Skoro omówiliśmy już działanie przetworników opartych o modulator delta-sigma (ΔΣ) w tym artykule - https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2972626.html - przyjrzyjmy się potencjalnym aplikacjom tego układu.
W wielu aplikacjach, takich jak kontrola silników elektrycznych czy inwertery stosowane w systemach zasilania, konieczne jest prowadzenie pomiaru prądu lub napięcia poprzez barierę izolacji galwanicznej. Jakkolwiek izolowane systemy pomiarowe oparte o modulator delta-sigma dedykowane są do pomiaru prądu, można z ich pomocą realizować także pomiar napięcia.
Jeśli projektuje się tego typu system pomiarowy, konieczne jest zapamiętanie kilku kwestii podczas projektowania dzielnika oporowe. Na przykład, załóżmy, iż w naszej aplikacji konieczny jest pomiar napięcia wejściowego do inwertera. Napięcie wynosi 390 VAC, a modulator delta-sigma z jakiego chcemy korzystać ma liniowy zakres wyjściowy +/- 250 mV (przykładem tego typu układów mogą być AMC1304 lub AMC1305 firmy Texas Instruments).
Pierwsza próba stworzenia tego typu systemu wyglądać może, w uproszczeniu, tak jak pokazuje to schemat na rysunku pierwszym, poniżej:
Rysunek 1. Uproszczony schemat systemu pomiarowego
Dzielnik napięcia, składający się z oporników Ra i Rb, opisać można następującym równaniem:
(1)
Warto zwrócić uwagę, iż spadek napięcia na oporniku Rb powinien wynosić 0,25 V, tak aby efektywnie wykorzystać liniowy zakres pracy wykorzystywanego modulatora.
Załóżmy dalej, że jednym z kolejnych wymagań w projekcie jest to, aby ograniczyć rozpraszaną na opornikach Ra i Rb moc ograniczyć do, nie więcej niż 70 mW. Oznacza to, iż, zgodnie z równaniem pierwszym, Ra - 4,4 MΩ a Rb 2 kΩ, co przekłada się na spadek napięcia równy 250,59 mV na oporniku Rb. Ta wartość jest dostatecznie bliska założonej, że możliwe jest użycie oporników o rezystancji z typowego szeregu wartości.
Jeśli teraz dokonamy prostej symulacji działania układu z rysunku pierwszego, zaobserwować możemy, iż układ wykazuje offset napięciowy równy 58,4 mV. Dalej, widać iż zamiast 500 mVp-p sygnał ma zaledwie 457,3 mVp-p. Wiedząc iż w napięciu wejściowym nie ma składowej stałej, można stwierdzić, że jest to całkiem niespodziewane zachowanie układu.
Powód, dla którego powstaje taka różnica pomiędzy wyliczonymi a rzeczywistymi parametrami działania układu, staje się oczywisty, jeśli przeanalizuje się kartę katalogową modulatora dokładniej. Okazuje się, że układy te wymagają pewnego prądu polaryzacji, który trzeba uwzględnić podczas projektowania systemu, szczególnie przy wykorzystaniu z dużych oporników. Co więcej, prąd polaryzacji wejścia modulatora zależy od napięcia wejściowego, co powoduje kolejne komplikacje. Rysunek 54 w karcie katalogowej AMC1305 dostarcza więcej szczegółów.
W naszym układzie, pokazanym na rysunku pierwszym, wartość Rb jest niezaniedbywalną częścią impedancji wejściowej modulatora tych układów. Jeśli podążymy za rekomendacjami w kartach katalogowych tych układów, można delikatnie zmodyfikować dzielnik wejściowy, tak żeby funkcjonował tak jak powinien. Rysunek trzeci pokazuje jakie zmiany trzeba wprowadzić, są to głównie:
a) Ra podzielony zostaje na dwa oporniki R1 i R2, aby zapewnić sobie możliwość spełnienia wymagań co do projektu PCB i spełnienie wymagań co do spadku napięcia na opornikach.
b) Dodany został kolejny opornik (R3’), w celu wyeliminowania efektów zaobserwowanych dla projektu zasadniczego.
Rysunek 3. Zmodyfikowany projekt
Zasadniczo, dla układu z rysunku trzeciego, zależny od sygnału wejściowego prąd polaryzacji wejścia IIBN, gdy płynie przez R3', kompensuje offset, który zaobserwowany został dla pierwszego układu, jednakże kosztem niedopasowania rezystancji wejściowych terminali AINP i AINN modulatora.
Jak szerzej omówiono w kartach katalogowych układów AMC1304 i AMC1305, spodziewać się można pewnej różnicy napięcia na takim wejściu różnicowym i napięcia które wyznaczone jest teoretycznie na oporniku R3. Różnicę tą można opisać jako błąd wzmocnienia, co pokazuje równanie drugie, poniżej:
(2)
Rysunek czwarty pokazuje wyniki symulacji drugiego układu, pokazanego powyżej. Warto zwrócić iż wyniki otrzymane z zmodyfikowanego równania dzielnika (równanie 2) zgadzają sie z wynikami symulacji poniżej (patrz równanie 3).
(3)
W celu zbliżenia napięcia wejściowego do wyznaczonego zakresu +/- 250 mV, konieczne jest zwiększenie wartości R3 i R3' do, na przykład, 2,38 kΩ, co spowoduje iż napięcie to wyniesie 250,5 mV. Trzeba tutaj jednakże pamiętać iż w takiej sytuacji konieczna będzie kalibracja układu, gdyż tolerancje oporników R1, R2, R3 i R3' będą najpewniej większe niż wymagania co do dokładności układu w większości jego aplikacji. To czy wykorzystać wartości pokazane na rysunku trzecim czy te zmienione, zależy już od woli i wyboru projektanta systemu.
