Wzmacniacze izolacyjne – co to i po co to?

Projektanci często muszą się mierzyć z wyzwaniem, jakim jest pomiar sygnałów niskonapięciowych, w towarzystwie napięć wysokich. Jest to szczególnie częste w takich aplikacjach jak: systemy zasilające lub układy sterowania silnikami. Problemem staje się też często wspólne uziemienie. Rozwiązaniem mogą być wzmacniacze izolacyjne oraz ich umiejętne wykorzystywanie. Wzmacniacze takie zapewniają izolację galwaniczną, rozdzielając wejście od wyjścia. Dzięki temu przesyłany jest jedynie istotny sygnał, a problem napięć wspólnych jest wyeliminowany. W przypadku systemów monitorujących, opartych na różnego rodzaju sensorach, zapewniają też odpowiednią separację uziemienia, pomiędzy elementami pomiarowymi, eliminując pętle uziemienia. Są często stosowane w takich aplikacjach, jak wspomniane wyżej systemy zasilania lub sterowania, ale także w zdalnym pomiarze napięć, pomiarowych urządzeniach biomedycznych, w akwizycji danych, itp. W tym artykule postaramy się przybliżyć Państwu czym są wzmacniacze izolowane i jak można je efektywnie wykorzystać. Posłużymy się tu przytoczonym przykładem aplikacji, w których tego typu elementy mogłyby się odnaleźć. Zasilanie Nowoczesne system zasilające, podobnie jak systemy sterowania silnikami, wymagają wykonywania pomiaru i operowania na małych sygnałach, co dzieje się w towarzystwie napięć dużo wyższych. Jak można zmierzyć natężenie prądu płynącego przez przełącznik FET, który operuje na napięciu sięgającym 300 V? Najczęściej sytuacja przedstawia się tak jak na powyższym rysunku w części „a” (w uproszczonej rzecz jasna formie, dla czytelności). Moc jest kontrolowana poprzez szerokość impulsu, który steruje pracą kluczy. Napięcie zasilające ma wielkość kilku setek woltów, zaś napięcie mierzone na boczniku rzędu mV. Przyłożenie tego napięcia do uziemionych instrumentów lub wzmacniaczy pomiarowych prawdopodobnie skutkować będzie przekroczeniem limitu dla napięć wspólnych („common mode voltage”), co skończyć się może uszkodzeniem układu. Drugą kwestią pozostaje pytanie, jak można odizolować komponenty i układy od problemu pętli uziemienia (część „b” na powyższym rysunku). Sygnał łączy się od nadajnika do odbiornika poprzez kabel koncentryczny. Prady uziemiające z innych obwodów mogą znaleźć drogę powrotną poprzez ekranowanie kabla, łączącą oba punkty uziemiające. To może powodować powstawanie napięcia, a przez impedancję ekranu, poziomy napięć uziemiających mogą być różne. To z kolei przyczyni się do powstawania błędów w odczycie w odbiorniku. W obu tych przypadkach ważne jest więc, by odizolować odpowiednio sygnały nas interesujące od pozostałych elementów aplikacji. Rozwiązaniem stanowią właśnie wzmacniacze izolujące, zapewniając odpowiednią izolację galwaniczną, w sposób kompleksowy. Jak to działa? Wzmacniacz izolujący to wzmacniacz, który posiada wbudowany element zapewniający odpowiednią izolację galwaniczną pomiędzy wejściem, a wyjściem. Oznacza to, że w żadnym miejscu nie ma bezpośredniej ścieżki przewodzącej, pomiędzy tym co podajemy na wejściu, a co dostajemy na wyjściu. Tego typu układy cechuje ekstremalnie mały prąd upływnościowy, jak również bardzo wysoka wartość przebicia. Stopień wejściowy jest wzmacniaczem różnicowym, który tłumi napięcia wspólne. Jest to wynikiem min. tego, że jest on elementem pływający, tzn nie jest do niczego podpięty, wliczając w to referencję do uziemienia. Pojemność wzajemna pomiędzy sekcjami jest zminimalizowana dzięki przemyślanemu projektowi całej konstrukcji. Izolacja jest zapewniona poprzez jedno z trzech połączeń: indukcyjne (transformator), optyczne lub pojemnościowe. Normalnie metody te blokują sygnały stałe. Jednak dzięki mechanizmowi modulacji sygnału, transmitowaniu go poprzez tą barierę izolacyjną, a następnie demodulację po stronie wyjściowej, sygnały przechodzą bez problemu w odpowiedniej formie. Całość dopełnia system izolowanych źródeł zasilania. Przykład? Jest na rynku kilka wartych uwagi wzmacniaczu indukcyjnych. Jednym z nich jest układ AMC1301 od Texas Instruments. Producent udostępnia też przykład w formie projektu referencyjnego w symulacji TINA-TI (darmowym symulatorze układów elektronicznych). Można zobaczyć wirtualnie jak sprawnie działa ten układ, przy napięciu wspólnym sięgającym 500 V, przy sygnale wejściowym wynoszącym zaledwie 200 mV. Na wyjściu otrzymujemy 1.6 V na obciążeniu 10 kΩ. Symulacja pokazuje siłę wzmacniaczy izolujących, całkowicie eliminując offset napięcia wspólnego, wynoszącego w tym przypadku 500 V. Wzmacniacze takie mogą być wykorzystywane także do łamania pętli uziemienia. Są to więc przydatne narzędzia, pozwalające na sprostanie problemom pomiaru sygnałów niskonapięciowych w towarzystwie tych bardzo wysokich oraz radzeniu sobie z pętlami uziemienia. Artykuł opublikowano dzieki uprzejmości © DigiKey