Tematem projektu jest wzmacniacz izolacyjny z fotodiodami. Wzmacniacze izolacyjne są to układy charakteryzujące się tym że, istnieje w nich galwaniczne odizolowanie obwodu wejściowego od wyjściowego. Właściwość tą otrzymujemy gdy zastosujemy wysokoimpedancyjne sprzężenie obu tych obwodów oraz osobne ich zasilanie. Należy podkreślić że, napięcie zasilana obwodu wejściowego znajduje się na niezerowym potencjale którego zacisk masy stanowi jedno z wejść różnicowych natomiast masa zasilania wyjściowego jednocześnie końcówką wyjściową. Wzmacniacze izolacyjne charakteryzują się więc tym że, obwód wejściowy jest na niezerowym potencjale natomiast część wyjściowa jest na potencjale masy. Właściwość ta jest wykorzystywana w niektórych urządzeniach pomiarowych, tam gdzie na napięcie wejściowe nakłada się znacznie większe napięcie wspólne, czasami wynoszące nawet kilka kV. Wzmacniacze izolacyjne są więc stosowane jako obwody wejściowe precyzyjnych skomplikowanych i drogich mierników elektrycznych umożliwiając wykonywanie pomiarów napięć na wysokim potencjale przy zachowaniu pełnego bezpieczeństwa. Oprócz urządzeń pomiarowych wzmacniacze z fotoizolacją mają zastosowanie w sterowaniu układów energoelektronicznych których działania nie można wyobrazić sobie bez izolacji galwanicznej elektronicznego układu sterowania od układu wyjściowego formującego przebiegi dużych mocy pobieranych np. z sieci energetycznej (przykładem są tranzystory IGBT w układzie półmostka kształtowania prądu których bramki steruje się najczęściej z wykorzystaniem wzmacniaczy z fotoizolacją). Omawiane wzmacniacze znalazły zastosowanie także w urządzeniach medycznych podyktowane jest to kwestią bezpieczeństwa pacjenta odizolowanego tu od aparatury pomiarowej znajdującej się pod wyższym potencjałem niż dopuszczają normy bezpieczeństwa. Należy wspomnieć że praktycznie stosowane wzmacniacze są dostępne jako układy scalone przykładem są układy 3650 oraz 3652 firmy Burr Brown. Oczywiście zastosowanie transoptorów nie jest jedynym sposobem do uzyskania izolacji galwanicznej którą można osiągać również stosując sprzęganie pojemnościowe oraz transformatorowe wadą stosowania takiego rozwiązania jest niezdolność do przenoszenia sygnałów stałych wady tej pozbawione są wzmacniacze oparte na transoptorach. Wadą wzmacniaczy z transoptorami jest duża nieliniowość wynikająca z nieliniowości samego transoptora z tego też powodu nieodzowną dechą tych układów jest zastosowanie pętli sprzężenia zwrotnego zmniejszającej błąd nieliniowości. Projekt wykonany na zaliczenie przez: piet3ak@poczta.onet.pl Schematy ideowe oraz płytka (w programie Eagle) a także szczegółowy opis w załączniku.
Tomasz Pietrzak
09.06.2004
Elektronika i Telekomunikacja
Rok III
Projekt z układów elektronicznych
Temat: Wzmacniacz izolacyjny z fotodiodami
Wprowadzenie do tematu projektu:
Tematem projektu jest wzmacniacz izolacyjny z fotodiodami. Wzmacniacze
izolacyjne są to układy charakteryzujące się tym że, istnieje w
nich galwaniczne odizolowanie obwodu wejściowego od wyjściowego.
