4-20mA隔离栅拆解研究

1万 · 2021-9-15 10:59

在AD797发的帖子《来点模拟电路的干货--信号隔离器电路实例》

https://bbs.21ic.com/icview-2952356-1-1.html

有幸看到了业内人士，给出了模拟隔离栅的原理图。
最近有时间研究一下这个隔离栅，在咸鱼买了4个。

经分析，与ad797帖的电路图相关性很高。
上图，整个电路的时基采用cd4047，经测量24V时，振荡频率80khz，由于与ad797的电路原理图高度相关。
那么这种模拟隔离器的核心电路图，如下图：

此电路通过固定频率斩波，进行幅度调制（方波为载波）。
如果从开关电源的角度去思考它，Q2的绕组，接VCC就是一个开关电源。Q1的绕组理解为原边反馈。
而隔离器的Q2的绕组，输入的电源是变化的。所以Q1和Q3的开关作用应理解为同步检波。隔离器电路对相位不关心。
根据AD797的原理图，我的理解，Q1和Q3的回路尽可能相同。Q1的绕组为反馈绕组，Q3的绕组为输出绕组。
与我在网上找到的fet斩波隔离放大器

此电路与ad797的电路的不同点，就是信号隔离器是带负反馈的。而fet斩波放大器是开环的。
由于信号隔离器采用负反馈的方式，对大部分元件一致性的要求降低很多。
元器件的核心点，只对4-20ma的采样电阻和变压器的匝比

1万 · 2021-9-15 11:09

这种透明的灌封胶不好拆，只是拆下，测量电感，结果大吃一惊
原边800uh，次级两个绕组，一个200uh，一个280uh

按照我的理解，根据ad797的原理图，应该次级绕组和输出绕组，应尽可能相同，包括输出的滤波器，都要相同。

1万 · 2021-9-15 11:18

来学习学习，不是相关行业的；
这种隔离方式，有什么优点吗？
如果我用2个单片机，通过光耦隔离；1个单片机采集输入模拟量转换成数字方式发送，1个单片机接收后还原为模拟量输出；好像也能隔离。

1万 · 2021-9-15 11:44

lfc315 发表于 2021-9-15 11:18
来学习学习，不是相关行业的；
这种隔离方式，有什么优点吗？
如果我用2个单片机，通过光耦隔离；1个单片机 ...

我也是偏向于数字方案。你的那种，例如用一个8脚带adc的单片机，一个adc引脚采集，一个io，模拟串口发数据。通过光耦隔离后，另外一个单片机接受数据，用个模拟dac。
我个人倾向，批量隔离，用数字方案成本会下降。我以前逆向三菱plc的模拟量输入模块就是这么搞的。
单片机方案，在美国国防部的可靠性设计里，单片机是个减分项。

隔离栅，是工业中标准化的东西，前端电路后端电路，你看前面的tvs，足足8个。而且个头那么大。
这个模拟方案，经过一定的精简，一个lm358加一个三绕组变压器，输出一个lm358。主要成本在隔离变压器上。但是隔离变压器的匝比很精确。
目前三绕组变压器，准备用igbt驱动变压器，这个东西有成品。

我是看咸鱼有卖家隔离栅才卖10元一个，扫了。买来玩玩。

1万 · 2021-9-15 12:22

本帖最后由叶春勇于 2021-9-15 12:23 编辑

我在仿真器里，把Q1和Q3，改成二极管，由同步检波，改成二极管检波。仿真电路时可以跑的。
AM幅度调制可以用二极管检波，在这个电路中输出回路和反馈回路，要求尽可能一致。对二极管一致性有要求。变成了开关电源中中的原边反馈。

经过这样，时基电路，简化成一路，但是初级和次级反应变差。

2万 · 2021-9-15 12:27

lfc315 发表于 2021-9-15 11:18
来学习学习，不是相关行业的；
这种隔离方式，有什么优点吗？
如果我用2个单片机，通过光耦隔离；1个单片机 ...

光耦隔离耐压不能与变压器隔离耐压比拟的，注意其隔离变压器的绕法。

1万 · 2021-9-15 13:47

HWM 发表于 2021-9-15 12:27
光耦隔离耐压不能与变压器隔离耐压比拟的，注意其隔离变压器的绕法。

隔离要求这么高的啊；
只看PCB，倒看不出来呢；AC-DC电源的PCB，高压低压之间倒是看起来隔离很明显。

1万 · 2021-9-15 13:49

叶春勇发表于 2021-9-15 12:22
我在仿真器里，把Q1和Q3，改成二极管，由同步检波，改成二极管检波。仿真电路时可以跑的。
AM幅度调制可以 ...

