Pomiar małych sygnałów na tle wysokich napięć oraz unikanie pętli masy w czujnikach

Wzmacniacze izolacyjne zapewniają separację galwaniczną pomiędzy wejściem i wyjściem, dzięki czemu transmitują tylko pożądane sygnały, eliminując wysokie napięcia sumacyjne. W systemach monitorowania eliminują pętle masy pomiędzy czujnikami. Znajdują zastosowanie w zasilaczach, układach sterowania silników, do zdalnego pomiaru napięcia, przy pomiarach biomedycznych oraz w systemach akwizycji danych.

Aby wyjaśnić, jak działają wzmacniacze izolacyjne i jak je efektywnie stosować, w artykule opisano typowy przykład układu wymagającego izolacji, a następnie scharakteryzowano trzy powszechnie stosowane metody zapewnienia izolacji: za pomocą sprzężenia transformatorowego, optycznego i pojemnościowego. Podano praktyczne rozwiązania dla każdej z tych metod oraz przedstawiono projekt referencyjny do jednego z układów.

Typowy przykład zasilacza wymagającego izolacji

 

Rys. 1. Pomiar małego spadku napięcia występującego na tle wysokiego napięcia sumacyjnego (a) oraz eliminacja pętli masy (b) to typowe sytuacje wymagające zapewnienia izolacji

W nowoczesnych zasilaczach i napędach silników wymagany jest pomiar małych sygnałów występujących na tle wysokich napięć sumacyjnych. W jaki sposób można zmierzyć prąd tranzystora mocy push-pull FET za pomocą bocznika rezystorowego, gdy tranzystor jest polaryzowany napięciem ponad 300 V (rys. 1a)?

Górny obwód (a) przedstawia typowy stopień mocy sterujący uzwojeniem (lub jedną z faz) silnika. Kontroluje on moc wyjściową, odpowiednio modyfikując współczynnik wypełnienia sygnału podawanego do obciążenia. Napięcia zasilania HV+ i HV- są tu na poziomie kilkuset woltów.

Spadek napięcia na rezystorze bocznikowym RSHUNT jest rzędu dziesiątek mV, jednak pojawia się na tle przebiegu impulsowego zmieniającego się w zakresie od HV+ do HV-. Podanie tak wysokiego napięcia na wejście podłączonego do masy wzmacniacza pomiarowego może spowodować przekroczenie dopuszczalnej wartości wejściowego napięcia sumacyjnego i w konsekwencji uszkodzić układ.

Jak zmierzyć napięcie pojedynczego ogniwa solarnego pracującego wewnątrz pakietu? Gdy napięcie sumacyjne przekracza 80 V, wymagane jest zapewnienie izolacji dielektrycznej, aby odseparować pożądany sygnał.

Należy również rozważyć, jak wyeliminować problemy z pętlą masy (rys. 1b). Ponieważ sygnał jest przesyłany ze źródła do odbiornika za pomocą kabla współosiowego, przez ekran kabla może przepływać prąd wynikający z różnych potencjałów mas (V_G1, V_G2). Wytwarza on napięcie błędu na wejściu odbiornika.

W obu powyższych aplikacjach wymagana jest izolacja stopnia wejściowego i wyjściowego. Można ją zapewnić za pomocą wzmacniaczy izolacyjnych, realizujących separację galwaniczną obwodów. Zapewniają one transmisję jedynie pożądanych sygnałów, eliminując wysokie napięcia sumacyjne oraz separują masy różnych obwodów.

Jak działa wzmacniacz izolacyjny?

 

Rys. 2. Ogólny schemat wzmacniacza izolacyjnego z trzema metodami zapewnienia izolacji: za pomocą transformatora, sprzężenia pojemnościowego i sprzężenia optycznego

Wzmacniacz izolacyjny charakteryzuje się odizolowanym galwanicznie obwodem wejściowym i wyjściowym wraz z ich stopniami zasilającymi. Taka architektura zapewnia, że we wzmacniaczu nie występuje ścieżka przewodząca pomiędzy obwodem wejściowym i wyjściowym. Wzmacniacz izolacyjny zapewnia nie tylko ekstremalnie mały prąd upływu między wejściem i wyjściem, ale również duże napięcie przebicia.

