Messung kleiner Signale auf hohen Spannungen und Vermeidung von Masseschleifen in Sensoren

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Entwickler müssen häufig geringe Spannungen neben gleichzeitig vorhandenen hohen Gleichspannungen messen, insbesondere wenn Sie mit Netzteilen und Motorantrieben arbeiten. Gleichzeitig kommt es bei der Verwendung von Sensoren zu Problemen durch Masseschleifen. Beide Probleme können durch den effektiven Einsatz von Trennverstärkern behoben werden.

Trennverstärker ermöglichen eine galvanische Isolierung von Ein- und Ausgängen, damit nur gewünschte Signale übertragen und hohe Gleichspannungen eliminiert werden können. In sensorbasierten Überwachungssystemen halten sie die Massetrennung zwischen Sensoren aufrecht, um Masseschleifen zu vermeiden. Sie kommen häufig in Netzteilen und Motorsteuerungen, in der Fernspannungsmessung, biomedizinischen Messungen und der Ferndatenerfassung zum Einsatz.

In diesem Artikel werden neben einem typischen Szenario, das Isolierung erfordert, auch drei typische Isolierungsmethoden beschrieben (d. h. Transformatorkopplung, optische Kopplung und kapazitive Kopplung). So soll verdeutlicht werden, wie Trennverstärker funktionieren und wie sie effektiv eingesetzt werden können. Weiterhin werden praktische Lösungen für jede Methode sowie ein abschließendes Beispiel unter Verwendung eines Referenzdesigns beschrieben.

Typisches Szenario für Netzteile

In modernen Netzteilen und Motorantrieben müssen kleine Signale neben hohen Gleichspannungen gemessen werden. Wie können Entwickler den Laststrom eines Gegentakt-FET-Leistungstreibers mithilfe eines Shunt-Widerstands messen, wenn der FET auf mehr als 300 Volt vorgespannt ist (Abb. 1a)?

Diagramm der Messung kleiner Spannungsabfälle in einem Gegentakt-FET-Leistungstreiber

Abb. 1: Die Messung kleiner Spannungsabfälle neben hohen Gleichspannungen (a) und die Eliminierung von Masseschleifen (b) sind typische Anwendungsbeispiele in Schaltkreisen, bei denen eine Isolierung erforderlich ist. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der obere (a) Schaltkreis ist ein typischer Leistungstreiber für die Steuerung eines Motors oder einer Motorphase. Er steuert die Leistung durch Veränderung des Betriebszyklus der Pulswellenform je nach Last. Die Versorgungsspannungen (HV+ und HV-) betragen mehrere Hundert Volt. Die Spannung des Stromsensors am Shunt-Widerstand (RSHUNT) liegt bei weniger als 100 Millivolt. Sie liegt jedoch auf einer Pulswellenform, die zwischen HV+ und HV- hin und her wechselt. Durch Anwendung dieser Spannung auf den Eingang eines geerdeten Instruments oder Stromsensorverstärkers würde der Grenzwert der Gleichspannung überschritten und das Gerät möglicherweise zerstört werden.

Gleichzeitig stellt sich die Frage: Wie können Entwickler den Spannungsausgang einer einzelnen Solarzelle auf einem Stapel mehrerer Zellen messen? Wenn die Gleichspannung größer als 80 Volt ist, wird eine elektrische Isolierung erforderlich, um das gewünschte Signal abzutrennen.

Wie ist es zudem möglich, Schaltkreise von Masseschleifen zu isolieren (Abb. 1 b)? Das Signal wird über ein Koaxialkabel von der Transmitterquelle links zum Empfänger auf der rechten Seite geleitet. Gestreuter Erdstrom von anderen Schaltkreisen kann eventuell durch die Koaxialabschirmung, die beide Erdungen verbindet, zurückgeleitet werden. Dadurch entstehen Spannungen in der Serienimpedanz der Kabelabschirmung, wodurch VG2 von VG1 abweicht, was zu einem Fehler am Empfängereingang führt.

In beiden Anwendungen muss es möglich sein, Signalverbindungen zu isolieren. Trennverstärker, die eine galvanische Isolierung zwischen Ein- und Ausgängen ermöglichen, stellen eine Lösung dar. Sie übertragen nur die gewünschten Signale und eliminieren hohe Gleichspannungen. Bei der Anwendung für die Eliminierung von Masseschleifen in Systemen halten sie die Massetrennung zwischen Schaltkreiselementen aufrecht.

