Izolaèní zesilovaèe s IL300 Zapojení izolaèních zesilovaèù s IL300 se liší pøedevším režimem v nichž pracují interní fotodiody Podle toho zda interní

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

12.3

Izolaèní zesilovaèe s IL300

Zapojení izolaèních zesilovaèù s IL300 se liší pøedevším režimem v nichž pracují interní fotodiody. Podle toho, zda interní PIN køemíkové fotodiody optoèlenu pracují v hradlovém (fotovoltaickém) režimu, kdy ozáøeny jsou zdrojem elektrického napìtí nebo v režimu odporovém (fotovodivostním), kdy závìrnì polarizovaná dioda mìní ozáøením svou vodivost (odpor), setkáme se s rùznými zapojeními oddìlovacích zesilovaèù. V tomto smyslu mùžeme øíci, že typické aplikaèní zapojení uvedené na obr. 12.2.3 využívá fotovodivostního principu. Dále rozebereme funkci zesilovaèù obou druhù. Fotovoltaické izolaèní zesilovaèe Tento typ izolaèního zesilovaèe má výbornou linearitu, nízký drift a v pøípadì èíslicového zpracování pøenášeného signálu lze pøi A/D pøevodu poèítat i s rozlišením pøes 12 bitù. Typické zapojení unipolárního neinvertujícího zesilovaèe pro vstupní signál s kladnou polaritou je na obr. 12.3.1. 8&&  5



2= 23

8,1 N

,2 ,/

N

 ,) ,3









.

.

 

 ,3 ,3

*1'

Obr. 12.3.1

5







*1'

N 2= 23

8287 

Zapojení unipolárního fotovoltaického izolaèního zesilovaèe pro kladné vstupní napìtí

Vstupní operaèní zesilovaè OZ1 zajistí, že proud zpìtnovazební fotodiody je pøímo úmìrný vstupnímu napìtí, tedy IP1 = UIN/R1 a pro proud IF interní fotodiodou tekoucí do výstupu OZ1 platí IF = IP1/K1. Proud výstupní fotodiody IP2 = IF . K2 je pomocí OZ2 pøeveden na napìtí tak, že platí UOUT = R2 . IP2. Pøi kladném vstupním napìtí platí pro pøenos G izolaèního zesilovaèe zapojeného podle obr. 12.3.1, obdobnì jako pro typické zapojení na obr. 12.2.3, vztah: *=

8287 .  5  5 = ¢ = .    8,1 . 5 5

(12.3.1)

S využitím uvedených vztahù, hodnot parametrù použitých souèástek a na základì požadovaných vlastností, lze odpory rezistorù R1 ¸ R3 vypoèítat v nìkolika krocích,

A

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

4

43

jak ukážeme na pøíkladu pro vstupní napìtí 0 £ UIN £ 1 V. Operaèní zesilovaè OP07 použitý na vstupu (i výstupu) obvodu na obr. 12.3.1 má maximální výstupní proud IO MAX = ±15 mA. Typické hodnoty konstant IL300 jsou K1 = K2 = 0,007 a K3 = 1. Z hodnoty proudu IO MAX, tedy i maximálního proudu IF tekoucího svítivou diodou IL300 vypoèteme proud zpìtnovazební fotodiodou IP1 = K1 . IOUT MAX = 0,007 . 15 mA = = 105 µA. Nyní již mùžeme vypoèítat odpor rezistoru R1 = UIN/IP1 = 1 V/105 µA = 9,524 kW, který zaokrouhlíme na 10 kW. Nakonec urèíme z rov. 12.3.1 ještì odpor rezistoru R2 ve zpìtné vazbì výstupního OZ2. Napø. pro požadovaný pøenos izolaèního zesilovaèe G = 1 platí R2 = R1 . G/K3 = R1 = 10 kW. Šíøka pásma (–3 dB) takto zapojeného zesilovaèe je asi 45 kHz. Pokud chceme vytvoøit neinvertující zesilovaè pro záporné vstupní napìtí je tøeba zapojení modifikovat podle obr. 12.3.2. Zpìtnovazební i výstupní fotodioda jsou zapojeny proti obr. 12.3.1 obrácenì a svítivá dioda v IL300 je napájena proudem tekoucím z výstupu OZ1. Pøivedením kladného vstupního napìtí obvod nepracuje, ale nepoškodí se. Kombinací obvodù na obr. 12.3.1 a obr. 12.3.2 do obvodu zapojeného podle obr. 12.3.3 lze s dvìma optoèleny IL300 získat bipolární izolaèní zesilovaè, který pøenese signál, který nabývá obou polarit. Svítivé diody, zpìtnovazební a výstupní fotodiody v optoèlenech jsou zapojeny antiparalelnì a tak zatímco IL300a zajišuje pøenos kladného vstupního signálu, optoèlen IL300b je aktivní pøi záporném vstupním signálu. Linearita tohoto obvodu je velmi dobrá, pro zajištìní stejného pøenosu obou polarit je tøeba vybrat optoèleny se stejným pøenosem K3. Nevýhodou je zkreslení až 5 % vznikající pøi prùchodu signálu úrovní vstupní zemì a malá šíøka pásma, asi 1 kHz. ,2 ,/

