Izolované měřicí systémy s nízkou spotřebou energie

Obvody ochrany proti zkratu (CSM –Current-Shunt-Monitor) jsou oporou průmyslových aplikací již celou řadu let. K dispozici jsou v provedení buď jako jednosměrný, nebo obousměrný monitor proudu a ve své aplikaci vždy poskytují vynikající výkon při použití jak na napájecím napětí, tak i v cestě společné země. Nicméně mnoho moderních aplikací vyžaduje mimo jiné také určitý stupeň izolace, který by chránil koncového uživatele před nebezpečným napětím.

Úroveň izolací, kterou daný obvod vyžaduje, je dána především typem koncového zařízení i místem, kde bude zařízení provozováno. Příkladem mohou být buď střídač pro solární systémy určený pro montáž na střeše, nebo naopak pohonná jednotka servomotoru u průmyslového robota. Rovněž je třeba zohlednit i umístění zařízení z globálního hlediska. Ve Spojených státech stanoví bezpečnostní normy pro koncová zařízení Underwriters Laboratory (UL). Pro Kanadu je to Canadian Standards Association (CSA) a Evropa má Mezinárodní Elektromechanickou komisi (IEC) a Asociaci pro elektrické, elektronické a informační technologie (zkráceně VDE).

Dnes v zásadě existují čtyři hlavní kategorie izolace elektronických obvodů. První z nich je funkční, která ovšem neposkytuje žádnou ochranu před úrazem elektrickým proudem. Jak již název napovídá, funkční izolace je k dispozici pouze pro zajištění řádného provozu elektronického obvodu nebo zařízení. Máme tak na mysli například způsob minimalizace vzdálenosti mezi deskou s plošnými spoji a proudového bočníku na vstupních svorkách monitorovaného zařízení.

Druhá úroveň izolace je jakýmsi základním typem. Základní izolace má za cíl nabídnout schopnost oddělení zařízení (například pomocí optočlenu nebo digitálního izolátoru) z důvodu ochrany před úrazem elektrickým proudem nebo má za úkol potlačení rozdílných potenciálů.

Třetí úrovní je doplňková nebo také dvojitá izolace. Jedná se o nezávislou izolační vrstvu, která se aplikuje současně se základní izolací a jejím cílem je zajistit ochranu před úrazem elektrickým proudem v případě, že základní izolace selže. V praxi si pod tím lze představit například přidání kousku smršťovací bužírky přes vstup kabeláže. Čtvrtou kategorií je pak zesílená izolace. Zesílená izolace je jediný izolační systém, který poskytuje srovnatelnou úroveň ochrany před úrazem elektrickým proudem rovnající se dvojité izolaci.

Typickým příkladem izolace může být obvod AMC1305 –precizní sigma- -delta převodník s výstupem odděleným od vstupního obvodu pomocí kapacitní izolační bariéry, která je velmi odolná proti magnetickému rušení. Tato bariéra je certifikována pro kategorii zesílené izolace až do úrovně 7 000 VPK, dle VDE V 0884-10, UL1577 a standardů CSA. Jak je vidět na obrázku 1, izolační bariéra tohoto obvodu je konstruována pomocí dvou sériových kondenzátorů, z nichž každý má ekvivalent základní izolační vrstvy přes oxid křemičitý (SiO2) tloušťky 13,5 μm (celkem 27 μm). Izolační pevnost je dimenzována na ±10 000 V a pracovní napětí je 1 500 VDC nebo 1 000 VRMS.

Na rozdíl od tradičních CSM obvodů s analogovým výstupem, poskytuje AMC1305 na svém výstupu digitální bitový proud. Diferenciální analogový vstup je kapacitním obvodem propojen se sigma-delta převodníkem druhého řádu, který vstupní signál digitalizuje a převádí do 1bitového datového toku. Izolovaný výstup převodníku (DOUT) poskytuje digitální bitový tok jedniček a nul, které jsou synchronní ke zdroji hodinového signálu, který je řízen externě na pinu CLKIN. Výstupní bitový stream může být veden přímo do modulu SD-24B s mikrokontrolérem (MCU) MSP430™nebo sigma-delta filtračního modulu (SDFM) typu C2000™Delfino™TMS320F2837x MCU.

Kromě požadované úrovně izolace si typ dané aplikace diktuje také způsob snímání jednotlivých proudů a napětí. V mnoha případech jsou aplikace navrženy do podoby vícefázového systému snímání. Jedním z nejběžnějších typů vícefázového systému je samozřejmě případ 3fázového obvodu. V takovém obvodu lze typicky měřit tři proudy a tři napětí, případně lze měřit i čtvrté napětí, a to především v případech, kdy je k dispozici neutrální nebo zemní spojení.

