Первая часть статьи: https://dzen.ru/a/aDdxXf046D0fPCkr
Во второй части статьи рассмотрим способ развязки аналоговых сигналов от различных датчиков при помощи изолирующих операционных усилителей (ИОУ). Как и в предыдущей части статьи, возьмем для примера конкретные приборы. В данном случае это будут микросхемы ACPL-C87 и ACPL-C79 от компании Avago Technologies, которая сегодня известна, как Broadcom Inc. ИОУ ACPL-C87 специально разработан для измерения напряжения. Микросхема питается от однополярного источника питания, имеет синфазный вход и дифференциальный выход. Для гальванической развязки используется оптическая изоляция с сигма-дельта модуляцией. Данный ИОУ обладает отличными параметрами точности и стабильности усиления. На рисунке 1 приведен пример его применения в канале измерения напряжения.
Измеряемое напряжение поступает делитель, состоящий из резисторов R1 и R2. Делитель должен быть рассчитан так, чтобы напряжение на его выходе на превысило максимально допустимого входного напряжения ИОУ, которое составляет 2В. Расчет делителя производится по следующей формуле:
Резисторы R1, R2 и конденсатор C1 образуют ФНЧ 1-го порядка блокирующего проникновение помех на вход ИОУ DA1. Частота среза этого ФНЧ определяется по формуле:
Собственный коэффициент усиления ИОУ ACPL-C87 равен 1. На ОУ DA2 выполнен преобразователь выходного дифференциального сигнала ИОУ DA1 в синфазный, представляющий собой обычный дифференциальный усилитель. Варьируя его коэффициентом усиления, можно масштабировать выходной сигнал ИОУ. Коэффициент усиления рассчитывается по формуле:
ОУ DA2 должен быть прецизионный, желательно с Rail-to-Rail* входом и выходом. Цепи питания +5V и +3,3V должны быть гальванически отвязаны. Для цепи питания +5V общим проводом является цепь PGND. Для цепи питания +3,3V общим проводом является цепь GND. На практике это легко реализуется при помощи модульных преобразователей постоянного напряжения с гальванической развязкой, например таких как Morsun B0505S-1WR3. Напряжение изоляции данного преобразователя составляет 3000В, что в два раза перекрывает аналогичный параметр рассматриваемого ИОУ (1414В). Выходной сигнал такого канала измерения напряжения, как правило, поступает на вход АЦП микроконтроллера. Таким образом реализуется высокоточная схема измерения напряжения с гальванической развязкой и минимумом компонентов.
Если перед входом ИОУ ACPL-C87 поставить еще один дифференциальный, или инструментальный усилитель, то можно сделать канал измерения тока, однако схема устройства, при этом, увеличивается в размерах.
Теперь рассмотрим пример реализации канала измерения тока, выполненного на, специально предназначенном для этих целей, ИОУ ACPL-C79. Его схема показана на рисунке 2.
В качестве датчика тока используется токоизмерительный шунт R1. Сигнал с него, через ФНЧ R2, R3, C2 поступает на дифференциальный вход ИОУ DA1. Частота среза ФНЧ определяется по формуле:
Собственный коэффициент усиления ИОУ ACPL-C87 равен 8,2. Это нужно учитывать при расчете диапазона измеряемых токов схемы. Выходная ступень на DA2 аналогична той, что использовалась в канале усиления напряжения.
Подробные технические характеристики микросхем ИОУ ACPL-C87 и ACPL-C79 и рекомендации по их применению приведены в технической документации на эти приборы.
Помимо рассмотренных в статье микросхем, можно рекомендовать следующие типы ИОУ:
· AMC1200B, AMC1300B;
· AMC1311;
· AMC3302, AMC3330 (имеют встроенный преобразователь постоянного напряжения с гальванической развязкой);
· NSi1311-Q1.
Во всех ИОУ из приведенного выше списка использована технология не оптической, а емкостной гальванической изоляции. Помимо ИОУ с оптической и емкостной изоляцией, существуют приборы с трансформаторной изоляцией. ИОУ с трансформаторной изоляцией содержат преобразователи напряжение-частота и частота-напряжение, между которыми включен изолирующий трансформатор.
*ОУ Rail-to-Rail – это ОУ, который может работать с входными и выходными синфазными напряжениями, значения которых достигают уровней питающих напряжений.