AD797的帖子说精度0.1%，不知道怎么实现的，感觉随便1个电阻的误差都超了啊？

1万 · 2021-9-15 15:45

本帖最后由叶春勇于 2021-9-15 15:55 编辑

lfc315 发表于 2021-9-15 13:49
AD797的帖子说精度0.1%，不知道怎么实现的，感觉随便1个电阻的误差都超了啊？ ...

1、输入的电压与输出的电压，是通过负反馈实现的，lm358的同相端电压，与反馈电压进行比较。虽然是lm358，但是lm358的开环增益已经很大了，对付一个0.1%FS的折合4mV，所以反馈回路中很多电容电阻都是打酱油的。有就行。2、同步检波，cd4047频率的温漂，要变三路一起变。影响不大。跟网上搜的开环电路相比，有了负反馈就是不一样，黑田彻所说，负反馈去搞定元器件的离散型。这个隔离放大器也是一个例子。
0.1%FS，也就10bitADC的精度，跟动不动16bit，24bit的adc比那还是差远了。
我买的上面也有0.1%FS

AD797所说的不是假的，应该干过的。工业的东西比较成熟比较慢。
我在论坛里的观点，仪表这个东西1%够用了，精度再高，都是实验室的东西。有的电子工程师没有仪表方面的基本概念，拿着adc的分辨率瞎吹，见的多了。

2万 · 2021-9-15 16:00

以前的模拟隔离传输就是这样，很复杂。
近十几年我都用光隔离放大器了，传输也是模拟信号，非常简单，SOP8封装，隔离电压800V。

1万 · 2021-9-15 16:15

叶春勇发表于 2021-9-15 15:45
1、输入的电压与输出的电压，是通过负反馈实现的，lm358的同相端电压，与反馈电压进行比较。虽然是lm358， ...

倒不是怀疑指标的真实性，是不太明白指标为什么比元件的误差还更优，帖子里那电路图又小，看着难受；比如后面输出的V-I转换电路，是怎么保证不受电阻误差影响的。。。

1万 · 2021-9-15 16:30

lfc315 发表于 2021-9-15 16:15
倒不是怀疑指标的真实性，是不太明白指标为什么比元件的误差还更优，帖子里那电路图又小，看着难受；比如 ...

这个是输入端的采样电阻，没标精度。

1万 · 2021-9-15 16:37

lfc315 发表于 2021-9-15 16:15
倒不是怀疑指标的真实性，是不太明白指标为什么比元件的误差还更优，帖子里那电路图又小，看着难受；比如 ...

这个是输出端的，是个5环电阻，旁边有好多跳线。

这个电路板跳线贼多，S开头的焊盘全是跳线

1万 · 2021-9-15 16:44

叶春勇发表于 2021-9-15 16:37
这个是输出端的，是个5环电阻，旁边有好多跳线。

这个电路板跳线贼多，S开头的焊盘全是跳线

5%的采样电阻，是用什么方法保证整机0.1%精度的，软件校准？

1万 · 2021-9-15 16:45

测了一下电阻，250.2欧，是不是挑过？5%的电阻有这么准吗

1万 · 2021-9-15 16:57

coody 发表于 2021-9-15 16:00
以前的模拟隔离传输就是这样，很复杂。
近十几年我都用光隔离放大器了，传输也是模拟信号，非常简单，SOP8 ...

没接触过，光隔离的性能怎么样，比如误差、线性度

1万 · 2021-9-15 17:10

按道理，你画的核心电路里，反馈绕组、输出绕组的圈数应该是要一致的吧，RL1 RL2也应该是一样的吧。

1万 · 2021-9-15 17:43

隔离这部分感觉大致了解了；似乎只要反馈绕组和输出绕组一致，隔离这部分的误差是与电阻没什么明显关系的。

1万 · 2021-9-15 22:49

lfc315 发表于 2021-9-15 17:10
按道理，你画的核心电路里，反馈绕组、输出绕组的圈数应该是要一致的吧，RL1 RL2也应该是一样的吧。 ...

输出绕组的rl2，有误差。会导致输出的电压偏高或偏低。最终会被反馈绕组，通过环路调整。
其原理与烂大街的手机充电器原边反馈方案的片子一样。

1万 · 2021-9-15 22:51

lfc315 发表于 2021-9-15 17:43
隔离这部分感觉大致了解了；似乎只要反馈绕组和输出绕组一致，隔离这部分的误差是与电阻没什么明显关系的 ...

影响的是交流成分，交流成分会被万用表积分掉。这个是传输低速信号的。载波是80khz。基带信号频率肯定要远远低于载波。

4-20mA隔离栅拆解研究

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