Датчик напряжения с гальванической развязкой

ОАО «НИИЭМ», г. Истра

Универсальность датчиков заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика кроме концентратора магнитного поля входит так называемый датчик Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор, определяющий величину и направление магнитного поля проходящего тока.

Таблица 2. Основные технические характеристики выпускаемых датчиков измерения переменного тока ДТТ

В продолжение статьи об измерении тока, хотелось бы рассказать и сделать, что ни будь подобное для измерения напряжения. Проблема остаётся все той же, часто возникает необходимость увидеть форму того или иного сигнала, но когда этот сигнал высоковольтный, то не так-то просто это сделать. Во-первых, не у всех измерительных приборов, осциллографов или АЦП, входные каскады рассчитаны на высокие напряжения. А во-вторых, всегда нужно гальванически развязать ваш измерительный прибор и силовую часть схемы.
Итак, начнём с того, что амплитуда напряжение, которое оцифровывает АЦП, намного ниже чем, например 110, 220, 380 вольт. Поэтому необходимо понизить напряжение, приходящее на каналы АЦП. Для этого используем резистивный делитель напряжения.
Простейший резистивный делитель напряжения представляет собой два последовательно включённых резистора, подключённые к источнику напряжения. Поскольку резисторы соединены последовательно, то ток через них будет одинаков в соответствии с первым законом Кирхгофа. А падение напряжения на каждом резисторе согласно закону Ома будет пропорционально сопротивлению.

Следует обратить внимание, что сопротивление нагрузки делителя напряжения должно быть много больше собственного сопротивления делителя, так, чтобы в расчетах этим сопротивлением, включенным параллельно R1 можно было бы пренебречь. Но оно и не должно быть слишком малым, так как вы будете подключать делитель параллельно основной нагрузке и поэтому, он должен производить наименьшее влияние на нагрузку.
Необходимо подобрать напряжение U1 таким образом, чтобы его можно было оцифровать с помощью АЦП, например, это будет 2,5 вольт.
Думаю, вы согласитесь со мной, что было бы хорошо одним прибором мониторить сигнал любой формы, будь то переменное напряжение или постоянное. Но переменный ток изменяется по синусоидальному закону и имеет отрицательные и положительные полуволны, а так как АЦП контроллера работает от однополярного напряжения, то оцифровать сигнал отрицательной полуволны будет невозможно. Поступим так же как поступили разработчики датчика тока ACS750, сместим ось абсцисс в положительную сторону относительно нуля на 2,5 вольта. Для этого используем операционный усилитель, в качестве инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления равным единице. Для этого резисторы R1 и R2 должны быть с одинаковым номиналом, и как уже упоминалось выше, сопротивление нагрузки делителя напряжения должно быть много больше собственного сопротивления делителя, поэтому их номиналы должны быть больше чем номиналы резисторов делителя, например, 1 МОм.

В качестве операционного усилителя можно использовать микросхему LM358, она простая, надёжная и в одном корпусе имеет два операционных усилителя. Подав на прямой вход ОУ +1.25 вольта, мы сместим сигнал Vin на 2,5 вольта относительно оси абсцисс.
Теперь объединим резистивный делитель напряжения и инвертирующий усилитель.

Делитель напряжения и операционный усилитель настроены так, что если на вход Vin подать напряжение от -500 до 500 вольт, то на выходе Vout мы получим идентичный сигнал по характеру изменения, но только уже от 2,5 до 5 вольт и от 2,5 до 0 вольт. Именно за счет этого смещения на 2,5 вольта данная схема позволит измерять как постоянное, так и переменное напряжение, то есть сигнал любой формы в диапазоне от -500 до +500 вольт.
Ниже представлена диаграмма напряжения синусоидальной формы, амплитудой 500 вольт , преобразованная данной схемой .

