Isolatieversterkers
Galvanische scheiding door optische koppeling
Onder de type-aanduiding IL300 wordt een lineaire opto-coupler aangeboden die zich bij uitstek leent voor de opbouw van een hoogwaardige isolatieversterker. Waar het daarbij op aan komt en waar de grenzen van deze speciale komponent liggen, wordt in deze applikator nader onder de loep genomen.
De galvanisch gescheiden overdracht van analoge signalen is een zaak die met name in de meettechniek heel vaak voorkomt. Bij metingen aan het lichtnet bijvoorbeeld, of wanneer men bij de signaaloverdracht gevaarlijke stoorpieken buiten de deur wil houden, maar ook wanneer men te maken heeft met meetsignalen waarvan de parameters deels onbekend zijn. Ook komt het vaak voor dat om veiligheidstechnische redenen de massa-aansluitingen niet mogen worden door-gekoppeld. Voor al dit soort problemen zijn verschillende oplossingen bedacht. Maar een ding hebben die oplossingen gemeen: ze dragen allemaal de benaming isolatie- of scheidingsversterker. Een dergelijke versterker zou kunnen worden omschreven als een operationele versterker die in galvanisch opzicht een isolerende eigenschap bezit. Isolatieversterkers verzorgen de overdracht van analoge informatie (stroom, spanning) tussen twee punten, zonder deze punten galvanisch met elkaar te verbinden. Hierdoor wordt onderlinge beïnvloeding van de aldus gekoppelde eenheden vermeden. Isolatieversterkers voorkomen massalussen, onderdrukken comnion-mode-signalen, zorgen voor scheiding tussen de potentialen en verminderen bovendien de invloed van kapacitieve en induktieve storing.
Qua werking kunnen zij worden onderscheiden in drie belangrijke kategorieen, namelijk het kapacitieve, het transformator- en het optische principe. Andere technieken die bijvoorbeeld gebruik maken van akoestische, piezoelektrische, thermische of mechanische koppeling, worden alleen in zeer speciale gevallen toegepast.
Het kapacitieve principe
De eigenlijke signaalverbinding wordt hierbij door twee kleine kondensatoren tot stand gebracht. Via deze kondensatoren worden in tegenfase impulsen overgedragen die de informatie bevatten. Het basisprincipe maakt gebruik van een modulatie/demodulatie-kombinatie, waarbij de modulator via een referentie-demodulator een regellus vormt. Deze maatregel kompenseert de lineariteitsfouten van de modulator (figuur 1).
Figuur 1. Isolatieversterker volgens het kapacitieve principe.
Scheidingsversterkers volgens het kapacitieve principe zijn vrij goedkoop te produceren, aangezien de kondensatoren samen met de halfgeleider-chips in een gemodificeerde keramische DIL-behuizing geintegreerd kunnen worden. De versterkers uit deze kategorie zijn breedbandig (ca. 60..200 kHz), gelijkspanningsstabiel en bezitten een uitstekende lineariteit. Het uitgangssignaal vertoont een trapvormig verloop, hetgeen op rekening komt van de aanwezige sample&hold-trap.
Het transformator-principe
Bij het oudste overdrachtsprincipe wordt het gelijkspanningssignaal in mootjes gehakt, vervolgens via amplitudemodulatie overgedragen en daarna gelijkgericht. De moderne systemen volgens dit principe werken eveneens met een vorm van terugkoppeling van het uitgangssignaal, teneinde een grotere lineariteit te bewerkstelligen (figuur 2).
Figuur 2. Isolatieversterker volgens het transformator-principe.
Met dit principe valt een goede sturingsonderdrukking te bereiken. De bandbreedte is echter niet indrukwekkend. De komponenten zijn betrekkelijk duur en zijn niet gemakkelijk in een gewone IC-behuizing te integreren.
