Trennverstärker richtig eingesetzt

Faustregeln für den Designprozess bei der analogen Signaltrennung

30. Oktober 2009, 9:31 Uhr | Von Hong Lei Chen

Die analoge Signaltrennung in elektrischen und elektronischen Schaltungen wird ständig gebraucht. Analoge Signale transportieren Informationen, die Spannung, Strom, Temperatur, Druck, Position oder Fluss in der Physik entsprechen. Diese Signale müssen oft von einer Schaltung in eine andere transferiert werden, wobei große Potenzialunterschiede oder induziertes elektrisches Rauschen zwischen den Massen dieser Module vorkommen können. Solche Schaltungsprobleme können die Datengenauigkeit ruinieren, Messsysteme zerstören und die Anwender gefährden.

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Bild 1: Einsatz eines Trennverstärkers in einer analogen Signaltrennungsschaltung

Ein beliebtes, weil einfach und preisgünstig, Mittel, um Signaltrennungsprobleme zu beheben, sind Trennverstärker (ISO-Amps). Sie reproduzieren das Eingangssignal über eine galvanische Isolationsbarriere exakt und verwenden eine Kombination von Sigma-Delta-A/D-Wandlern und optischen Kopplungstechniken. Das Design mit diesen ISO-Amps – die es in Miniaturgehäusen für die automatische Bestückung gibt – ist so einfach wie der Anschluss eines Signals an den Eingang und der Abgriff hinter der Isolation am Ausgang (Bild 1).

Spannungsquellen

Einige Beispiele von Applikationen, in denen Trennverstärker arbeiten, sind Schnittstellen für A/D-Wandler, Messschaltungen wie Thermoelemente und Wandler, Patientenmonitore, Motorengeschwindigkeitsund Positionsmessschaltungen, Audio- und Videoverstärker, aber auch Spannungsrückkopplungsschleifen in Netzgeräten.

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Bild 2: Trennverstärker als Stromsensor in Motorsteuerungen

Bild 2 zeigt eine typische Anwendung, in der ein Trennverstärker als Stromsensor in einem Motorsteuerungssystem dient. Aufbauend auf diesem Beispiel folgen nun einige Tipps und Tricks, die eine einfache Implementierung bei der analogen Signaltrennung mit Trennverstärkern erleichtern sollen.

Die Verbindung der Eingänge

Für eine bessere Gleichtaktstörungsunterdrückung Eingangssignal im differenziellen Modus anschließen:

In Bild 2 ist der Eingangsmodus des ACPL-C78X unsymmetrisch. Nutzt man die symmetrische Eingangsstruktur des Trennverstärkers, bietet sich eine differenzielle Eingangsverbindungsmethode an (der symmetrische Eingangsmodus ist in Bild 3 zu sehen), um eine bessere Leistung zu erzielen.

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Bild 3: Vereinfachtes symmetrisches Eingangsanschluss-Diagramm

Die Eingangsströme, die durch die Schaltfunktion auf beiden Anschlüssen erzeugt werden, sind symmetrisch auf die Filterwiderstände geführt und löschen sich gegenseitig aus. Jedes Rauschen, das auf einen der Anschlüsse induziert wird, wird auf den anderen Anschluss durch den Kondensator C übertragen und erzeugt so nur eine Gleichtaktstörung, die dann das Bauteil eliminiert. Typische Werte für RA und RB sind 22 Ω und 10 nF für C.

Latch-up-Effekt in stark rauschenden Applikationen berücksichtigen:

Das Latch-up-Risiko von CMOSBauteilen erfordert eine sorgfältige Betrachtung, besonders in Applikationen mit direkter Verbindung zu Signalquellen mit ständigem transienten Rauschen. Die analoge Eingangsstruktur des ACPL-C78X hat Avago so entwickelt, dass sie gegenüber Transienten und Spitzen unempfindlich ist.

Diese kommen oft in stark rauschenden Anwendungen wie Motorsteuerungen und Leistungsrichtern vor. Andere Situationen, in denen Transientenspannungen in den Eingängen generiert werden, sind Kurzschlüsse und Überlastzustände. Der ACPLC78Y wurde mit Gleichspannungen von -2 V bis 6 V sowie -6 V Transientenspannung für 2 s getestet. Dabei gab es weder einen Latchup-Effekt noch eine Zerstörung des Bauteils.

Gleichtaktspannung von VIN+ und VIN- mit Bezug auf GND1 überprüfen:

Die symmetrischen analogen Eingänge des Trennverstärkers wurden mit einem voll symmetrischen Schaltkondensator-Schaltkreis entwickelt. Bei Trennverstärkern und ADC mit symmetrischen Eingängen muss der Entwickler die Gleichtaktspannung am Eingang überprüfen, die meistens im Datenblatt steht. So spezifiziert etwa das Datenblatt des ACPL-C78X die Eingangsspannung (funktional) für VIN+ und VIN- mit Grenzwerten von ±2 V. Eine Überschreitung dieser Werte kann in einem verminderten Verstärkungsfaktor und reduzierter Systemleistung resultieren [1].


  1. Faustregeln für den Designprozess bei der analogen Signaltrennung
  2. Isolierung

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