Napájecí zdroj snímacího zařízení vícefázového systému lze zjednodušit v případě, kdy se měří pouze nízké napětí s ohledem na společný referenční bod. Toho lze občas dosáhnout měřením proudu na straně nízkého napětí a měřením napětí pomocí odporového děliče. Nicméně řada systémů vyžaduje měření proudu a napětí, které mohou mít značně rozdílný potenciál vůči společné zemi. V takových případech je nutné použít izolované napájecí zdroje a celá konstrukce se stává složitější.

Dejme tomu, že máme k dispozici obvod uvedený na obrázku 2. V něm je k dispozici celkem sedm parametrů, které lze měřit: tři proudy, tři napětí typu fáze-fáze a jedno napětí mezi společným bodem a zemí. Pro zjednodušení jsou na obrázku zakresleny pouze tři proudové snímací rezistory (RS), odporové děliče pro měření napětí jsou ze schématu vynechány.

Podle toho, jaké jsou použity výkonové tranzistory (prvky označené 1 až 6), lze společným bodem bočníků označit buď místo v blízkosti vstupu DC-Link, nebo naopak v blízkosti potenciálu země.

Aby bylo pro měření možné použít izolované sigma-delta převodníky, je třeba aby každý ze sedmi měřicích obvodů disponoval vlastním izolovaným napájecím zdrojem s výstupem na high-side straně převodníků. Pojem „high-side“je často používán v odkaze na analogovou vstupní stranu galvanicky oddělené bariéry.

Jako příklad si uvedeme systém, který využívá napájecího napětí 48 VDC. Celkově efektivnější je řešení, kdy použijeme jeden společný snižující napájecí zdroj, který ze vstupních 48 VDC pomocí spínaného regulátoru produkuje napětí 3,3 VDC (obrázek 3). Na obrázku 4 je pak druhá část systému, která produkuje izolované napětí 5 VDC ze vstupních 3,3 VDC s použitím malého izolačního transformátoru a budicího obvodu.

Tabulka 1 srovnává dva možné scénáře. V jednom případě je k měření použito sedm obvodů AMC1305. Obrázky 3 a 4 přitom ukazují obvody, které splňují požadavky pro napájení sedmi obvodů AMC1305. Druhým scénářem je použití alternativních obvodů na pozici sigma- -delta převodníků a jiných obvodů pro výkonovou část převodu 48 V a 3,3 V.

Alternativní scénář aplikace ukazuje důsledky použití sedmi obvodů, které mají na své analogové vstupní straně (high-side) vyšší spotřebu energie.

TI rodina izolovaných delta-sigma převodníků zahrnuje obvody určené pro vstupní rozsah ±250 mV a obvody pro rozsah ±50 mV. Srovnání je jednoduché. Pokud v aplikaci měření proudu nahradíme obvody s vyšším vstupním rozsahem obvody nižšími, lze dosáhnout snížení ztrátového výkonu na snímacích rezistorech až o 80 %.

Použití nízkopříkonových izolovaných snímačů přináší efektivnější akviziční systémy (především z energetického hlediska), jakož i lepší výkon. Vyšší spotřeba energie má v systému sběru dat největší dopad na jeho celkovou výkonnost, chybu zisku i chybu offsetu. Izolovaný sigma-delta převodník s vyšší spotřebou je také nucen odvést podstatně větší parazitní teplo vznikající i při běžném provozu. Kromě toho musí být nutně vyšší i okolní teplota izolovaného sigma-delta převodníku, a to od obvodů napájecích zdrojů, které musí dodat více než 3násobek elektrické energie. Kombinace vyšších vnitřních a okolní teploty v systémech s vyšší spotřebou energie s sebou přináší více chyb a menší obstup signál-šum (SNR).

Nejlepší výkon ve své třídě přitom poskytují právě obvody AMC1305, které snižují teplo produkované systémem a nabízejí vyšší výkon v širším rozsahu provozních teplot. Také drift způsobený chybou zisku je až o 58 % nižší a o 74 % je nižší chyba offsetu ve srovnání s jejich nejbližšími konkurenty.

Závěr

Mnoho moderních aplikací dnes vyžaduje zajištění izolace. Konkrétní úroveň požadované izolace vychází z typu koncového zařízení i podmínek regulačního orgánu, který zařízení certifikuje.

Přestože spotřeba energie nebývá často brána jako klíčové kritérium návrhu a bývá opomíjena, výkon a účinnost izolovaných snímacích systémů může být výrazně zlepšena vhodným výběrem obvodů.

Dobrých výsledků a vysoké přesnosti měření lze dosáhnout použitím izolovaných převodníků s optimalizovanou specifikací vlastní spotřeby, jako je například zmíněná rodina AMC1305 produktů od americké společnosti Texas Instruments.