N  5



2= 23

8,1± N



,)

*1'

 

.

.

 

,3

 

5

 ,3

,3

N 2=







23



8287 ±

*1'

Obr. 12.3.2

Unipolární fotovoltaický izolaèní zesilovaè pro záporný vstupní signál

Bipolárnì pracující zesilovaè lepších vlastností, s ponìkud složitìjším zapojením, které ale vystaèí s jediným IL300, lze vytvoøit tak, že vstupní a výstupní operaèní zesilovaè je doplnìn o zdroje konstantního proudu spojené s jejich invertujícími vstupy a patøiènì posunující klidovou vstupní a výstupní úroveò. Možné praktické zapojení, vèetnì øešení zdrojù proudu 100 µA vytvoøených pomocí operaèního zesilovaèe a referenèního zdroje napìtí 1,2 V napájeného konstantním proudem z polem øízeného tranzistoru, je na obr. 12.3.4. Pøenos G = K3 . R2/R1 má v tomto pøípadì hodnotu 1. Rozsah vstupního napìtí je ±1 V. Rovnìž tento izolaèní zesilovaè má výbornou

44

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

4

A

linearitu a stabilitu a lze jej užít v systémech, v nichž následné èíslicové zpracování signálu probíhá s rozlišením až na 12 bitù. 2=

*1'

N

5 8,1



,/D



N

.D

.D



5



N 2=





,3D



,3D

,/E



.E

.E



8287



  



,3E

*1'

Obr. 12.3.3



,3E



*1'

Fotovoltaický izolaèní zesilovaè IL300 pro bipolární vstupní signál 8&&

 2= *1'  23 5  8,1 N S

M

1 N —$

m$  

2= 23

,/

5









 

.

,3

.

,3



N S









—$

/0 9 7



Q 1

A



8287

*1'

23

2= 

,2 /0 9

7

±8&&

Obr. 12.3.4

23

N



,2

2=

Q 1 ±8&&

Zapojení fotovoltaického izolaèního zesilovaèe, který pomocí pøedpìtí pøenese bipolární signál JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

4

45

Fotovodivostní izolaèní zesilovaèe U izolaèních zesilovaèù v nichž závìrnì polarizovaná interní fotodioda lineárního optoèlenu pracuje v odporovém režimu lze dosáhnout výraznì vìtší šíøky pásma. Následkem horší linearity a driftu má však v pøípadì èíslicového zpracování signálu význam použití jen zhruba 8 až 9bitového A/D pøevodníku.

 8,1





,/

8&& 2=

23







,)



8&&

 

5

,3



. ,3

. ,3

 

8&&  



,3

23

 8287

5 

*1'

Obr. 12.3.5

 8&& 2=

*1'

Unipolární izolaèní zesilovaè IL300 využívající odporový režim fotodiod optoèlenu

Na obr. 12.3.5 je zapojení zesilovaèe na tomto principu urèeného pro kladný vstupní signál, které odpovídá typickému aplikaènímu obvodu na obr. 12.2.3. Pøenos tohoto zesilovaèe má tedy známý tvar G = UOUT/UIN = K3 . (R2/R1). Odpor rezistoru R1 volíme podle rozpìtí vstupního signálu a maximálního výstupního proudu IOMAX, kterým lze zatížit OZ1 a který tedy bude i maximálním proudem LED diody IFMAX. Odpor R1 tedy urèíme ze vztahu:

5 =

8,1 0$; .  ,2 0$;



(12.3.2)

Na výstupu izolaèního zesilovaèe je použit napìový sledovaè a jeho výstupní napìtí je tedy shodné s úbytkem napìtí generovaným na rezistoru R2 proudem výstupní fotodiody optoèlenu. Podle požadované hodnoty pøenosu G, známé hodnoty konstanty K3 pro IL300 a v této fázi již rovnìž známého odporu R1, vypoèítáme odpor R2 z rovnice: 5 =

5  *  .