So funktionieren Trennverstärker

Bei einem Trennverstärker handelt es sich um einen Verstärker, der zwischen Ein- und Ausgangsschaltkreisen galvanisch isoliert ist (einschließlich der zugehörigen Stromversorgung). Dadurch wird sichergestellt, dass zwischen den Ein- und Ausgangsabschnitten keine Leiterbahn besteht. An diesen Verstärkern treten extrem geringe Kriechspannungen zwischen den Abschnitten auf. Weiterhin können mit ihnen hohe dielektrische Durchschlagsspannungsspezifikationen umgesetzt werden. Bei der Eingangsstufe handelt es sich um einen Differenzverstärker, der die Gleichspannung dämpft. Dies ist möglich, weil die Eingänge nur ein Volt auseinanderliegen, der Verstärker schwebt und nicht massebezogen ist. Die kapazitive Kopplungsstreuung zwischen Abschnitten, wodurch die Isolierung reduziert werden kann, wird durch ein sorgfältiges Design und Layout minimiert. Die Isolierung zwischen den Abschnitten wird durch Transformatoren, eine kapazitive oder optische Kopplung ermöglicht (Abb. 2). Durch diese Kopplungsmethoden werden die DC- und Niederfrequenzkomponenten des Signals normalerweise blockiert. Dieses Manko kann jedoch behoben werden, indem das Eingangssignal verwendet wird, um einen Träger zu modulieren und das gesamte Signalspektrum zu übertragen, das dann wiederum durch Demodulation auf der Ausgangsseite des Geräts zurückgewonnen wird. An Ein- und Ausgang wird eine isolierte Spannungsversorgung verwendet.

Abb. eines generischen Trennverstärkers

Abb. 2: Generischer Trennverstärker mit den drei typischen Isolierungsmethoden: Transformator, kapazitive oder optische Kopplung.(Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die verwendete Modulationsmethode ist geräteabhängig, jedoch kommt die Frequenz-, Pulsweiten- oder Sigma-Delta-Modulation häufig zum Einsatz. Die Sigma-Delta-Modulation wird am häufigsten verwendet. Die Eingänge sind differenziell, und die Ausgangskonfigurationen können asymmetrisch oder differenziell sein. Beachten Sie, dass die Ein- und Ausgangsabschnitte des Trennverstärkers über eine separate Stromversorgung verfügen. Im Eingangsbereich wird normalerweise eine „schwebende“ Versorgung verwendet, die nicht massebezogen ist. Für die Aufrechterhaltung einer guten Isolierung muss die Spannungsversorgung gut isoliert sein.

Die Werte des Trennverstärkers für die maximale Spannungsdifferenz zwischen den angewendeten Ein- und Ausgängen werden normalerweise für anhaltende DC- und AC-Spannungen spezifiziert. Die maximal angewendete Spannung für Transienten wird gesondert mit dem Zeitverlauf der Transienten vorgegeben. Diese Spezifikationen gelten, solange beim physischen Layout der im Datenblatt vorgegebenen, empfohlene Abstand zwischen Eingangs- und Ausgangspins beibehalten wird.

Transformatorkopplung (magnetisch)

Die transformatorgekoppelte Isolierung ist die älteste verwendete Methode der Isolierung von Schaltkreisen. Der Analog Devices AD202JY ist ein magnetisch gekoppelter Trennverstärker (Abb. 3).

Abbildung des AD202JY von Analog Devices

Abb. 3: Im AD202JY von Analog Devices kommt eine Transformatorkopplung zum Einsatz, um eine DC-Isolierung von 1000 Volt mit einer einzelnen nicht isolierten 15-Volt-Versorgung zu erreichen.(Bildquelle: Analog Devices)

Der AD202JY hat eine maximale Isolierungsspannung von 750 Volt (effektiv) AC bei 60 Hertz (Hz) und 1000 Volt DC, plus AC (kontinuierlich). In ihm kommen Doppeltransformatoren zum Einsatz, wobei jeweils der erste für den Signalpfad verwendet wird. Der zweite Transformator koppelt einen 25-kHz-Träger zwischen Ausgang und Eingang und agiert als Träger für den Modulator. Er wird weiterhin verwendet, um doppelt isolierte Stromausgänge für den Eingangsabschnitt zu erzeugen. Dadurch wird die Forderung nach einer separaten, isolierten Spannungsversorgung erfüllt.

Die Verstärkung des Verstärkers kann vom Anwender zwischen 1 und 100 Volt reguliert werden. Er verfügt außerdem über eine volle Leistungsbandweite von 5 kHz. Die Ausgangsstufe ist ein ungepufferter Differenzausgang mit ±5 Volt.

Optische Kopplung

Die optische Kopplung stellt eine weitere Möglichkeit der Isolierung des Ein- und Ausgangs in einem Trennverstärker dar. Die Eingangsseite des Trennverstärkers treibt eine LED an, deren Licht von einem Fototransistor im Ausgangsbereich aufgenommen wird (Abb. 4). Die Verbindung wird rein optisch und ohne elektrischen Anschluss zwischen LED und Fototransistor aufgebaut.