Źródło:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...lators-for-isolated-high-voltage-measurements
W wielu aplikacjach, takich jak kontrola silników elektrycznych czy inwertery stosowane w systemach zasilania, konieczne jest prowadzenie pomiaru prądu lub napięcia poprzez barierę izolacji galwanicznej. Jakkolwiek izolowane systemy pomiarowe oparte o modulator delta-sigma dedykowane są do pomiaru prądu, można z ich pomocą realizować także pomiar napięcia.
Jeśli projektuje się tego typu system pomiarowy, konieczne jest zapamiętanie kilku kwestii podczas projektowania dzielnika oporowe. Na przykład, załóżmy, iż w naszej aplikacji konieczny jest pomiar napięcia wejściowego do inwertera. Napięcie wynosi 390 VAC, a modulator delta-sigma z jakiego chcemy korzystać ma liniowy zakres wyjściowy +/- 250 mV (przykładem tego typu układów mogą być AMC1304 lub AMC1305 firmy Texas Instruments).
Pierwsza próba stworzenia tego typu systemu wyglądać może, w uproszczeniu, tak jak pokazuje to schemat na rysunku pierwszym, poniżej:
Rysunek 1. Uproszczony schemat systemu pomiarowego
Dzielnik napięcia, składający się z oporników Ra i Rb, opisać można następującym równaniem:
(1)Warto zwrócić uwagę, iż spadek napięcia na oporniku Rb powinien wynosić 0,25 V, tak aby efektywnie wykorzystać liniowy zakres pracy wykorzystywanego modulatora.
Załóżmy dalej, że jednym z kolejnych wymagań w projekcie jest to, aby ograniczyć rozpraszaną na opornikach Ra i Rb moc ograniczyć do, nie więcej niż 70 mW. Oznacza to, iż, zgodnie z równaniem pierwszym, Ra - 4,4 MΩ a Rb 2 kΩ, co przekłada się na spadek napięcia równy 250,59 mV na oporniku Rb. Ta wartość jest dostatecznie bliska założonej, że możliwe jest użycie oporników o rezystancji z typowego szeregu wartości.
Jeśli teraz dokonamy prostej symulacji działania układu z rysunku pierwszego, zaobserwować możemy, iż układ wykazuje offset napięciowy równy 58,4 mV. Dalej, widać iż zamiast 500 mVp-p sygnał ma zaledwie 457,3 mVp-p. Wiedząc iż w napięciu wejściowym nie ma składowej stałej, można stwierdzić, że jest to całkiem niespodziewane zachowanie układu.
Powód, dla którego powstaje taka różnica pomiędzy wyliczonymi a rzeczywistymi parametrami działania układu, staje się oczywisty, jeśli przeanalizuje się kartę katalogową modulatora dokładniej. Okazuje się, że układy te wymagają pewnego prądu polaryzacji, który trzeba uwzględnić podczas projektowania systemu, szczególnie przy wykorzystaniu z dużych oporników. Co więcej, prąd polaryzacji wejścia modulatora zależy od napięcia wejściowego, co powoduje kolejne komplikacje. Rysunek 54 w karcie katalogowej AMC1305 dostarcza więcej szczegółów.
W naszym układzie, pokazanym na rysunku pierwszym, wartość Rb jest niezaniedbywalną częścią impedancji wejściowej modulatora tych układów. Jeśli podążymy za rekomendacjami w kartach katalogowych tych układów, można delikatnie zmodyfikować dzielnik wejściowy, tak żeby funkcjonował tak jak powinien. Rysunek trzeci pokazuje jakie zmiany trzeba wprowadzić, są to głównie:
a) Ra podzielony zostaje na dwa oporniki R1 i R2, aby zapewnić sobie możliwość spełnienia wymagań co do projektu PCB i spełnienie wymagań co do spadku napięcia na opornikach.
b) Dodany został kolejny opornik (R3’), w celu wyeliminowania efektów zaobserwowanych dla projektu zasadniczego.
Rysunek 3. Zmodyfikowany projekt
Zasadniczo, dla układu z rysunku trzeciego, zależny od sygnału wejściowego prąd polaryzacji wejścia IIBN, gdy płynie przez R3', kompensuje offset, który zaobserwowany został dla pierwszego układu, jednakże kosztem niedopasowania rezystancji wejściowych terminali AINP i AINN modulatora.
Jak szerzej omówiono w kartach katalogowych układów AMC1304 i AMC1305, spodziewać się można pewnej różnicy napięcia na takim wejściu różnicowym i napięcia które wyznaczone jest teoretycznie na oporniku R3. Różnicę tą można opisać jako błąd wzmocnienia, co pokazuje równanie drugie, poniżej:
(2)Rysunek czwarty pokazuje wyniki symulacji drugiego układu, pokazanego powyżej. Warto zwrócić iż wyniki otrzymane z zmodyfikowanego równania dzielnika (równanie 2) zgadzają sie z wynikami symulacji poniżej (patrz równanie 3).
(3)
W celu zbliżenia napięcia wejściowego do wyznaczonego zakresu +/- 250 mV, konieczne jest zwiększenie wartości R3 i R3' do, na przykład, 2,38 kΩ, co spowoduje iż napięcie to wyniesie 250,5 mV. Trzeba tutaj jednakże pamiętać iż w takiej sytuacji konieczna będzie kalibracja układu, gdyż tolerancje oporników R1, R2, R3 i R3' będą najpewniej większe niż wymagania co do dokładności układu w większości jego aplikacji. To czy wykorzystać wartości pokazane na rysunku trzecim czy te zmienione, zależy już od woli i wyboru projektanta systemu.
Źródło:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...lators-for-isolated-high-voltage-measurements
Cool? Ranking DIY
