Изоляционный усилитель - Isolation amplifier
Изолирующие усилители являются формой дифференциальный усилитель которые позволяют измерять слабые сигналы в присутствии высокого синфазного напряжения, обеспечивая электрическая изоляция и барьер электробезопасности. Они защищают получение данных компоненты из общий режим напряжения, которые представляют собой разность потенциалов между землей 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.[1]
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 инструмент, позволяя при этом проводить достаточно точные измерения.
Эти усилители также используются для усиления сигналов низкого уровня в многоканальный Приложения. Они также могут устранить ошибки измерения, вызванные контуры заземления. Усилители с внутренним трансформаторы исключить внешние изолированные источник питания. Обычно они используются как аналоговые интерфейсы между системами с отдельными основания.
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 сигнала состоят из двух основных компонентов. Составляющая нормального режима (VНМ) представляет интересующий сигнал и представляет собой напряжение, подаваемое непосредственно на входы усилителя. Составляющая синфазного режима (VСМ) представляет собой разность потенциалов между нижней стороной компонента нормального режима и землей усилителя, который используется для измерения интересующего сигнала (напряжения 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 не необходимость в развязывающем усилителе, а скорее дифференциальный усилитель. 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 синфазного сигнала дифференциального усилителя, либо максимальный диапазон без повреждений, тогда необходимость в изоляционном усилителе становится очевидной.
Принцип работы
Изолирующие усилители коммерчески доступны как гибридные интегральные схемы от нескольких производителей. Есть три метода обеспечения изоляции.
А трансформатор -изолированный усилитель основан на трансформаторной развязке высокочастотного несущего сигнала 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 светодиод. оптопара. 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 соединения 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.[1]
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 напряжение синфазного сигнала, которое он выдержит без повреждений. Стандартны характеристики 1000 вольт и более.
- Усилитель коэффициент подавления синфазного сигнала (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 как низкий импеданс 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.
Рекомендации по выбору усилителя
Инструментальные усилители можно разделить на четыре большие категории, от наименее до наиболее дорогостоящих:
- Односторонний. Несимметричный вход, неизолированный. Подходит для измерений, когда синфазные напряжения равны нулю или очень малы. Очень недорого.
- Дифференциальный. Симметричный вход, неизолированный. Подходит для измерений, когда сумма напряжений синфазного и нормального режимов остается в пределах диапазона измерения усилителя.
- Односторонний, плавающий общий. Изолированный и квазибалансный вход (плавающий общий вход обычно подключается к (-) входу дифференциального усилителя). Подходит для наземных измерений вплоть до напряжения пробоя изолирующего барьера и демонстрирует очень хорошее подавление синфазных помех (обычно 100 дБ).
- Дифференциальный, плавающий общий. Изолированный и симметричный вход. Подходит для измерения напряжения пробоя изолирующего барьера вне земли и демонстрирует превосходное подавление синфазного сигнала (> 120 дБ).
Для большинства промышленных приложений, требующих изоляции, несимметричная плавающая конструкция обеспечивает наилучшее соотношение цены и качества.
Существует также две широкие категории изолирующих усилителей, которые следует рассматривать вместе с применением:
- Усилители, обеспечивающие изоляцию входа и выхода без изоляции между каналами. Это менее дорогая форма изоляции, которая предлагает только один изолирующий барьер для многоканального прибора. Хотя общие выводы каждого канала изолированы от земли питания изоляционным барьером между входами и выходами, они не изолированы друг от друга. Поэтому синфазное напряжение на одном из них будет пытаться смещать все остальные, иногда с катастрофическими результатами. Эта форма изоляции подходит только тогда, когда точно известно, что есть только одно синфазное напряжение, одинаково приложенное ко всем каналам.
- Усилители, обеспечивающие как вход-выход, так и межканальную изоляцию. Это чистейшая форма изоляции и вариант, который следует рассматривать практически для всех приложений. Многоканальные приборы, в которых он используется, невосприимчивы к непостоянным синфазным напряжениям на любой комбинации каналов в пределах усилителей.
Типичное применение
Измерения ячеек с накоплением напряжения
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. Каждая ячейка напряжения (напряжение нормального режима) удаляется от земли на величину, равную сумме ячеек напряжения под ней (напряжение синфазного режима). Если усилителям, используемым для измерения напряжений отдельных ячеек, не разрешено оставаться на уровне, равном синфазному напряжению, измерения вряд ли будут точными для какой-либо другой ячейки, кроме первой в цепочке, где синфазное напряжение равно нулю.
Можно использовать неизолированный дифференциальный усилитель, но он будет иметь номинальное максимальное синфазное напряжение, которое не может быть превышено при сохранении точности.