W stopniu wejściowym znajduje się wzmacniacz różnicowy realizujący tłumienie składowej sumacyjnej. Zapewnia to dzięki małej rozpiętości napięć wejściowych (poniżej 1 V) oraz "pływającej" architekturze, bez połączenia z masą. Pojemność resztkowa sprzężenia pomiędzy sekcjami, mogąca pogorszyć właściwości izolacyjne, jest minimalizowana poprzez uważne zaprojektowane obwodu.

Izolację między obwodami zapewnia sprzężenie magnetyczne, pojemnościowe lub optyczne (rys. 2). Metody te blokowałyby normalnie składową DC i niskoczęstotliwościową część widma, jednak niedogodność tę wyeliminowano dzięki modulowaniu przez sygnał wejściowy częstotliwości nośnej i przesyłaniu pełnego widma sygnału, który jest odzyskiwany podczas demodulacji w stopniu wyjściowym. Ponadto, w stopniu wejściowym i wyjściowym są stosowane izolowane zasilacze.

Zastosowana technika modulacji, np. częstotliwości, szerokości impulsu lub modulacja sigma-delta zależy od konkretnego układu. Najczęściej stosowana jest modulacja sigma-delta. Wejście jest różnicowe, a wyjście może pracować w układzie różnicowym lub asymetrycznym.

Należy zauważyć, że obwód wejściowy i wyjściowy wzmacniacza izolacyjnego mają oddzielne linie zasilania. Ogólnie rzecz biorąc, obwód wejściowy korzysta z "pływającego" zasilania, które nie jest połączone z masą. Zapewnienie dobrej izolacji sygnału wymaga zapewnienia również dobrej izolacji zasilania.

Maksymalna różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym wzmacniacza izolacyjnego jest zazwyczaj podawana dla ustalonych wartości napięcia AC i DC. Maksymalna różnica potencjałów w przypadku przepięć jest podawana oddzielnie wraz ze specyfikacją czasową impulsu.

Wartości te obowiązują wówczas, gdy odległości w rzeczywistym obwodzie drukowanym odpowiadają rekomendowanym odległościom pomiędzy liniami wejściowymi i wyjściowymi, podawanymi na kartach katalogowych.

Sprzężenie transformatorowe (magnetyczne)

 

Rys. 3. Wzmacniacz AD202JY firmy Analog Devices dzięki sprzężeniu transformatorowemu zapewnia izolację 1000 V, pracując z pojedynczym, nieizolowanym źródłem zasilania 15 V

Jest to najstarsza metoda izolowania obwodów. Jednym ze wzmacniaczy izolacyjnych ze sprzężeniem transformatorowym jest AD202JY firmy Analog Devices (rys. 3).

AD202JY charakteryzuje się maksymalnym napięciem izolacji 750 V_AC RMS na częstotliwości 60 Hz oraz 1000 dla napięcia DC powiększonego o składową AC. Zawiera dwa transformatory, w tym jeden z nich w ścieżce sygnałowej.

Drugi sprzęga sygnał 25 kHz wytwarzany w stopniu wyjściowym, będący sygnałem nośnej dla modulatora. Sygnał ten jest również wykorzystywany do generowania napięcia zasilającego stopień wejściowy. Eliminuje to drugi, izolowany zasilacz dla stopnia wejściowego.

Wzmocnienie może być programowane przez użytkownika w zakresie od 1 do 100 V/V, a pasmo wzmacniacza wynosi 5 kHz. Niebuforowany stopień wyjściowy może generować napięcie różnicowe ±5 V.

Sprzężenie optyczne

 

Rys. 4. Schemat funkcjonalny wzmacniacza izolacyjnego ACPL790X firmy Broadcom ze sprzężeniem optycznym, zapewniającym izolację elektryczną wejścia i wyjścia

Sprzężenie optyczne jest drugim sposobem zapewnienia izolacji między obwodem wejściowym i wyjściowym wzmacniacza. Obwód wejściowy steruje tu diodą LED współpracującą z fototranzystorem znajdującym się w sekcji wyjściowej (rys. 4). Połączenie jest w całości optyczne i nie zawiera żadnych połączeń elektrycznych między diodą LED i fototranzystorem.