Теперь осталось сделать гальваническую развязку, чтобы со спокойной душой и чистой совестью можно было лезть к высокому напряжению. Для этого можно было бы использовать уже готовые ОУ с опторазвязками, но они или имеют фиксированный коэффициент усиления или не доступны для покупки. Идеальным решением, на мой взгляд, будет использовать оптопару с линейной зависимостью типа IL300. Линейности в ней добиваются за счёт того, что она содержит в себе два одинаковых фотодиода К1 и К2, что видно на рисунке ниже.

Один фотодиод используется для обратной связи по входу оптопары. Таким образом, используя операционный усилитель, можно регулировать ток светодиода и добиться максимальной линейности. Вот тут мы и используем второй операционный усилитель микросхемы LM358.
На рисунке ниже изображена типичная схема подключения. В качестве входного сигнала для неё будет использоваться выходной сигнал преобразователя рассмотренного выше, Vout.

Таким образом, на выходе Vo мы получим сигнал идентичный сигналу на входе Va.
Напомню, что изображенный на первых рисунках усилитель OP1 является инвертирующим, а это значит, что на выходе Vout, самой первой схемы, мы получаем «зеркальное отражение» измеряемого сигнала, это необходимо учесть и исправить. Поэтому завершением всей схемы так же должен стать инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равным единице. Добавим к типичной схеме, изображенной выше, инвертирующий усилитель.
Объединив всё вышеизложенные решения, получим следующую схему.

На видео, синим цветом, изображена диаграмма напряжения на выходе Vo, эквивалентная входному напряжению Vin, изображенного красным цветом. В ближайшем времени я обязательно разведу печатную палату и попробую проверить данный девайс на практике. Так же смотрите статьи по программированию MSP430, в которых я расскажу, как работать с данным контроллером и как с его помощью оцифровать подобный аналоговый сигнал.

В этой статье речь пойдет в первую очередь об оптической развязке аналогового сигнала. Будет рассматриваться бюджетный вариант. Также основное внимание уделяется быстродействию схемотехнического решения.

Способы развязки аналогового сигнала

Небольшой обзор. Существует три основных способа гальванической развязки аналогового сигнала: трансформаторный, оптический и конденсаторный. Первые два нашли наибольшее применение. На сегодняшний день существует целый класс устройств, которые называются изолирующие усилители или развязывающие усилители (Isolated Amplifier). Такие устройства передают сигнал по средствам его преобразования (в схеме присутствует модулятор и демодулятор сигнала).

Рис.1. Общая схема изолирующих усилителей.

Есть устройства как для передачи аналогового сигнала по напряжению (ADUM3190, ACPL-C87), так и специализированные, для подключения непосредственно к токовому шунту (SI8920, ACPL-C79, AMC1200). В данной статье мы не будем рассматривать дорогие устройства, однако перечислим некоторые из них: iso100, iso124, ad202..ad215 и др.

Существует также другой класс устройств – развязывающие оптические усилители с линеаризующей обратной связью (Linear Optocoupler) к этим устройствам относятся il300, loc110, hcnr201. Принцип действия этих устройств легко понять, посмотрев на их типовую схему подключения.

Рис.2. Типовая схема для развязывающих оптических усилителей.

Подробнее о развязывающих усилителях вы можете почитать: А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях» (глава 2), также будет полезен документ AN614 «A Simple Alternative To Analog Isolation Amplifiers» от silicon labs, там есть хорошая сравнительная таблица. Оба источника есть в интернете.

Специальные микросхемы оптической развязки сигнала

Теперь к делу! Для начала сравним три специализированных микросхемы: il300, loc110, hcnr201. Подключенные по одной и той же схеме:

Рис.3. Тестовая схема для il300, hcnr201 и loc110.

Разница только в номиналах для il300, hcnr201 R1,R3=30k, R2=100R, а для loc110 10k и 200R соответственно (я подбирал разные номиналы чтобы добиться максимального быстродействия, но при этом не выйти за допустимые пределы, например, по току излучающего диода). Ниже приведены осциллограммы, которые говорят сами за себя (здесь и далее: синий – входной сигнал, желтый — выходной).

Рис.4. Осциллограмма переходного процесса il300.

Рис.5. Осциллограмма переходного процесса hcnr201.

