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4-20mA隔离栅拆解研究

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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 10:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。

9862761415cadc2587.jpg
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:
5559561415e3c7f25a.jpg
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
348786141601d5192f.png
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


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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 11:09 | 显示全部楼层
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
94621614162e8dbafa.png
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。

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lfc315| | 2021-9-15 11:18 | 显示全部楼层
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。

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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 11:44 | 显示全部楼层
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。

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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 12:22 | 显示全部楼层
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。
8812561417553eef51.jpg
经过这样,时基电路,简化成一路,但是初级和次级反应变差。

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HWM| | 2021-9-15 12:27 | 显示全部楼层
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。

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lfc315| | 2021-9-15 13:47 | 显示全部楼层
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。

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lfc315| | 2021-9-15 13:49 | 显示全部楼层
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?

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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 15:45 | 显示全部楼层
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
356466141a4164e1ff.jpg
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。


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coody| | 2021-9-15 16:00 | 显示全部楼层
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。

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lfc315| | 2021-9-15 16:15 | 显示全部楼层
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。。。

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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 16:30 | 显示全部楼层
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。
509356141aeffb8cc6.jpg

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叶春勇 2021-9-15 16:39 回复TA
@lfc315 :这个是宇通的,不知道生产过程有没有挑选 
lfc315 2021-9-15 16:36 回复TA
查了,J是表示5%精度的 
叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 16:37 | 显示全部楼层
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。
402276141b01b76774.png
这个电路板跳线贼多,S开头的焊盘全是跳线

268366141b0c241107.jpg

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lfc315| | 2021-9-15 16:44 | 显示全部楼层
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?

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lfc315 2021-9-15 17:19 回复TA
哎 忘了这是纯硬件的 
叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 16:45 | 显示全部楼层
测了一下电阻,250.2欧,是不是挑过?5%的电阻有这么准吗
900356141b2888af5b.jpg

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叶春勇 2021-9-15 17:02 回复TA
@lfc315 :惭愧,大功率电阻入行到现在都没用过,J的确是5%。大吃一惊,我还以为啥绕线电阻呢。我以前干仪表250欧的电阻,仪表校验室里很多。 
lfc315 2021-9-15 16:51 回复TA
哈 多出来的0.2R,还可能是表笔的接触电阻 
lfc315| | 2021-9-15 16:57 | 显示全部楼层
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

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lfc315| | 2021-9-15 17:10 | 显示全部楼层
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。

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lfc315| | 2021-9-15 17:43 | 显示全部楼层
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。

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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 22:49 | 显示全部楼层
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。

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叶春勇|  楼主 | 2021-9-15 22:51 | 显示全部楼层
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。

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