Właściwość tą otrzymujemy gdy zastosujemy wysokoimpedancyjne
sprzężenie obu tych obwodów oraz osobne ich zasilanie. Należy
podkreślić że, napięcie zasilana obwodu wejściowego znajduje się
na niezerowym potencjale którego zacisk masy stanowi jedno z wejść
różnicowych natomiast masa zasilania wyjściowego jednocześnie
końcówką wyjściową. Wzmacniacze izolacyjne charakteryzują się
więc tym że, obwód wejściowy jest na niezerowym potencjale natomiast
część wyjściowa jest na potencjale masy. Właściwość ta jest
wykorzystywana w niektórych urządzeniach pomiarowych, tam gdzie na
napięcie wejściowe nakłada się znacznie większe napięcie wspólne,
czasami wynoszące nawet kilka kV. Wzmacniacze izolacyjne są więc
stosowane jako obwody wejściowe precyzyjnych skomplikowanych i drogich
mierników elektrycznych umożliwiając wykonywanie pomiarów napięć
na wysokim potencjale przy zachowaniu pełnego bezpieczeństwa. Oprócz
urządzeń pomiarowych wzmacniacze z fotoizolacją mają zastosowanie w
sterowaniu układów energoelektronicznych których działania nie
można wyobrazić sobie bez izolacji galwanicznej elektronicznego
układu sterowania od układu wyjściowego formującego przebiegi
dużych mocy pobieranych np. z sieci energetycznej (przykładem są
tranzystory IGBT w układzie półmostka kształtowania prądu których
bramki steruje się najczęściej z wykorzystaniem wzmacniaczy z
fotoizolacją). Omawiane wzmacniacze znalazły zastosowanie także w
urządzeniach medycznych podyktowane jest to kwestią bezpieczeństwa
pacjenta odizolowanego tu od aparatury pomiarowej znajdującej się pod
wyższym potencjałem niż dopuszczają normy bezpieczeństwa. Należy
wspomnieć że praktycznie stosowane wzmacniacze są dostępne jako
układy scalone przykładem są układy 3650 oraz 3652 firmy Burr Brown.
Oczywiście zastosowanie transoptorów nie jest jedynym sposobem do
uzyskania izolacji galwanicznej którą można osiągać również
stosując sprzęganie pojemnościowe oraz transformatorowe wadą
stosowania takiego rozwiązania jest niezdolność do przenoszenia
sygnałów stałych wady tej pozbawione są wzmacniacze oparte na
transoptorach. Wadą wzmacniaczy z transoptorami jest duża
nieliniowość wynikająca z nieliniowości samego transoptora z tego
też powodu nieodzowną dechą tych układów jest zastosowanie pętli
sprzężenia zwrotnego zmniejszającej błąd nieliniowości. Poniższy
rysunek przedstawia poglądowy schemat wzmacniacza izolacyjnego;
Zaznaczone są na nim podstawowe wielkości charakteryzujące te
urządzenie tzn.
- napięcie pomiędzy potencjałem masy obwodu wejściowego a
potencjałem masy obwodu wyjściowego (dla układu 3650 wynosi nawet
5000V)
-rezystancje wejściowe dla napięć różnicowych
- rezystancja wejściowa dla napięcia wspólnego
)
-(common mode rejection ratio) parametr opisujący tłumienie sygnału
sumacyjnego
Założenia projektowe:
Projektowany układ ma spełniać najważniejsze cechy wzmacniacza
izolacyjnego o których była mowa w akapicie powyżej tzn. powinien
spełniać następujące wymogi:
Izolacje galwaniczną między obwodem wejściowym i wyjściowym
opisywane przez takie wielkości jak napięcie przebicia oraz
rezystancje izolacji założenie to zostanie spełnione poprzez użycie
scalonego elementu zawierającego transoptor.
Powinien ponadto charakteryzować się osobnym zasilaniem dla obwodu
wejściowego i wyjściowego które będzie dawało pełną izolację
galwaniczną.
Układ ma być wzmacniaczem prądu stałego co dyskwalifikuje stosowanie
sprzężeń rezystancyjno-pojemnościowych.
Z powodu zastosowania nieliniowego elementu zastosowane zostanie
sprzężenie zwrotne jako sposób eliminacji nieliniowości, w celu
spełnienia tego warunku użyty zostanie podwójny transoptor jeden
użyty w sprzężeniu zwrotnym, drugi dający właściwy sygnał do
obwodu wyjściowego.
W związku z tym że, zastosowany w układzie transoptor charakteryzuje
się bardzo dużym rozrzutem wartości opisujących go parametrów
dlatego dla poprawnej pracy układu dobór elementów bezpośrednio
wpływających na punkt pracy transoptora będą dobierane drogą
eksperymentu dla danego transoptora.
