절연 증폭기

Isolation amplifier

격리 증폭기는 전기 절연과 전기 안전 장벽을 제공하여 높은 공통 모드 전압이 존재하는 곳에서 작은 신호를 측정할 수 있는 차동 증폭기의 일종이다.그들은 계기 접지와 신호 접지 사이의 잠재적 차이인 공통 모드 전압으로부터 데이터 수집 구성요소를 보호한다.격리 장벽 없이 공통 모드 전압에 인가되는 계측기는 지반 전류가 순환할 수 있도록 해 조사 중인 신호의 소음이 가장 좋은 경우다.최악의 경우 공통 모드 전압이나 전류의 크기가 충분하다고 가정하면 계측기 파괴가 발생할 가능성이 높다.격리 증폭기는 환자를 전원 공급기 누출 전류로부터 격리시키기 위해 의료기기에 사용된다.[1]null

차단벽이 있는 앰프는 공통 모드 전압과 관련하여 앰프의 전면 끝이 장애물 파괴 전압의 한계까지 떠다니게 하며, 이는 종종 1,000V 이상이다.이 작용은 앰프와 앰프에 연결된 계측기를 보호하는 동시에 상당히 정확한 측정을 허용한다.null

이러한 증폭기는 다채널 어플리케이션에서 낮은 레벨의 신호를 증폭하는 데도 사용된다.또한 접지 루프로 인한 측정 오류를 제거할 수 있다.내부 변압기가 장착된 앰프는 외부 절연 전력 공급을 제거한다.그것들은 보통 접지가 분리된 시스템들 사이의 아날로그 인터페이스로 사용된다.null

격리 증폭기는 입력 및 출력 단계 모두에 대해 격리된 전원 공급 장치를 포함하거나 격리된 각 부분에 외부 전원 공급 장치를 사용할 수 있다.[1]null

개념

신호 소스 구성 요소

모든 신호 소스는 정상 모드 전압과 공통 모드 전압의 복합체임

모든 신호원은 두 개의 주요 구성 요소로 이루어져 있다.정상 모드 구성 요소(VNM)는 관심 신호를 나타내며 앰프의 입력에 직접 적용되는 전압이다.공통 모드 구성 요소(VCM)는 정상 모드 구성 요소의 낮은 쪽과 관심 신호(정상 모드 전압)를 측정하는 데 사용되는 앰프의 접지 사이의 전위차를 나타낸다.null

많은 측정 상황에서 공통 모드 구성요소는 무관하게 낮지만 거의 0이 아니다.몇 밀리볼트만 있는 공통 모드 구성요소는 자주 접하며 특히 일반 모드 구성요소가 크기가 더 큰 경우 대부분 성공적으로 무시된다.null

공통 모드 전압 크기가 정상 모드 구성 요소와 경쟁하고 있다는 첫 번째 지표는 앰프의 출력에서 후자의 소음을 재현하는 것이다.그러한 상황은 보통 격리 증폭기의 필요성을 정의하는 것이 아니라 차동 증폭기의 필요성을 정의한다.공통 모드 구성 요소가 두 앰프 입력에서 동시에 위상에 나타나므로, 앰프 설계의 한계 내에 있는 디퍼렌셜 앰프는 이를 거부할 수 있다.null

그러나 정상 모드와 공통 모드 전압의 합계가 디퍼렌셜 앰프의 공통 모드 범위 또는 손상되지 않은 최대 범위를 초과하면 격리 증폭기의 필요성이 확고히 설정된다.null

작동 원리

격리 증폭기는 여러 제조업체가 만든 하이브리드 집적회로로서 상업적으로 이용할 수 있다.고립을 제공하는 방법에는 세 가지가 있다.null

변압기 절연 증폭기는 입력과 출력 사이의 고주파 반송파 신호의 변압기 커플링에 의존한다.일부 모델에는 변압기 절연 전원 공급 장치가 포함되어 있으며, 이 전원 공급 장치는 시스템의 격리된 쪽에 있는 외부 신호 처리 장치의 전원 공급에도 사용될 수 있다.사용 가능한 대역폭은 모델에 따라 다르며, 2 - 20 kHz 범위일 수 있다.격리 증폭기에는 변압기를 통해 주파수 대 전압 변환기에 연결된 전압 대 주파수 변환기가 들어 있다.입력과 출력 사이의 격리는 변압기 권선의 절연에 의해 제공된다.null

광학적으로 격리된 앰프는 LED 광커플러를 통해 전류를 변조한다.선형성은 피드백 루프 내에서 두 번째 광커플러를 사용하여 개선된다.일부 장치는 최대 60kHz 대역폭을 제공한다.갈바닉 절연은 간섭 매체에 관계없이 LED와 검출기 사이의 공간을 통해 전류를 광전속(photonic flux)으로 변환하여 제공한다.null

세 번째 전략은 소형 캐패시터를 사용하여 변조된 고주파수 캐리어를 커플링하는 것이다. 캐패시터는 큰 DC 또는 전력 주파수 AC 전압은 차단할 수 있지만 훨씬 더 높은 주파수 반송파 신호에는 커플링을 제공할 수 있다.이 원리에 따른 일부 모델은 3.5킬로볼트를 견딜 수 있으며 최대 70kHz 대역폭을 제공할 수 있다.[1]null

절연 증폭기 사용법

격리 증폭기는 높은 공통 모드 전압이 존재하는 상태에서 작은 신호를 측정할 수 있도록 하기 위해 사용된다.격리 증폭기의 용량은 다음과 같은 두 가지 키 격리 증폭기 사양의 기능이다.

