Designziele

Designbeschreibung

Dieser Schaltkreis führt eine isolierte Spannungsmessung von Leitung zu Leitung bei ±480V mithilfe des isolierten ISO224-Verstärkers und eines Spannungsteilerschaltkreises durch. Der Spannungsteilerschaltkreis reduziert die Spannung von ±480 V auf ±12 V, was dem Eingangsspannungsbereich des ISO224 entspricht. Der ISO224 wird sowohl von Highside- als auch Lowside-Stromversorgungen versorgt. Die Highside-Stromversorgung wird mit einer potenzialfreien Stromversorgung oder von der Lowside mit einem isolierten Transformator oder einem isolierten DC/DC-Wandler erzeugt. Der ISO224 kann unsymmetrische Signale von ±12 V mit einer festen Verstärkung von ⅓ V/V messen und erzeugt eine isolierte Differenzausgangsspannung von ±4 V mit einer Gleichtaktspannung von VDD2 / 2. Die differenzielle Ausgangsspannung kann zur Anbindung an einen ADC mit einem zusätzlichen Operationsverstärker wie dem in SBOA274gezeigten TLV6001 nach Bedarf skaliert werden.

Designhinweise

1. Überprüfen Sie den linearen Betrieb des Systems für den gewünschten Eingangssignalbereich. Dies wird mithilfe der Simulation im Abschnitt Merkmale der Gleichstromübertragung überprüft.
2. Prüfen Sie, ob die Widerstände im Widerstandsteilerschaltkreis (R₁–R₅) in der Lage sind, die von der Spannungsquelle gelieferte Leistung abzugeben.
3. Stellen Sie sicher, dass die Spannung am Eingang des ISO224, wie in der Tabelle mit den absoluten Maximalwerten auf dem Datenblatt angegeben, unter ±15 V liegt, und dass am Eingang weniger als ±10 mA anliegen. Wenn das System anfällig für Transienten ist, sollten Sie zum Eingang eine TVS-Diode hinzufügen. Weitere Details finden Sie in der I-U-Kurve der Eingangsklammer-Schutzschaltung im Datenblatt des verstärkten isolierten Verstärkers ISO224 mit einem Single-Ended-Eingang von ±12 V und einem Differenzialausgang von ±4 V.

Designschritte

1. Berechnen Sie das Verhältnis der Spannungsquelle zum Eingang des ISO224 für den Spannungsteilerschaltkreis.
   $\frac{{12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224,\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{P}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{480\mathrm{V}}=0.025$
2. Die typische Eingangsimpedanz des ISO224 beträgt 1.25 MΩ. Diese Impedanz ist parallel zum Widerstand R₅ geschaltet und muss bei der Entwicklung einer Spannungsteilerschaltung berücksichtigt werden. Wählen Sie 1 MΩ-Widerstände für R₁, R₂, R_3'und R₄. Berechnen Sie anhand des Verhältnisses aus dem vorherigen Schritt und der folgenden Spannungsteilergleichung den äquivalenten Widerstand, der für die parallele Spannungsteilerkombination ( ) von R₅ und der Eingangsimpedanz von ISO224 erforderlich ist.
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{{\mathrm{R}}_3{+\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   ${{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}=102564\mathrm{\Omega }={\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}$
3. Setzen Sie 1,25 MΩ für die Eingangsimpedanz des ISO224 ein und lösen Sie R₅ mit der folgenden Gleichung. Ermitteln Sie mit Hilfe des Taschenrechners für Analogingenieure den nächstliegenden Standardwert für R₅.
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=102564\mathrm{\Omega }=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{{\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}$
   $102564\mathrm{\Omega }\left({\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }\right)={\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_5=111.73\mathrm{k}\mathrm{\Omega };\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{e}=111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
4. Vergewissern Sie sich, dass der Wert des äquivalenten Widerstands nahe dem in Schritt 2 berechneten Widerstandswert liegt.
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
5. Vergewissern Sie sich, dass der Spannungsteilerschaltkreis innerhalb einer angemessenen Fehlertoleranz liegt. Für die folgende Berechnung wird davon ausgegangen, dass der Eingangswiderstand des ISO224 1,25 MΩ beträgt, was zu einer Fehlertoleranz von 0,6 % führt. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass der Eingangswiderstand aufgrund von Widerstandsschwankungen des internen Klemmschutzschaltkreises von Baustein zu Baustein variiert. Wenn dieselbe Berechnung mit dem minimalen Eingangswiderstand von 1 MΩ durchgeführt wird, beträgt der Fehler 2,5 %. Wenn dieser Fehlerbereich nicht akzeptabel ist, muss entweder eine Kalibrierung durchgeführt werden. Alternativ kann der Widerstand des Spannungsteilerschaltkreises verkleinert werden.
   $\frac{101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{4.101947\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=0.02485$
   $\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{\%}=\frac{\left|\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}\right|}{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}\times 100=\frac{\left|0.02485-0.025\right|}{0.025}\times 100=0.6\mathrm{\%}$
6. Berechnen Sie den Strom, der durch den Spannungsteilerschaltkreis von der Spannungsquelle fließt, um sicherzustellen, dass die Verlustleistung die Nennwerte des Widerstands nicht überschreitet. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Überlegungen für Hochspannungsmessungen.
   $\mathrm{V}=\mathrm{I}\mathrm{R};\mathrm{ }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{R}}=\frac{480\mathrm{V}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}=117\mathrm{\mu }\mathrm{A}$

DC-Übertragungskennlinie

Die folgende Abbildung zeigt das simulierte Ausgangssignal bei einem Eingang von ±600 V. Der Spannungsteiler skaliert die Verstärkung um 1/40, der ISO224 skaliert die Verstärkung um weitere ⅓.

Die Übertragungsfunktion zeigt, dass die Systemverstärkung vom Spannungsteiler 1/40 und von ISO224 ⅓ beträgt (d. h. die Verstärkung × V_IN = V_OUT, (1/40) × (⅓) × (480 V) = 4 V).

AC-Übertragungskennlinie

Die simulierte Verstärkung beträgt -41,58 dB (oder 0,008337V/V) und entspricht damit weitgehend der erwarteten Verstärkung für den Spannungsteiler und ISO224.

Quellennachweise

1. Analog Engineer's Circuit Cookbooks
2. SPICE-Simulationsdatei SBAC232
3. TI Precision Designs TIDA-00835
4. TI Precision Labs

Design vorgestellter isolierter Operationsverstärker

Design alternativer isolierter Operationsverstärker