Рис.6. Осциллограмма переходного процесса loc110.

Теперь рассмотрим микросхему ACPL-C87B (диапазон входного сигнала 0..2В). Честно говоря с ней я провозился достаточно долго. У меня в наличии было две микросхемы, после того как получил неожиданный результат на первой, со второй обращался очень аккуратно, особенно при пайке. Собирал всё по схеме, указанной в документации:

Результат один и тот же. Подпаивал керамические конденсаторы непосредственно вблизи ножек питания, менял ОУ (естественно проверял его на других схемах), пересобирал схему и т.д. В чем собственно загвоздка: выходной сигнал имеет значительные флуктуации.

Несмотря на то, что производитель обещает уровень шума выходного сигнала 0.013 mVrms и для варианта «B» точность ±0.5%. В чем же дело? Возможно ошибка в документации, поскольку с трудом верится в 0.013 mVrms. Непонятно. Но посмотрим в графу Test Conditions/Notes напротив Vout Noise и на Рис.12 документации:

Рис.9. Зависимость уровня шума от величины входного сигнала и частоты выходного фильтра.

Здесь картина немного проясняется. Видимо производитель говорит нам о том, что мы можем задушить эти шумы через ФНЧ. Ну что ж, спасибо за совет (иронично). Зачем вот только всё это таким хитрым образом вывернули. Скорее всего понятно зачем. Ниже приведены графики без и с выходным RC фильтром (R=1k, C=10nF (τ=10µS))

Рис.10. Осциллограмма переходного процесса ACPL—C87 без и с выходным фильтром.

Применение оптопар общего назначения для развязки сигнала

Теперь перейдем к самому интересному. Ниже приведены схемы, которые я нашел в интернете.

Рис.11. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.12. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Рис.13. Типовая схема оптической развязки аналогового сигнала на двух оптопарах.

Такое решение имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществу отнесем большее напряжение изоляции, к недостаткам то, что две микросхемы могут значительно отличаться по параметрам, поэтому кстати рекомендуется использовать микросхемы из одной партии.

Я собрал эту схему на микросхеме 6n136:

Рис.14. Осциллограмма переходного процесса развязки на 6N136.

Получилось, но медленно. Пробовал собирать и на других микросхемах (типа sfh615), получается, но тоже медленно. Мне надо было быстрее. К тому же часто схема не работает из-за возникающих автоколебаний (в таких случаях говорят САР неустойчива))) Помогает увеличение номинала конденсатора С2 рис. 16.

Один знакомый посоветовал отечественную оптопару АОД130А. Результат на лицо:

Рис.15. Осциллограмма переходного процесса развязки на АОД130А.

Рис.16: Схема развязки на АОД130А.

Потенциометр нужен один (RV1 или RV2) в зависимость от того будет выходной сигнал меньше или больше входного. В принципе можно было поставить только один RV=2k последовательно с R3=4.7k, ну или вообще оставить только RV2=10k без R3. Принцип понятен: иметь возможность подстройки в районе 5k.

Микросхема трансформаторной развязки сигнала

Перейдем к трансформаторному варианту. Микросхема ADUM3190 в двух вариантах на 200 и 400 кГц (у меня на 400 — ADUM3190TRQZ), также есть микросхема на более высокое напряжение изоляции ADUM4190. Замечу, корпус самый маленький из всех – QSOP16. Выходное напряжение Eaout от 0.4 до 2.4В. В моей микросхеме выходное напряжение смещения около 100мВ (видно на осциллограмме рис. 18). В целом работает неплохо, но лично меня несовсем устраивает выходной диапазон напряжения. Собрано по схеме из документации:

Рис.17. Схема ADUM3190 из документации.

Рис.18. Осциллограмма переходного процесса ADUM3190.

Итоги

Подведем итог. На мой взгляд наилучшим вариантом является схема на отечественных АДО130А (где они их только взяли?!). Ну и напоследок небольшая сравнительная таблица:

*- приблизительно (по собранной схеме с оптимизацией по быстродействию)

**- цена средняя по минимальным.
Ярослав Власов