Het optische principe
Het is op het ogenblik geen bijzonder wapenfeit meer om analoge spanningen of stromen in kor-responderende lichtintensiteiten om te zetten. Elke willekeurige opto-coupler werkt namelijk volgens dit principe. Indien een nauwkeurige en lineaire signaaloverdracht gewenst is, zijn echter wel een paar schakeltrucs nodig. In figuur 3 zien we dat de komplete lichtontvanger in het stuurgedeelte nog een keer terugkomt en aldaar verantwoordelijk is voor de nominale waarde van de lichtintensiteits-regellus. Deze maatregel kompenseert veroudering en niet-lineariteit van de lichtbron. Van essentieel belang hierbij is wel dat beide lichtontvangers onder identieke kondities werken en dezelfde hoeveelheid licht opvangen.
Figuur 3. Hier is de scheiding langs optische weg gerealiseerd.
Het optische principe maakt een kontinue overdracht van analoge signalen mogelijk en bezit een lage storingsgevoeligheid. De snelheid is hoog (tot 10 MHz) en het systeem produceert zelf geen storingen, aangezien er geen modulatie en demodulatie bij te pas komt.
Andere systemen
Vaak wordt ook gebruik gemaakt van een spanning-naar-frekwentie-omzetter met daarachter een scheidingsgedeelte volgens -het optische, kapacitieve of transformator-principe (figuur 4). Beperkte bandbreedte gekombineerd met een hoge lineariteit vormen dan de eigenschappen. Met name in de optische uitvoering zijn nagenoeg onbegrensde isolatiespanningen bereikbaar.
Figuur 4. Spanning-naar-frekwentie-omzetter met kapacitieve scheiding.
Een ander idee vormen analoog/digitaal-omzetters met een seriële uitgang en optische signaaloverdracht. Tot de karakteristieke eigenschappen hiervan behoren een zeer hoge lineariteit van 16 of meer bits, maar helaas ook een beperkte bandbreedte alsmede een beduidende signaalvertraging die in bijvoorbeeld regelcircuits een groot nadeel kan zijn.
Bovengenoemde komponenten zijn alle in geintegreerde vorm in de handel verkrijgbaar. Voor speciale toepassingen kan het zo nu en dan aan te bevelen zijn om een isolatieversterker diskreet op te bouwen, zodat men hem voor bepaalde kriteria kan optimaliseren. Hierbij stuit men echter op een gebrek aan geschikte koppelelementen.
Goed verkrijgbaar en derhalve vaak gebruikt worden opto-elektronische komponenten, welke echter een grote spreiding vertonen en bovendien behept zijn met andere nadelen: verouderingsgevoeligheid en temperatuurafhankelijkheid van de lichtbron, niet-lineariteiten van de zend- en ontvangdioden alsmede de polariteit van de komponenten vormen de belangrijkste praktische bezwaren.
Zo bezitten de meeste opto-couplers slechts een zeer beperkt lineair bereik, hetgeen de toepassing ervan vaak in de weg staat. Bij verlaging van de uitsturing neemt de lineariteit weliswaar toe, maar dan daalt de signaal/ruisafstand weer tot problematische waarden. Een mogelijkheid om de lineariteit te verbeteren vormt het toevoegen van Terugkoppeling door middel van een tweede optocoupler. Op zich is dit een prima systeem, maar de toepassing ervan wordt bemoeilijkt door de noodzakelijke paring van de optocouplers. Ook na de meest zorgvuldige afregelprocedures blijven de parameters onder invloed van temperatuurvariaties meestal sterk uiteenlopen. Van een effektieve terugkoppeling is dan geen sprake meer en er kan zelfs oscillatie optreden.
Dubbel-opto-couplers zouden door hun thermische koppeling hierin verbetering moeten kunnen brengen, maar helaas bevinden zich bij die dingen zender en ontvanger aan dezelfde kant van de scheidingsgrens. Die "dubbelaars" vormen dus ook niet de oplossing.
De IL300 van Siemens is een optocoupler die speciaal voor de analoge signaal-overdracht werd ontwikkeld. Deze bestaat uit een kombinatie van een 18-LED en twee FIN-fotodioden (figuur 5). De terugkoppel-diode vangt een deel van het door de LED uitgestraalde Licht op. Hieruit kan een kontrolesignaal worden afgeleid, waarmee de niet-lineariteit en de tijd- en temperatuurgevoeligheid van de LED grotendeels gekompenseerd kunnen worden. Doordat beide dioden nauw met elkaar gekoppeld zijn, is er geen sprake van verschillen in parameters. De terugkoppeling blijft dus stabiel en het uitgangssignaal vormt een getrouwe afspiegeling van het ingangssignaal.