Wzmacniacze izolacyjne Broadcom rodziny ACPL790 łączą sprzężenie optyczne z techniką przetworników delta-sigma i układem stabilizacji typu chopper, oferując wysokonapięciową izolację, różnicowe wyjście i pasmo 200 kHz.

Ich napięcie izolacji wynosi 891 V_peak, zgodnie z normą IEC/EN/DIN EN60747-5-5. Rodzina ACPL790 obejmuje trzy wzmacniacze różniące się dokładnością. ACPL-7900 zapewnia dokładność równą 3%, a dla ACPL-790A i ACPL-790B wynosi ona odpowiednio 1% i 0,5%.

Sprzężenie pojemnościowe

 

Rys. 5. Wzmacniacz AMC1301 wykorzystuje po dwa kondensatory połączone szeregowo, zapewniając sprzężenie pojemnościowe w każdym z torów o wzmocnionej izolacji

We wzmacniaczu AMC1301 firmy Texas Instruments zastosowano trzecią z wymienionych wcześniej metod izolacji, czyli sprzężenie pojemnościowe (rys. 5).

AMC1301 to wzmacniacz z wyjściem różnicowym, zapewniający izolację na poziomie 1500 V_peak. W stopniu wejściowym znajduje się wzmacniacz różnicowy sterujący modulatorem delta-sigma. Izolowany sygnał zegarowy (nośna) jest generowany wewnątrz układu.

Sterownik w torze nadawczym wysyła modulowany sygnał przez podwójną pojemnościową barierę izolacyjną. Sygnał ten jest w stopniu odbiorczym demodulowany, synchronizowany z zegarem i wyprowadzany w postaci różnicowej. AMC1301 charakteryzuje się stałym wzmocnieniem równym 8,2 i nominalnym pasmem 200 kHz (typ.).

Podobnie jak w poprzednim punkcie, stopień wejściowy i wyjściowy AMC1301 wymagają izolowanych źródeł zasilania.

Projekt referencyjny do AMC1301

 

Rys. 6. Projekt referencyjny do symulacji w środowisku TINA-TI, będący przykładem wykorzystania wzmacniacza AMC1301 do zapewnienia izolacji napięcia sumacyjnego 500 V_DC

Firma Texas Instruments oferuje przykładowy projekt referencyjny AMC-1301 do symulacji w TINA-TI (TINA-TI to darmowy symulator oferowany przez Texas Instruments). Symulowany jest tu sygnał wejściowy 200 mV_peak o częstotliwości 5 kHz, występujący na tle napięcia sumacyjnego 500 V_DC.

Napięcie wyjściowe wynosi 1,6 V, off set 0 V, a rezystancja obciążenia 10 kΩ. Przykład ten pokazuje zdolność wzmacniacza izolacyjnego do eliminowania z sygnału wejściowego dużego napięcia sumacyjnego, wynoszącego w tym przypadku 500 V_DC.

Eliminowanie pętli masy

 

Rys. 7. Wstawienie wzmacniacza izolacyjnego między nadajnik i odbiornik eliminuje pętlę masy występującą tu wskutek połączenia realizowanego kablem współosiowym

Izolowanie obwodu wejściowego i wyjściowego we wzmacniaczu może być stosowane do eliminowania pętli masy, pokazanej na rysunku 1b. Umieszczenie wzmacniacza izolacyjnego między nadajnikiem i odbiornikiem pozwala przerwać połączenie mas zwieranych przez kabel współosiowy, jak pokazano na rysunku 7.

Podsumowanie

Wzmacniacze izolacyjne, bez względu na zastosowane w nich sprzężenie: magnetyczne, optyczne czy pojemnościowe, mogą być wykorzystywane przy pomiarach małych sygnałów występujących na tle dużych napięć sumacyjnych oraz do izolowania obwodów w celu eliminowania pętli masy w systemach pracujących z częstotliwością do 200 kHz. Znajdują one zastosowanie w zasilaczach, układach sterowania silników, do zdalnego pomiaru napięcia, w pomiarach biomedycznych oraz w systemach akwizycji danych.

Rich Miron
Digi-Key Electronics