Изолирующие усилители являются формой дифференциального усилителя , который позволяет измерять малые сигналы в присутствии высокого синфазного напряжения, обеспечивая электрическую изоляцию и электрический барьер безопасности. Они защищают компоненты сбора данных от синфазных напряжений, которые являются разностями потенциалов между заземлением прибора и сигнальным заземлением. Приборы, которые применяются в присутствии синфазного напряжения без изолирующего барьера, позволяют токам заземления циркулировать, что приводит в лучшем случае к шумному представлению исследуемого сигнала. В худшем случае, если величина синфазного напряжения или тока достаточна, вероятно разрушение прибора. Изолирующие усилители используются в медицинских приборах для обеспечения изоляции пациента от тока утечки питания. [1]
Усилители с изолирующим барьером позволяют входному каскаду усилителя плавать относительно синфазного напряжения до предела пробивного напряжения барьера, которое часто составляет 1000 вольт или более. Это действие защищает усилитель и подключенный к нему прибор, при этом позволяя проводить достаточно точные измерения.
Эти усилители также используются для усиления сигналов низкого уровня в многоканальных приложениях. Они также могут устранять ошибки измерения, вызванные контурами заземления . Усилители с внутренними трансформаторами устраняют внешний изолированный источник питания . Они обычно используются в качестве аналоговых интерфейсов между системами с разделенными заземлениями .
Разделительные усилители могут включать изолированные источники питания как для входного, так и для выходного каскадов или могут использовать внешние источники питания на каждой изолированной части. [1]
Все источники сигнала представляют собой композицию из двух основных компонентов. Компонент нормального режима (V NM ) представляет собой интересующий сигнал и является напряжением, которое прикладывается непосредственно ко входам усилителя. Компонент синфазного режима (V CM ) представляет собой разность потенциалов между низкой стороной компонента нормального режима и землей усилителя, которая используется для измерения интересующего сигнала (напряжение нормального режима).
Во многих ситуациях измерения синфазная составляющая несущественно мала, но редко равна нулю. Синфазные составляющие всего в несколько милливольт часто встречаются и в значительной степени и успешно игнорируются, особенно когда нормальная составляющая на порядки больше.
Первым показателем того, что величина синфазного напряжения конкурирует с компонентой нормального режима, является шумное воспроизведение последней на выходе усилителя. Такая ситуация обычно не определяет необходимость в разделительном усилителе, а скорее в дифференциальном усилителе . Поскольку синфазная составляющая появляется одновременно и в фазе на обоих входах усилителя, дифференциальный усилитель, в пределах ограничений конструкции усилителя, может ее отбросить.
Однако если сумма напряжений нормального режима и синфазного сигнала превышает либо диапазон синфазного сигнала дифференциального усилителя, либо максимальный диапазон без повреждения, то необходимость в изолирующем усилителе становится очевидной.
Изолирующие усилители коммерчески доступны как гибридные интегральные схемы, производимые несколькими производителями. Существует три метода обеспечения изоляции.
Трансформаторно - изолированный усилитель использует трансформаторную связь высокочастотного несущего сигнала между входом и выходом. Некоторые модели также включают трансформаторно-изолированный источник питания, который также может использоваться для питания внешних устройств обработки сигнала на изолированной стороне системы. Доступная полоса пропускания зависит от модели и может составлять от 2 до 20 кГц. Изолирующий усилитель содержит преобразователь напряжения в частоту, подключенный через трансформатор к преобразователю частоты в напряжение. Изоляция между входом и выходом обеспечивается изоляцией на обмотках 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 путем преобразования электрического тока в фотонный поток через пространство между светодиодом и детектором, независимо от промежуточной среды.
Третья стратегия заключается в использовании небольших конденсаторов 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 на этом принципе могут выдерживать 3,5 киловольт и обеспечивать полосу пропускания до 70 кГц. [1]
Изолирующие усилители используются для измерения малых сигналов в присутствии высокого синфазного напряжения. Мощность изолирующего усилителя зависит от двух основных характеристик изолирующего усилителя:
Частота синфазного напряжения может отрицательно влиять на производительность. Синфазные напряжения более высокой частоты создают трудности для многих изолирующих усилителей из-за паразитной емкости изолирующего барьера. Эта емкость выглядит как низкое сопротивление для сигналов более высокой частоты и позволяет синфазному напряжению фактически проходить через барьер и мешать измерениям или даже повреждать усилитель. Однако большинство синфазных напряжений представляют собой композит линейных напряжений, поэтому частоты обычно остаются в диапазоне от 50 до 60 Гц с некоторым содержанием гармоник, что вполне соответствует диапазону подавления большинства изолирующих усилителей.
Неизолированный дифференциальный усилитель не обеспечивает изоляцию между входными и выходными цепями. Они совместно используют источник питания, и между входом и выходом может существовать путь постоянного тока. Неизолированный дифференциальный усилитель может выдерживать только синфазные напряжения вплоть до напряжения источника питания.
Подобно инструментальным усилителям, изолирующие усилители имеют фиксированный дифференциальный коэффициент усиления в широком диапазоне частот, высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.
Инструментальные усилители можно разделить на четыре основные категории, расположенные от наименее затратных к наиболее дорогостоящим:
Для большинства промышленных применений, требующих изоляции, однотактная плавающая конструкция обеспечивает наилучшее соотношение цены и производительности.
Существуют также две общие классификации изолирующих усилителей, которые следует рассматривать в сочетании с применением:
Измерения напряжений ячеек штабелированных элементов распространены с ростом популярности солнечных элементов и топливных элементов. В этом приложении техник хочет профилировать производительность отдельных последовательно соединенных ячеек напряжений, но необходимость в изолированном усилителе часто упускается из виду. Каждая ячейка напряжения (напряжение нормального режима) удалена от земли на величину, равную сумме напряжений ячеек ниже ее (напряжение синфазного режима). Если усилители, используемые для измерения напряжений отдельных ячеек, не могут плавать на уровне, равном напряжению синфазного режима, измерения, скорее всего, не будут точными для любой ячейки, кроме первой ячейки в цепочке, где напряжение синфазного режима равно нулю.
Можно использовать неизолированный дифференциальный усилитель, но он будет иметь номинальное максимальное синфазное напряжение, которое нельзя превышать при сохранении точности.