Figuur 5. De IL300 is ondergebracht in een 8-pens DIL-behuizing.
De belangrijkste eigenschappen van de IL300 zijn:
| niet-lineariteit | ≤ 0.01% (met tegenkoppeling) |
| bandbreedte | ≥ 200 kHz |
| temperatuurstablliteit | ±0.005%/°C |
| geringe koppelkapacitelt | |
| gering opgenomen vermogen | < 15 mW |
| isolatiespanning | 7500 Vtt 1 min. |
| isolatiebarrière intern | > 0,4 mm |
De fotodioden kunnen als spanningsbronnen (fotovoltaisch) of als weerstanden (fotogeleidend) worden geschakeld. Eerstgenoemde manier biedt de hoogste lineariteit, de geringste ruilbijdrage en de minste drift. De overdrachtseigenschappen voldoen ruimschoots aan de eisen van 12-bit omzetters. De tweede manier levert de grootste bandbreedte, maar lineariteit en drift liggen dan op het nivo van 8-bit omzetters. De belangrijkste parameters van de IL300 zijn de stroomoverdrachtsfaktoren tussen de LED en de referentiediode (K1, typ. 0,007) respektievelijk de ontvangdiode (K2, typ. 0,007) en de stroomverhouding tussen de dioden onderling (K3, typ. 1,0). De beduidend hogere overdrachtsfaktoren van "normale" opto-couplers (50.. .. 150%) worden bereikt door de inzet van fototransistoren aan de ontvangerkant. Deze zijn echter trager dan de hier gebruikte fotodioden.
Figuur 6. Isolatieversterker voor unipolaire signalen in fotovoltaïsche konfiguratie.
De hieronder beknopt beschreven applikatieschakelingen illustreren de veelzijdigheid van de IL300. Figuur 6 toont de basisschakeling van een isolatieversterker met het IC op fotovoltaïsche wijze toegepast. Voor de dimensionering geven we even een voorbeeld. We gaan daarbij uit van de volgende waarden:
- maximum stroom van de OP-07: Iout = +15 mA
- gegevens IL300: K1 = 0,007; K2 = 0,007; K3 = 1,0
- ingangsspanning: Uin = 0...1,0V
Allereerst wordt de maximale stroom door de terugkoppeldiode bepaald.
Ip1 = K1 × Ioutmax
Ip1 = 0,007 × 15 mA = 105 µA
Ingangsweerstand R1 valt te berekenen uit de maximale fotostroom Ip1 en de maximale ingangsspanning Uinmax.
R1 = Uimnax / Ip1max
R1 = 1,0V / 105 µA = 9,524 kΩ ≈ 10 kΩ
R2 is afhankelijk van de gewenste totale versterking G en de overdrachtsverhouding K3 van de IL300. Met G = 1 en K3 = 1 komt men uit op:
R2 = (R1 × G) / K3
R2 = (10 kΩ × 1,0) / 1,0 = 10 kΩ.
De bandbreedte van deze schakeling (voor kleine signalen) bedraagt overigens 45 kHz.
Figuur 7 toont een versie voor bipolaire ingangssignalen. De nage-schakelde transistor ontlast de eindtrap van de OF'-07 en verbetert daardoor hel driftgedrag. De stroombronnen leggen het nulpunt van de IL300 vast en maken zo een bipolair gebruik mogelijk. Stelt men minder strenge eisen, dan kunnen de stroombronnen door weerstanden worden vervangen.
Figuur 7. Dezelfde versterker als in figuur 6, maar nu voor bipolaire signalen.
Figuur 8 laat een uitgewerkt schema zien van een instrumentatie-versterker met een symmetrische ingang en een oplossend vermogen van 12 bits. De common-mode-onderdrukking wordt bepaald door de 11,300 en de verschil-versterker aan de uitgang. Doordat de uitgangstrap als verschil-versterker is uitgevoerd, is geen stroombron meer nodig. Deze schakeling bezit een bandbreedte van 50 kHz en een extreem hoge common-mode-onderdrukking van 140d8 bij 10 kHz.
