С развитием программной электроники появилась потребность в инициализации электрических параметров силовых цепей, работающих под высокими потенциалами. Эти показания отцифровываются аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП) для последующей индикации и хранения. Также цифровые данные могут использоваться микроконтроллерами и процессорной техникой для автоматизации процессов. Так что между датчиками силовых цепей и модулями управления должна быть надёжная гальваническая развязка (ГР).
Для таких систем специально разработан изолирующий усилитель, обладающий способностью оградить вход от высоких потенциалов выхода при малых искажениях аналогового сигнала с постоянной и переменной составляющей.
Какие бывают изолирующие усилители
Существует 3 основных вида изолирующих усилителей:
- Трансформаторные;
- Оптические операционные усилители (ОУ);
- КМОП-интегрированные ОУ.
Трансформаторные модули и сборки
Для усилителей не всегда подходят компоненты с индуктивными элементами (трансформаторами), так как имеют нелинейный коэффициент усиления (КУ) широкополосного сигнала. Также они не трансформируют постоянный ток и инфранизкие частоты. Поэтому трансформаторная развязка нуждается в дополнительном преобразователе. Её реализуют в отдельных модулях и интегральных микросборках, например на компоненте AD204KN.
В данной сборке электропитание подаётся через специальный трансформатор. Поэтому нет гальванического соединения с цепями входа и выхода. Ёмкостные связи нужны для сглаживания импульсных скачков высоких потенциалов, которые могут возникнуть в питающей сети. Существуют многоканальные сборки с трансформаторной и ёмкостной изолированной связью.
Оптопары в качестве ГР в усилителях сигнала датчиков
Невысокой стоимостью обладают оптические изолированные усилители, передача сигнала у которых осуществляется с помощью светодиодов/фотодиодов через прозрачный изолированный барьер. Однако такие устройства могут выдавать серьёзные искажения сигнала, вызванные неоднородностью led-излучателей. Эта проблема в некоторой степени решается введением глубокой обратной связи через оптический канал.
Всё же со временем светодиоды теряют способность к излучению света, поэтому КУ оптических ОУ, может измениться. Это свойство не позволяет их применение в высокоточной технике. А измерительные приборы с оптическими элементами ГР имеют подстройку (калибровку) КУ. Проблема решается использованием качественных светодиодов и технологии производства таких компонентов.
Приборы учёта, построенные на оптических элементах, проходят регулярное техническое обслуживание и поверку. Модуль изолирующего усилителя на микросхеме оптического ОУ может быть оборудован панелью для замены интегрального компонента без необходимости пайки выводов.
КМОП-интегрированные ОУ
Новые технологии позволяют создавать интегральные ОУ КМОП-структуры с изоляционным барьером. Именитые производители выпускают микросхемы передающие сигнал через ёмкостную ГР с постоянной и переменной составляющей широкого диапазона частот. Естественно, без преобразователя не обойтись, но он интегрирован в саму микросхему, а канал усиления имеет ничтожно малый коэффициент искажений.
Усилители с изоляцией входа от выхода работают в системах, где датчик или вход отделяется от цепей, передающих эти данные. Такие изоляционные барьеры нужны для защиты чувствительных датчиков от высоких потенциалов, также систем сбора и хранения данных от них. Высокая достоверность усилителей позволяет применять КМОП устройства с изолированным барьером в качественной технике и высокоточных измерительных приборах.
Хороший пример использования таких усилителей в медицинской технике. Они задействуют электроэнергию для получения физических данных от пациентов, при этом имеют надёжную защиту от поражения тела человека электрическим током. Точность показаний сохраняется на протяжении всего срока службы интегрального компонента. Единственный недостаток подобных изделий – высокая цена, которая оправдывается эффективностью применения.