. 259,00 от 48 шт. 259,00 от 100 шт. 259,00
251 шт.
(на складе)

Сравнение позиций

  • ()