Figuur 8. Nog een versterker voor bipolaire signalen, nu echter niet differentiële ingangen.
De figuren 9 en 10 tonen de IL300 in een fotogeleidende konfiguratie. De schakeling van figuur 10 heeft een bandbreedte van tenminste 100 kHz.
Figuur 9. Isolatieversterker voor unipolaire signalen in foto-geleidende konfiguratie.
Figuur 10. Een isolatieversterker voor wisselspanningen, volgens het fotogeleidende principe.
Ook met diskrete komponenten valt een isolatieversterker op te bouwen. Figuur 11 laat een van de eenvoudigste voorbeelden zien, zoals die onder andere toepassing vindt in de terugkoppeling van de momentele waarde voor de regeltrap in een D/A-omzetter. De veroudering van de LED wordt hier gekompenseerd. Figuur 12 geeft een idee van de (grote) bandbreedte van deze schakeling. Aangezien de overdracht van de momentele waarde zeer exakt en betrouwbaar geschiedt, mag de regelschakeling zich aan dezelfde kant bevinden als de omzetter.
Figuur 11. Het hoeft niet altijd ingewikkeld te zijn: met slechts twee transistoren en een IL300 is een galvanische scheiding van analoge signalen mogelijk.
Figuur 12. Frekwentie- en faseverloop van de schakeling uit figuur 11.
Tot slot nog een heel belangrijke opmerking. De voedingsspanning voor het ingangsgedeelte van de isolatieversterker dient natuurlijk galvanisch gescheiden te zijn van de rest. De eisen zijn hierbij gelijk aan die voor de signaaloverdracht. Normaliter worden hiervoor al dan niet zelfgemaakte DC/DC-omzetters toegepast. Ook via de daarin aanwezige transformatoren kunnen vaak nog storingen worden doorgegeven. Een provisorische batterijvoeding brengt echter snel aan het licht of de problemen nu in de versterker of de voeding zitten. Zo voorkomt men langdurig foutzoeken op de verkeerde plaats!
Literatuur
- Siemens datablad (L300 Burr-Brown databoek isolatieversterkers
| Symbol | Min. | Max. | Unit | |
|---|---|---|---|---|
| Emitter | ||||
| Power Dissipation (TA = 25°C) | PLED | 160 | mW | |
| Derate Linearly from 25°C | 2, 13 | mW/°C | ||
| Forward Current | If | 60 | mA | |
| Surge Current (Pulse width < 10µs) | Ipk | 250 | mA | |
| Reverse Voltage | VR | 5 | V | |
| Thermal Resistance | Rth | 470 | °C/W | |
| Junction Temperature | TJ | 100 | °C | |
| Detector | ||||
| Power Dissipation | PDET | 50 | mW | |
| Derate linearly from 25°C | 0,65 | mW/°C | ||
| Reverse Voltage | VR | 50 | V | |
| Junction Temperature | Tj | 100 | °C | |
| Thermal Resistance | Rth | 1500 | °C/W | |
| Coupler | ||||
| Total Package Dissipation at 25°C | PT | 210 | mW | |
| Derate linearly from 25°C | 2,8 | mW/°C | ||
| Storage Temperature is | TS | - 55 | 150 | °C |
| Operating Temp | Top | - 55 | 100 | °C |
| Withstand Test Voltage 1 min., 60 Hz | WTV | 4420 | VACRMS | |
| Withstand Test Voltage 1 min. | WTV | 6250 | VACPeak | |