  • 손상 없이 견딜 절대 최대 공통 모드 전압을 정의하는 앰프의 격리 파괴 전압.1000볼트 이상의 사양이 일반적이다.
  • 앰프의 공통 모드 제거비(CMRR)CMRR 규격은 공통 모드 전압이 정상 모드 구성 요소 측정을 방해하여 측정 정확도에 영향을 미치는 정도를 정의한다.

공통 모드 전압의 주파수는 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.높은 주파수 공통 모드 전압은 격리 장벽의 기생 캐패시턴스로 인해 많은 격리 증폭기에 어려움을 야기한다.이 캐패시턴스는 더 높은 주파수 신호에 대한 낮은 임피던스로 나타나며, 공통 모드 전압이 근본적으로 장벽을 지나쳐 측정을 방해하거나 앰프를 손상시킬 수 있다.그러나 대부분의 공통 모드 전압은 라인 전압의 복합체이므로 주파수는 일반적으로 대부분의 격리 증폭기의 거부 범위 내에서 일부 고조파 함량과 함께 50~60Hz 영역에 유지된다.null

차동 증폭기

비절연 디퍼렌셜 앰프는 입력 회로와 출력 회로 간의 분리를 제공하지 않는다.이들은 전원 공급 장치를 공유하며 입력과 출력 사이에 DC 경로가 존재할 수 있다.비절연 디퍼렌셜 앰프는 전원 공급 전압까지의 공통 모드 전압만 견딜 수 있다.null

계측 증폭기와 유사하게 격리 증폭기는 광범위한 주파수, 높은 입력 임피던스 및 낮은 출력 임피던스에 대해 고정된 차동 이득이 있다.null

앰프 선택 지침

계측 증폭기는 최소 비용에서 최대 비용까지 4가지 범주로 분류할 수 있다.

  • 싱글 엔드.불균형 입력, 비절연.공통 모드 전압이 0이거나 극히 작은 경우 측정에 적합.매우 저렴하다.
  • 미분.균형 잡힌 입력, 비절연.공통 모드와 정상 모드 전압의 합계가 앰프의 측정 범위 내에 유지되는 측정에 적합하다.
  • 싱글 엔드, 플로팅 공통.절연 및 준균형 입력(부유 공통은 일반적으로 차동 증폭기의 (-) 입력에 연결된다).절연 장애물의 파괴 전압까지의 오프그라운드 측정에 적합하며 공통 모드 제거가 매우 양호하다(일반적으로 100db).
  • 차동, 부동 공통.고립되고 균형 잡힌 입력.절연 장애물의 파괴 전압에 대한 오프그라운드 측정에 적합하며, 탁월한 공통 모드 제거(>120 db)를 보인다.

격리가 필요한 대부분의 산업용 애플리케이션에서 단일 엔드 플로팅 설계는 최상의 가격/성능을 제공한다.null

또한 두 가지 광범위한 격리 증폭기 분류가 적용과 함께 고려되어야 한다.

  • 채널 간 격리 없이 입력-출력 격리를 제공하는 앰프.이것은 다채널 계측기에 단 하나의 격리 장벽만을 제공하는 덜 비싼 형태의 격리다.각 채널의 커먼스는 입력-출력 격리 장벽에 의해 전력 접지로부터 격리되지만, 서로 격리되지는 않는다.그러므로 한 사람의 공통 모드 전압은 다른 모든 것을 띄우려고 할 것이며, 때로는 비참한 결과를 초래할 것이다.이러한 격리 형태는 모든 채널에 동일하게 적용되는 공통 모드 전압 하나만 있는 것이 확실할 때만 적합하다.
  • 입력 대 출력 및 채널 대 채널 격리를 모두 제공하는 앰프이것은 가장 순수한 형태의 격리와 거의 모든 애플리케이션에 대해 고려해야 하는 옵션이다.그것을 사용하는 다채널 계측기는 증폭기의 한계 내에 있는 채널의 어떤 조합에서도 일관되지 않은 공통 모드 전압에 면역이 된다.

일반적인 응용 프로그램

누적 전압 셀 측정

누적 전압 셀 측정은 격리 증폭기의 필요성을 나타낸다.

적층 전압 전지 측정은 태양 전지 및 연료 전지의 인기가 증가함에 따라 일반적이다.이 애플리케이션에서 정비사는 개별 직렬 연결 전압 셀의 성능을 프로파일링하려고 하지만, 종종 격리된 앰프의 필요성이 간과된다.각 전압 셀(정상 모드 전압)은 그 아래의 전압 셀 합(공통 모드 전압)과 같은 양으로 접지에서 제거된다.개별 셀 전압을 측정하는 데 사용되는 증폭기가 공통 모드 전압과 동일한 레벨에서 플로팅되도록 허용되지 않는 한, 공통 모드 전압이 0인 문자열의 첫 번째 셀을 제외한 어떤 셀에 대해서도 측정값이 정확하지 않을 가능성이 높다.null

비절연 디퍼렌셜 앰프를 사용할 수 있지만 정확성을 유지하면서 초과할 수 없는 정격 최대 공통 모드 전압을 갖는다.null

참조

  1. ^ a b c 폴 호로위츠, 윈필드 힐 1989년 캠브리지 전자제품 제2판 ISBN0-521-37095-7페이지 462-464

외부 링크