Projektując układ jednym z założeń przyjęcia parametrów
technicznych był koszt wykonania urządzenia, co wpłynęło na wybór
elementów wykorzystanych w układzie. Ważnym założeniem również
było uzyskanie układu o stosunkowo małym skomplikowaniu co miało
zapewnić łatwość w montażu układu
Założenia techniczne:
W wymaganiach projektu jedynym sztywno postawionym wymogiem było
stworzenie układu zapewniającego pełną izolację wejścia z
wyjściem, dobór pozostałych parametrów elektrycznych pozostawiono
projektantowi. W akapicie poświęconym obliczeniom podstawowych
parametrów układu przedstawiony jest tok postępowania, którego
punktem wyjścia jest osiągnięcie następujących parametrów :
;
Rezystancja wyjściowa: odpowiada rezystancji wyjściowej wtórnika
Sposób realizacji :
Na poniższym rysunku przedstawiony jest schemat obrazujący zasadę
działania wzmacniacza izolacyjnego 3650 firmy Burr Brown dostępnego
jako układ scalony. Charakterystyczną cechą jest tu zastosowanie
diody elektroluminescencyjnej oraz dwóch sparowanych z nią fotodiod.
Jedna użyta na wejściu jako sprzężenie zwrotne (CR3) druga (CR2) na
wyjściu jako źródło prądu dla wyjściowego wzmacniacza operacyjnego
pracującego jako przetwornik prąd napięcie. Podawany na wejście
sygnał ujemnego sprzężenia zwrotnego redukuje nieliniowość i
czasowo-temperaturową niestabilność.
wtedy będą obowiązywały następujące zależności między
napięciem wyjściowym a wejściowym oraz odpowiednimi prądami w
układzie:
.
W akapicie tym został zamieszczony schemat blokowy obrazujący
przepływ sygnałów w projektowanym układzie:
na schemacie możemy rozróżnić dwa bloki blok wejściowo-regulacyjny
oraz blok wyjściowy zaznaczona została również izolacja elektryczna
obu bloków. Blok wejściowo-regulacyjny ma na celu pobieranie sygnału
wejściowego oraz regulację nieliniowości powstałych w nieliniowych
elementach przekształcających sygnał elektryczny na optyczny i z
powrotem optyczny na elektryczny. Blok wyjściowy natomiast jest
źródłem sygnału wyjściowego.
Schematy ideowe rola poszczególnych elementów:
.
Niezbędne obliczenia:
. Wszystkie obliczenia wraz z komentarzami zawarte są w dodatku E.
Dane katalogowe elementów:
wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego w otwartej pętli
napięcie niezrównoważenia wzmacniacza różnicowego prąd
niezrównoważenia wzmacniacza różnicowego
Polaryzacja transoptora:
We wzmacniaczu został użyty układ SDT800 który jest podwójnym
transoptorem według danych udostępnionych przez producenta ukjład ten
charakteryzuje się następującymi parametrami
Parametr Oznaczenie Wartość
Najważniejszym elementem podczas doboru warunków pracy transoptora
jest zapewnienie tego aby wzmacniacz mógł przewodzić sygnały
bipolarne tzn. zarówno napięcia dodatnie jak i ujemne przeszkodą tu
może być nieumiejętne spolaryzowanie samego transoptora. Problemem
jest tu dioda LED która będąc spolaryzowana tak że w stanie
spoczynkowym prąd nie będzie przez nią przepływał będzie
przewodziła tylko wtedy gdy (przy założeniu że katoda będzie
przyłączona do masy) na anodzie będzie napięcie dodatnie tzn. w
naszym przypadku gdy anoda jest podpięta do wyjścia wzmacniacza a
katoda byłaby przez rezystor podpięta do masy wzmacniane byłyby tylko
napięcia ujemne z racji odwracającego charakteru wzmacniacza
wejściowego aby jakoś ominąć ten problem należy wymusić aby przez
diodę przepływał spoczynkowy prąd który może być modulowany
zarówno przez napięcia dodatnie jak i ujemne. Niezerowy prąd
spoczynkowy przepływający przez diodę można uzyskać przez
dołączenie anody do wyjścia wzmacniacza operacyjnego u nas jest to
wyjście układu U1 natomiast katody poprzez odpowiednio dobrany
rezystor wymuszający prąd o zadanej wartości do ujemnego potencjału
zasilania.
Obliczenia dla transoptora:
.
Obliczenia dla wzmacniacza różnicowego:
wzmocnienie wzmacniacza różnicowego
Rezystancje wejściowe układu:
składowa różnicowa
składowa sumacyjna
Maksymalny błąd napięcia wyjściowego wywołany prądem i napięciem
niezrównoważenia:
Jak widać błąd napięcia wywołany napięciem niezrównoważenia jest
znaczny gdyż wynosi 45mV dlatego należy go skompensować przez
wyzerowanie układu podłączonym do odpowiednich końcówek wzmacniacza
operacyjnego potencjometr.
wzmocnienie sygnału sumacyjnego wynikające z
nieidealnego zrównoważenia układu przy założeniu, ze tłumienie
sygnału sumacyjnego samego wzmacniacza jest nieskończenie duże.