| Withstand Test Voltage 1 sec., 60 Hz | WTV | 5300 | VACRMS | |
| Withstand Test Voltage 1 sec. | WTV | 7500 | VACPeak | |
| Working Voltage | WV | 1700 | VAC | |
| Lead Soldering Time at 260°C | 10 | sec. | ||
| Symbol | Min. | Typ. | Max. | Unit | Test Condition | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LED Emitter | ||||||
| Forward Voltage | VF | 1.25 | 1,50 | V | IF= 10 mA | |
| Vr Temp. Coefficient | ΔVF/Δ°C | -2,2 | mV/ °C | |||
| Reverse Current | IR | 1 | 10 | µA | VR = 5 V | |
| Junction Capacitance | CJ | 15 | pF | VF= 0 V f = 1 MHz | ||
| Dynamic Resistance | ΔVF/ΔIF | 6 | Ω | IF = 10 mA | ||
| Switching Time | tR | 1 | µs | ΔIF = 2 mA, IFq = 10 mA | ||
| tR | 1 | µs | ΔIF = 2mA, IFq = 10mA | |||
| Detector | ||||||
| Dark Current | ID | 1 | 25 | mA | Vdet = -15 V, IF = 0 µA | |
| Open Circuit Voltage | VD | 500 | mV | IF = 10 mA | ||
| Short Circuit Current | ISC | 70 | µA | IF = 10 mA | ||
| Junction Capacitance | CJ | 12 | pF | VF = 0 V, f = 1 MHz | ||
| Noise Equivalent Power | HEP | 4x 10-14 | W/√Hz | Vdet = - 15 V | ||
| Coupled Characteristics | ||||||
| K1, Servo Current Gain (Ip1/IF) | K1 | 0,0050 | 0,007 | 0,011 | IF = 10 mA, Vdet = - 15 V | |
| Servo Current | Ip1 | 70 | µA | IF = 10 mA, Vdet = - 15 V | ||
| K1 Temperature Coefficient | ΔK1/ΔT | -0,5 | %/°C | IF = 10 mA, Vdet = - 15 V | ||
| K2 Forward Current Gain (IP2/1F) | K2 | 0.0036 | 0,007 | 0.011 | IF = 10 mA, Vdet = - 15 V | |
| Forward Current | IP2 | 70 | µA | IF = 10 mA, Vdet = - 15 V | ||
| K2 Temperature Coefficient | ΔK2/ΔT | -0,5 | %/°C | IF = 10 mA, Vdet = - 15 V | ||
| K3, Transfer Gain (K2/K1) | K3 | 0,56 | 1,00 | 1,65 | K2/K1 | IF = 10 mA, Vdet = - 15 V |
| Transfer Gain Linearity | ΔK3 | ±0,25 | % | IF = 1 to 10 mA | ||
| Transfer Gain Linearity | ΔK3 | ±0,5 | % | IF = 1 to 10 mA, TA = 0°C to 75°C | ||
| K3 Temperature Coefficient | ΔK3/ΔT | ±0,005 | %/°C | IF = 10 mA, Vdet = -15 V | ||
| Photoconductive Operation | ||||||
| Frequency Response | BW(-3 db) | 200 | kHz | IFq = 10 mA, MOD = ±4 mA, RL =50 Ω | ||
| Phase Response at 200 kHz | -45 | Deg | Vdet= - 15 V | |||
| Rise Time | tr | 1,75 | µs | |||
| Fall Time | tF | 1,75 | µs | |||
| Insulation-Isolation | ||||||
| Input-Output Capacitance | CIO | 1 | pF | VF = 0 V, f = 1 MHz | ||
| Common Mode Capacitance | Ccm | 0,5 | pF | VF = 0 V, f = 1 MHz | ||
| Common Mode Rejection Ratio | CMRR | 130 | dB | f = 60 Hz, RL = 2,2 kΩ | ||
| Insulation Resistance | RIO | 100 | GΩ | VIO = 500VDC | ||
| Withstand test Voltage | WTV | 4420 | VACRMS | Rel. Humidlty ≤50%, IIO ≤ 10µA, 1 min. | ||
| WTV | 6250 | VACPEAK | Rel. Humidlty ≤50%, IIO ≤ 10µA, 1 min. | |||
| WTV | 5300 | VACRMS | Rel. Humidlty ≤50%, IIO ≤ 10µA, 1 sec. | |||
| WTV | 7500 | VACPEAK | Rel. Humidlty ≤50%, IIO ≤ 10µA, 1 sec. | |||