Aislamiento análogo vs Digital del aislamiento

Question

Estoy diseñando un ADC front-end circuito que se acepte un 230 Vrms conexión a la red eléctrica. Mi objetivo es medir el voltaje RMS de la tensión de red.

Aunque no es realmente necesario, creo que tendría sentido para aislar galvánicamente de la tensión de alimentación del resto de la junta.

Esto implica el uso de cualquiera de aislamiento digital o analógica de aislamiento entre la red y la sección de MCU sección de la junta. Estaba leyendo el National Instruments libro blanco sobre el aislamiento de los tipos y ahora estoy preguntando cuál es la manera más costo-efectiva de conocer a mi aislamiento autoimpuesto requisito sería.

Analógica De Aislamiento:

Aislamiento Digital:

Para el amplificador de ganancia de la sección de la parte delantera, he pensado en el uso de resistencias de precisión a escala y offset de la entrada de CA:

^{simular este circuito – Esquema creado mediante CircuitLab}

Según el libro blanco, el único beneficio real de ir con el analógico de aislamiento es que la barrera de aislamiento viene antes de la ADC, por lo tanto la adición de un mínimo de protección a las entradas del ADC. La desventaja es que este método presenta offset, ganancia y no lineal de los errores en la medición y reducción de ancho de banda operativo en comparación a digital de las técnicas de aislamiento.

Según el libro blanco, digital topologías de aislamiento también tienden a ser menos costoso que su análogo de aislamiento semejantes mejore;. No he sido capaz de confirmar esto, sin embargo, al mirar a través de las hojas de datos para las partes necesarias:

Partes común a ambos enfoques:

• $4.50 para la fuente de alimentación Aislada de aislados de sección (es decir, R1SE-0505-R )
• $1 para el Voltaje de referencia para el ADC ganancia/offset resistente de la serpiente (es decir, MCP1501T-33E/CHY)
• $2 Precisión de ganancia/offset resistencias

Las piezas de aislamiento digital:

• $11 ADC integrado con aislado de la salida serial (por ejemplo, AD7402)

Partes analógicas de aislamiento:

• $3 amplificador de Aislamiento (por ejemplo, LIA135STR)

• $2 precisión de ganancia/offset resistencias en MCU lado de la barrera de aislamiento

---

o, en pocas palabras: Digital = $20 | Analog = $12.50

Supongo que este documento supone digital era más barato porque ya no hay un ADC disponibles que se pueden utilizar, sin embargo, en mi aplicación tengo un ADC disponibles en el MCU.

Soy reacia a gastar $20 to use a digitally isolated topology, especially since I already have an ADC that I can use. On the other hand, I am weary of spending $10 para un análogo topología de aislamiento que en realidad no tienen la precisión.

Tiene que haber una manera menos costosa para hacer esto, ¿no?

Estoy empezando a pensar que tal vez yo debería desechar la idea de tener aislamiento, o tal vez que tengo que empezar a mirar simplemente el uso de un transformador reductor de red en el MCU de la junta para el aislamiento y vivir con el hecho de que la señal soy de medición tendrá una forma diferente a la tensión de la red. Los pensamientos?

---

ACTUALIZACIÓN Como @DanMills ha señalado, otra opción es utilizar un transformador de 230 vca en la entrada de alimentación de red para lograr analógico de aislamiento. Una búsqueda de Digikey muestra que el menos caro nominal del transformador de 230 VCA es de $6.80 (canadá):

Así, sigue siendo bastante caro, pero sin duda un poco más de palateable. La desventaja de este enfoque, obviamente, es que se distorsiona la forma de onda entrante y gasta energía.

Answer 1

Dados los precios ridículamente bajos de Mcu decentes a bordo de los ADCs, la forma más sencilla de hacerlo sería la de hacer aislamiento digital entre el Mcu. Simplemente tratar a una pequeña de un solo chip microcontrolador como un "custom" ADC y digital modulador en uno. De esa manera usted tiene total flexibilidad en la elección del formato de los aislados de señal digital para que coincida con sus necesidades.

E. g. si usted sólo necesita medir el valor RMS, puede ejecutar el ADC a la máxima velocidad y calcular el promedio entre los puntos de cruce cero, y enviar sólo ese valor para el aislado lado, en una lenta velocidad de enlace, el uso de un hoteles de optoacoplador impulsado directamente desde el MCU. El MCU y el optoacoplador tiene muy modesto consumo de energía de los requisitos, por lo tanto la alimentación directamente de la red eléctrica de la línea va a supervisar el uso de un condensador en serie, la resistencia y un hoteles de derivación del regulador de voltaje, tal vez sólo un diodo Zener iba a hacer. El estadio de béisbol de los precios de la alta tensión puede ser sólo un poco más de $10 en la cantidad de 100 o menos.

Answer 2

Como regla general del pulgar, AC tensión de la red debe ser aislado por medio de un transformador o de algún tipo de dispositivo de aislamiento. También debe haber alguna manera de limitar la corriente (fusibles) y la tensión (TV o MOV) en cada línea.