Funktionsdiagramm der Trennverstärkerfamilie ACPL790X von Broadcom

Abb. 4: Aus dem Funktionsdiagramm der Trennverstärkerfamilie ACPL790X von Broadcom ACPL790X geht die Verwendung einer optischen Verbindung für die elektrische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang hervor. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Die ACPL790-Familie der Trennverstärker von Broadcom verbindet eine hervorragende optische Kopplung mit der Sigma-Delta-Wandlertechnologie und Chopper-stabilisierten Verstärkern und bietet so Hochspannungsisolierung, Differenzausgang und eine Bandweite von 200 kHz. Sie bieten eine Arbeitstrennspannung von 891 Volt (Spitze) gemäß IEC/EN/DIN EN60747-5-5. Diese Familie enthält drei Produkte, die unterschiedliche Genauigkeitsspezifikationen umfassen. Der ACPL-7900 bietet eine Genauigkeit von 3 %; der ACPL-790A eine Genauigkeit von 1 %; der ACPL-790B eine Genauigkeit von 0,5 %.

Kapazitive Kopplung

Der Trennverstärker AMC1301 von Texas Instruments kann für die dritte Methode der Isolierung verwendet werden: für die kapazitive Kopplung (Abb. 5).

In der Abbildung des TI AMC1301 kommen zwei Serienkondensatoren in jedem Zweig zum Einsatz.

Abb. 5: Im AMC1301 von TI kommen zwei Serienkondensatoren in jedem Zweig der verstärkten Isolierungsbarriere zum Einsatz, um die kapazitive Trennung umzusetzen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Beim AMC1301 handelt es sich um einen Trennverstärker für einen Differenzausgang mit einer Trennspannung von 1500 Volt (Spitze). Die Eingangsstufe des Trennverstärkers umfasst einen Differenzverstärker, der den Delta-Sigma-Modulator antreibt. Der isolierte Takt (Träger) wird intern abgeleitet. Der Transmittertreiber (TX) überträgt Daten über die Isolierungsbarriere des Doppelkondensators. Die eingegangenen modulierten Daten werden demoduliert und auf der Low-Seite mit dem Takt synchronisiert und als Differenzsignal ausgegeben. Der AMC1301 verfügt über eine feste Verstärkung von 8,2 und eine nominale Bandbreite von (typischerweise) 200 kHz.

Wie bereits zuvor besprochen, erfordern Ein- und Ausgang des AMC1301 eine isolierte Spannungsversorgung.

Referenzdesign des AMC1301

Texas Instruments bietet ein Beispiel eines Referenzdesigns für den Trennverstärker AMC1301 als TINA-TI-Simulation (TINA-TI ist ein freier Schaltkreissimulator von Texas Instruments). Der Schaltkreis verwendet als simulierten Eingang ein 5-kHz-Signal mit einem Signalpegel von 200 Millivolt (Spitze), das einer Gleichspannung von 500 Volt überlagert ist. Der Differenzausgang verfügt über eine Spitzenamplitude von 1,6 Volt und einen Offset von 0 Volt bei einer Last von 10 Kiloohm. Dieses Beispiel zeigt die Leistung des Trennverstärkers bei Eliminierung des hohen Gleichtakt-Offset (hier 500 Volt) vom Eingangssignal.

Abbildung des Referenzdesigns für den AMC1301 von Texas Instruments

Abb. 6: Das Referenzdesign für den AMC1301 von Texas Instruments, der als Simulation in TINA-TI läuft, ist ein Beispiel für einen AMC1301, der eine Isolierung für einen DC-Offset von 500 Volt im Gleichtaktmodus bietet. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Isolierung von Masseschleifen

Die Isolierung zwischen Eingang und Ausgang des Trennverstärkers kann verwendet werden, um Masseschleifen (siehe Beispiel in Abb. 1b) aufzubrechen. Durch Einsatz des Trennverstärkers zwischen Transmitter und Empfänger wird die Masseverbindung zwischen diesen Elementen über das Koaxialkabel unterbrochen, und es besteht kein direkter Masseweg mehr zwischen ihnen (Abb. 7).

Abbildung eines Trennverstärkers zwischen Transmitter und Empfänger

Abb. 7: Durch Zwischenschaltung eines Trennverstärkers zwischen Transmitter und Empfänger wird die Masseschleife aufgrund des ursprünglichen eingesetzten Koaxialkabels eliminiert. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Fazit

Unabhängig davon, ob ein Trennverstärker auf einer magnetischen, optischen oder kapazitiven Kopplung basiert, ist er ein nützliches Instrument für die Messung kleiner Signale, die hohen Gleichspannungen überlagert sind, oder für die Isolierung von Schaltkreismassen zur Eliminierung von Masseschleifen in Systemen mit Bandbreiten von bis zu 200 kHz. Sie kommen häufig in Netzteilen und Motorsteuerungen, in der Fernspannungsmessung, biomedizinischen Messungen und der Ferndatenerfassung zum Einsatz.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

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