(12.3.3)

Pokud odpor R1 pøesahuje 10 kW, mùže dojít k nestabilitì, které lze zabránit kmitoètovou kompenzací pomocí kondenzátoru s malou kapacitou, napø. 22 pF, zapojeného mezi výstup a invertující vstup OZ1. Pøi použití klasického operaèního zesilovaèe typu 741 na místì OZ1 a OZ2 lze poèítat se šíøkou pásma 100 kHz i vyšší. Na obr. 12.3.6 je zapojení, které dovolí zpracování bipolárního signálu. To je umožnìno zavedením pøedpìtí do smyèky elektrooptické zpìtné vazby ve vstupní èásti zesilovaèe ze zdroje napìtí –UREF1 pøes rezistor R3. Operaèní zesilovaè OZ1 budí

46

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

4

A

svítivou diodou na vstupu optoèlenu takovým proudem, aby následkem ozáøení zpìtnovazební diody tekl do rezistoru R3 takový proud, aby napìtí mezi vstupy OZ1 bylo nulové. Napø. pøi UIN = 0 musí tedy vzniknout na R3 úbytek velikostí shodný s –UREF1. Výstupní OZ2 v uvedeném invertujícím zapojení pøevádí proud výstupní fotodiody IP2 na napìtí dle vztahu UOUT = UREF2 – R4 . IP2.

5 8,1



5





8&& 2=

23 

±8&& 

S ±8&&

M 8&&

,/   



.



5

,3

.

,3

 

8UHI 8&& 





23 

±8UHI

Obr. 12.3.6

 8&& 2=

 8287

±8&& 5

Bipolární izolaèní zesilovaè s fotodiodami v odporovém režimu

Podobnì jako v pøípadì unipolárního zesilovaèe je prvním krokem návrhu nalezení odporu R3. Ten je urèen velikostí vstupního signálu, referenèního napìtí UREF1 a maximálním výstupním proudem OZ1 IO MAX = IF MAX. Velikost tohoto odporu má rovnìž vliv na šíøku pásma a stabilitu. Odpor R3 se volí tak, aby platilo:

± » 5  5  = ªª  8,1 0$; + 85() ²²   Õ ,) 0$;  .  ½ 5 + 5 

(12.3.4)

Pokud se volí napìtí UREF2 tak, aby platilo: 85() =

.   5  85() 5

(12.3.5)

je pøenos G zesilovaèe na obr. 12.3.6:

*=

8287 .  .  .  =-  8,1 5   5 + 5 

(12.3.6)

Jednu z možností, jak takový izolaèní zesilovaè realizovat pro rozsah vstupního napìtí ±1 V, pøedstavuje zapojení na obr. 12.3.7, kde jsou jako zdroje referenèních napìtí použity bìžné køemíkové diody. Pak lze pøedpokládat že UREF1 » 0,6 V a volímeli IF MAX = 5 mA, získáme z rov. 12.3.4 odpor R3 » 30 kW. Pokud požadujeme jednotkový pøenos, vychází z rov. 12.3.6 pøi volbì R1 = R2 = 30 kW a pøi uvažování K3 = 1 odpor R4 = 60 kW. Protože z rov. 12.3.5 plyne, že UREF2 = 2 . UREF1, jsou jako zdroj UREF2 použity dvì stejné køemíkové diody zapojené do série. Tento jednoduchý zesilovaè je podle Lit. 12.3.3 dostateènì stabilní, ponìkud horší je to s vlivem teploty.

A

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

4

47

N

8&&

N 8,1



N





2=

S ±8&&

N

1

±8&& 

 

±8&& N

8&&

M 8&&

,/    

î1

—



.

,3

.

,3

 

8&& 





8&& 2= 

 

 8287

±8&& N

—

S

Obr. 12.3.7

Bipolární izolaèní zesilovaè s jednotkovým pøenosem pro vstupní napìtí ±1 V využívající odporový režim fotodiod optoèlenu

Zdroj informací: Lit. 12.3.1 Linear Optocoupler IL300. Katalogový list Infineon Technologies Corp, (www.infineon.com/opto). Lit. 12.3.2 Applications of Optocouplers. Appnote 2. Infineon Technologies Corp. Lit. 12.3.3 B. Krause: Designing Linear Amplifiers Using the IL300 Optocoupler. Aplikaèní poznámka 50. Infineon Technologies Corp. (www.infineon.com/opto)

48

JAN HUMLHANS: ZAJÍMAVÁ

ZAPOJENÍ

4

A