Dependiendo de tus planes para esta aplicación, y donde va a vender, usted probablemente tendrá que ir a través de algún tipo de UL o CE certificación. Echa un vistazo a IEC 61010. Ese documento cubre muchos de los análisis requeridos.

Cuando la toma de decisiones sobre el aislamiento necesario, usted tiene que considerar el medio ambiente(laboratorio, en el exterior, se puede mojar?), el recinto, distancias de separación, y lo que sucede cuando las cosas van mal en un mínimo. Decir una resistencia o diodo en el diseño de la falla corta, pues su diseño el inicio de un incendio? Si algo hizo la captura de fuego, podría el fuego se extendió fuera de la caja? Podría alguien ser sorprendido por tocar la casilla si un alambre de vino a granel? Estas son las cosas que debes pensar antes de intentar medir la tensión de red. También determinan la cantidad de aislamiento requerido.

Para responder a la pregunta original, que fue sobre el costo. Yo he probado ambos enfoques. Tanto trabajo, pero por lo general prefieren aislamiento digital. En versiones anteriores de productos, el aislamiento se realiza generalmente en analógico espacio. La parte delantera era típicamente un diferencial del amplificador operacional con varios de los grandes resistencias en serie con las entradas con la protección de los diodos seguido por un ISO124 para el aislamiento galvánico. Un ISO124 no es barato parte ($19.85), pero es probado y verdadero. Tiene algunas limitaciones, tales como ancho de banda y el voltaje de offset que se han considerado. También es bipolar. Muchos MCU AtoD no puede manejar cualquier voltaje por debajo de los 0V. Puesto que usted está midiendo una señal de CA, puede que tenga que utilizar un independiente AtoD.

La muy barato aislamiento amplificadores están pensados para la medición de corriente a través de una derivación y una pequeña gama de entrada. Aunque puede dividir abajo de la señal de entrada mediante la precisión de las resistencias, la relación señal a ruido se verá afectada. También la ganancia puede variar de un canal a otro. Esto puede o puede no ser un problema para su aplicación. Depende de la exactitud que usted está tratando de lograr. El pequeño rango de entrada por lo general ha sido un problema para mí, para que yo no he probado este enfoque, aunque podría trabajar.

También he tratado de aislamiento digital. Digital aisladores son abundantes y baratos. Yo personalmente he utilizado digital aisladores para bus CAN, I2C y SPI. Típico extremo delantero es generalmente de algún tipo de filtro de circuito seguido por un amplificador operacional, y, a continuación, AtoD. El AtoD está aislada de la MCU uso de la digital aislador. Desde el AtoD está aguas arriba del aislador, el ruido de cuantificación del aislador no tienen que ser considerados. Esto produce una medición más exacta con un mayor ancho de banda.

Un punto final. La seguridad siempre triunfa sobre el costo y debe ser su principal preocupación.

Answer 3

Cualquier razón para no simplemente utilizar una miniatura de PCB de montaje de transformador de corriente en la entrada de la cosa y medir la secundaria? Instantánea de aislamiento, sin necesidad de encender el no iso lado de la barrera, fácilmente disponible con cualquier tipo de certificación de la seguridad que te gusta y barato....

Ahora, si usted está tratando de medir detallada de los armónicos o rápida de eventos transitorios esto no puede cortar, pero para muchas aplicaciones en miniatura de PCB de montaje de transformador de corriente es del todo adecuado, una modesta resistencia de carga en el secundario va a ayudar con el rendimiento en la mayoría de los casos.

Como para el aislamiento digital, dependiendo de la velocidad que usted necesita, un jellybean 6N137 hará 30Kbaud o así, y hay algunas muy pequeñas micros estos días para codificar el ADC de salida en algo async que va a pasar el opto...

En el analógica lado, no descarto cosas como la IL300, de la vieja escuela, pero sigue siendo muy útil.

Y sí, proveedores de chips tienden a publicar libros blancos favoreciendo sus soluciones, en tanto el mismo como el departamento de marketing de escribir la primera página de la hoja de datos....

Answer 4

Te sugiero que el centro de su diseño en primer lugar en la U/L certificado de aislamiento. Escoge un muy decente U/L nominal de los aislantes, tales como la OPI1268S: http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Optek%20PDFs/OPI1268S_Brief.pdf
Usted ya tiene un decente fuente de alimentación seleccionada.

Ahora usted puede dejar toda su medición front end (micro y A/D) a flotar en la tensión de red. Parece que no necesita de alta velocidad A/D (de la selección), y si se puede hacer con un 10 bits A/D, entonces usted podría utilizar algo tan simple como un Arduino Nano para el frontend, a continuación, la conducción de la opto-aislador a su backend.

Partes: $4.50 para la fuente de alimentación Aislada de aislados de sección (es decir, R1SE-0505-R ) (1 kV de aislamiento U/L certificado)
$2 Precisión de ganancia/offset resistencias
$4 Arduino Nano (http://store.gravitech.us/arna30wiatp.html)
$6.60 OPI1268S (http://www.digikey.com/product-detail/en/tt-electronics-optek-technology/OPI1268S/365-1562-ND/2744562) (2 kV de aislamiento U/L certificado)