Изолирующий усилитель

Изолирующие усилители представляют собой разновидность дифференциального усилителя , который позволяет измерять слабые сигналы при наличии высокого синфазного напряжения, обеспечивая электрическую изоляцию и электрический барьер безопасности. Они защищают сбора данных компоненты от синфазных напряжений, которые представляют собой разность потенциалов между землей прибора и землей сигнала. Приборы, которые применяются при наличии синфазного напряжения без изолирующего барьера, позволяют токам заземления циркулировать, что в лучшем случае приводит к зашумленному представлению исследуемого сигнала. В худшем случае, если предположить, что величина синфазного напряжения или тока достаточна, вероятно разрушение прибора. Изолирующие усилители используются в медицинских приборах для обеспечения изоляции пациента от тока утечки источника питания. ^[1]

Усилители с изолирующим барьером позволяют входному каскаду усилителя плавать относительно синфазного напряжения до предела напряжения пробоя барьера, которое часто составляет 1000 вольт и более. Это действие защищает усилитель и подключенный к нему прибор, сохраняя при этом 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 в качестве аналоговых интерфейсов между системами с разделенными землями .

Изолирующие усилители могут включать изолированные источники питания как для входного, так и для выходного каскада или могут использовать внешние источники питания на каждой изолированной части. ^[1]

Концепции

Компоненты источника сигнала

Все источники сигналов состоят из двух основных компонентов. Компонент нормального режима (V _NM ) представляет собой 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 мала, но редко равна нулю. Часто встречаются синфазные составляющие величиной всего несколько милливольт, которые в значительной степени и успешно игнорируются, особенно когда нормальная составляющая на несколько порядков больше.

Первым показателем того, что величина синфазного напряжения конкурирует с нормальной составляющей, является шумное воспроизведение последней на выходе усилителя. Такая ситуация обычно определяет необходимость использования не развязывающего усилителя, а скорее дифференциального усилителя . Поскольку синфазная составляющая появляется одновременно и синфазно на обоих входах усилителя, дифференциальный усилитель в пределах конструкции усилителя может ее подавлять.

Однако, если сумма напряжений нормального и синфазного режима превышает либо диапазон синфазного режима дифференциального усилителя, либо максимальный диапазон без повреждений, тогда необходимость в изолирующем усилителе становится твердо установленной.

Принципы работы

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

Усилитель с трансформаторной развязкой основан на трансформаторной связи высокочастотного несущего сигнала между входом и выходом. Некоторые модели также включают в себя источник питания с трансформаторной изоляцией, который также можно использовать для питания внешних устройств обработки сигналов на изолированной стороне системы. Доступная полоса пропускания зависит от модели и может находиться в диапазоне от 2 до 20 кГц. Изолирующий усилитель содержит преобразователь напряжение-частота, подключенный через трансформатор к преобразователю частота-напряжение. Изоляция между входом и выходом обеспечивается изоляцией обмоток трансформатора.

Оптически изолированный усилитель модулирует ток через светодиодную оптопару . Линейность улучшается за счет использования второй оптопары в контуре обратной связи. Некоторые устройства обеспечивают полосу пропускания до 60 кГц. Гальваническая развязка обеспечивается преобразованием электрического тока в фотонный поток 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 сигнала несущей гораздо более высокой частоты. Некоторые модели на этом принципе могут выдерживать напряжение 3,5 киловольта и обеспечивать полосу пропускания до 70 кГц. ^[1]

Структурная схема усилителя с трансформаторной развязкой
Пример схемы оптически изолированного усилителя
Схема оптически изолированного гибридного усилителя (производства Burr-Brown Corporation ) с изолирующим зазором, видимым в разомкнутой цепи справа.
Блок-схема развязывающего усилителя, связанного с конденсаторами.

Использование развязывающего усилителя

Изолирующие усилители используются для измерения слабых сигналов при наличии высокого синфазного напряжения. Мощность изолирующего усилителя зависит от двух ключевых характеристик изолирующего усилителя:

Напряжение пробоя изоляции усилителя, которое определяет абсолютное максимальное синфазное напряжение, которое он выдерживает без повреждений. Технические характеристики 1000 В и более являются общими.
усилителя Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR). Спецификация CMRR определяет степень, в которой синфазное напряжение будет нарушать измерение компонентов нормального режима и, следовательно, влиять на точность измерений.

Частота синфазного напряжения может отрицательно влиять на производительность. Более высокие синфазные напряжения создают трудности для многих изолирующих усилителей из-за паразитной емкости изолирующего барьера. Эта емкость проявляется как низкий импеданс для более высокочастотных сигналов и позволяет синфазному напряжению существенно преодолевать барьер и мешать измерениям или даже повредить усилитель. Однако большинство синфазных напряжений представляют собой совокупность 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 изоляции между входной и выходной цепями. Они имеют 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 инструментальному усилителю, изолирующие усилители имеют фиксированный дифференциальный коэффициент усиления в широком диапазоне частот, высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.

Типичное применение

Измерения составных ячеек напряжения

Измерения составных элементов напряжения стали обычным явлением в связи с растущей популярностью солнечных элементов и топливных элементов. В этом приложении техник хочет профилировать характеристики отдельных последовательно соединенных по напряжению ячеек, но необходимость в изолированном усилителе часто упускается из виду. Каждая ячейка напряжения (напряжение нормального режима) удаляется от земли на величину, равную сумме ячеек напряжения ниже нее (напряжение синфазного режима). Если усилителям, используемым для измерения напряжения отдельных ячеек, не разрешено плавать на уровне, равном синфазному напряжению, измерения вряд ли будут точными для любой ячейки, кроме первой в цепочке, где синфазное напряжение равно нулю.

Можно использовать неизолированный дифференциальный усилитель, но он будет иметь номинальное максимальное синфазное напряжение, которое нельзя превысить при сохранении точности.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Пол Горовиц, Уинфилд Хилл. Искусство электроники, второе издание , Кембридж, 1989 г. ISBN 0-521-37095-7 страниц 462-464

Внешние ссылки

[HH89-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Пол Горовиц, Уинфилд Хилл. Искусство электроники, второе издание , Кембридж, 1989 г. ISBN 0-521-37095-7 страниц 462-464

[1]