Następnie obliczany jest współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego
całego układu:
współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego całego układu
wyrażony w decybelach
Wpływ sprzężenia zwrotnego na nieliniowość:
Dla przedstawienia wpływu sprzężenia zwrotnego na nieliniowość
przeanalizujemy poniższy schemat blokowy, który pozwoli nam znaleźć
zależność między sygnałem wejściowym X a wyjściowym Y w dowolnym
układzie regulacji z pętlą sprzężenia zwrotnego B.
gdzie:
-zwrotny sygnał błędu, B- wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego,
A- wzmocnienie elementu liniowego, K(X)- nieliniowość,
Należy tu wspomnieć że w szerokim zakresie zmian X wartości funkcji
K(X) często mogą być poznane tylko przez wykonanie odpowiednich
pomiarów.
Ostatecznie możemy napisać ,że:
funkcja przejścia układu ze sprzężeniem zwrotnym jest funkcją
liniową zależną jedynie od wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego
B.
Rozmieszczenie elementów:
Obraz płytki z rozmieszczeniem elementów zamieszczony jest w
załączniku C.
Mozaika druku:
Mozaika druku w rzeczywistym rozmiarze jako odbicie lustrzane
zamieszczona jest w załączniku D.
Wykaz elementów:
Półprzewodniki:
U1, U2, U3:TL081
TRNS: SDT800
Rezystory (węglowe 1/8W o tolerancji 5%) :
R1, R2: 10k
R3, R4: 20k
R5, R6, R7: 1k
R8, R9: 5k
Kondensatory elektrolityczne:
C1, C2:100uF
Potencjometr montażowy:
POT: 4.7k
Wnioski:
Jak wynika z powyższych rozważań najważniejszym problemem w
projektowanym układzie jest minimalizacja nieliniowości. Wybranym
przeze mnie rozwiązaniem jest zastosowanie pętli ujemnego sprzężenia
zwrotnego obejmującej wszystkie stopnie układu. Jest to rozwiązanie
najprostsze z możliwych innym alternatywnym było użycie na wejściu
układu modulacji częstotliwościowej zmodulowany częstotliwościowo
sygnał nie jest już wrażliwy na zniekształcenia wnoszone przez
transoptor więc zbędne jest stosowanie we wzmacniaczu układów
korekcji nieliniowości trasoptora. Rozwiązanie to jest jednak bardziej
skomplikowane układowo i wymaga większych nakładów pracy od
projektanta.
Założeniem projektowym było zaprojektowanie układu o prostej budowie
wykonanie niezbędnych obliczeń prowadzących do doboru wartości
odpowiednich elementów wykonanie płytki prototypowej a po jej
uruchomieniu przeprowadzenie pomiarów nieliniowości i na ich podstawie
wyników oraz na podstawie parametrów dostępnych na rynku wzmacniaczy
izolacyjnych ze sprzężeniem optycznym przedyskutowanie uzyskanych
parametrów. Niestety nie udało się wykonać poprawnie płytki
drukowanej przyczyną było wykonanie przypadkowego błędu w druku co
uniemożliwiło wykonanie zaplanowanych pomiarów. Błąd był
spowodowany niedopatrzeniem przy rysowaniu ścieżek na laminacie można
było tego uniknąć stosując inną technikę nanoszenia obrazu druku
na laminat (np. naniesienie na gorąco wydruku na papierze kredowym
drukarką laserową która to metoda nie tylko zabezpiecza przed
zrobieniem przypadkowego błędu druku ale także pozwala w pełni
wykorzystać możliwości programów do edycji płytek drukowanych
poprzez dokładne odwzorowanie przewidzianych grubości i kształtu
ścieżek.
Wykaz literatury:
Zbigniew Kulka, Michał Nadachowski – „Zastosowania wzmacniaczy
operacyjnych”
Andrzej Pawlaczyk – „Układy i elementy optoelektroniczne”
Odnośniki do stron internetowych
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/3650.pdf
http://www.ssousa.com/pdf/SDT800.pdf