Mesurer les petits signaux circulant sur de hautes tensions et éviter les boucles de masse des capteurs

Les concepteurs ont souvent besoin de mesurer de petites tensions en présence de hautes tensions de mode commun, en particulier lors de l'utilisation d'alimentations et de variateurs moteurs. Cette nécessité est liée au problème des boucles de masse lors de l'utilisation de capteurs, en ce sens que les deux problèmes peuvent être résolus par une utilisation efficace d'amplificateurs d'isolement.

Les amplificateurs d'isolement assurent une séparation galvanique entre leurs entrées et leurs sorties, de sorte qu'ils ne transmettent que les signaux souhaités et éliminent les hautes tensions de mode commun. Dans les systèmes de surveillance basés sur des capteurs, ils maintiennent la séparation de masse entre les capteurs afin d'éliminer les boucles de masse. Ils sont souvent utilisés dans les alimentations, les contrôleurs moteurs, la détection de tension à distance, les mesures biomédicales et l'acquisition de données à distance.

Pour expliquer le fonctionnement des amplificateurs d'isolement et la manière de les appliquer efficacement, cet article décrit un scénario typique dans lequel l'isolement est requis, avant de discuter de trois méthodes d'isolement courantes : couplage par transformateur, couplage optique et couplage capacitif. Il présente également des solutions pratiques pour chaque méthode, avec un dernier exemple utilisant une conception de référence.

Scénario typique d'alimentation

Les alimentations et les variateurs moteurs modernes nécessitent la mesure de petits signaux en présence de hautes tensions de mode commun. De quelle manière les concepteurs peuvent-ils mesurer le courant de charge d'un circuit d'attaque de puissance FET push-pull en utilisant un shunt résistif avec le FET polarisé à plus de 300 V (Figure 1a) ?

Figure 1 : La mesure de faibles chutes de tension en présence de hautes tensions de mode commun (a) et l'élimination des boucles de masse (b) sont des applications de circuit courantes nécessitant un isolement. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le circuit supérieur (a) est un circuit d'attaque de puissance typique servant à contrôler un moteur ou une phase moteur. Il sert à contrôler la puissance en faisant varier le rapport cyclique de la forme d'onde à impulsions par rapport à la charge. Les tensions d'alimentation (HV+ et HV-) sont de l'ordre de plusieurs centaines de volts. La tension de détection du courant à travers la résistance shunt, R_SHUNT, est de l'ordre de quelques dizaines de millivolts, mais elle fonctionne sur une forme d'onde à impulsions oscillant entre HV+ et HV-. L'application de cette tension à l'entrée d'un instrument mis à la terre ou d'un amplificateur de détection du courant dépasserait la limite de tension de mode commun et pourrait détruire le dispositif.

Dans le même esprit, comment les concepteurs peuvent-ils mesurer la sortie en tension d'une seule cellule solaire en haut d'une pile de plusieurs cellules ? Lorsqu'une tension de mode commun dépasse 80 V, il faut un moyen d'isolement électrique pour en séparer le signal souhaité.

Envisagez également la question de savoir comment isoler les circuits des problèmes de boucle de masse (Figure 1b). Le signal est connecté de la source de l'émetteur (à gauche) au récepteur (à droite) à l'aide d'un câble coaxial. Les courants de masse vagabonds d'autres circuits peuvent trouver un trajet de retour à travers le blindage coaxial reliant les deux masses. Cela crée des tensions au niveau de l'impédance série du blindage du câble, ce qui rend la valeur V_G2 différente de la valeur V_G1, entraînant ainsi une erreur au niveau de l'entrée du récepteur.

Ces deux applications nécessitent la capacité d'isoler les connexions de signaux. La solution réside dans les amplificateurs d'isolement, qui assurent une séparation galvanique entre leurs entrées et leurs sorties. Ils transmettent uniquement les signaux souhaités et éliminent les hautes tensions de mode commun. Appliqués à l'élimination des boucles de masse dans les systèmes, ils maintiennent la séparation de masse entre les éléments du circuit.

Fonctionnement des amplificateurs d'isolement

Un amplificateur d'isolement est un amplificateur qui est isolé galvaniquement entre ses circuits d'entrée et de sortie, y compris les alimentations associées. Cela garantit qu'il n'y a pas de trajet conducteur entre les sections d'entrée et de sortie. Ils présentent des fuites extrêmement faibles entre les sections, ainsi que des spécifications de tension de claquage diélectrique élevées. L'étage d'entrée est un amplificateur différentiel qui atténue la tension de mode commun. Cette atténuation est possible car les entrées sont à un volt l'une de l'autre et l'amplificateur est flottant et non référencé à la masse. Le couplage capacitif parasite entre les sections, qui peut réduire l'isolement, est minimisé par une conception et une configuration minutieuses. L'isolement entre les sections est assuré par un transformateur, une capacité ou un couplage optique (Figure 2). Ces méthodes de couplage bloqueraient normalement les composants CC et basse fréquence du signal. Or, cette faiblesse est évitée en utilisant le signal d'entrée pour moduler un porteur et transmettre le spectre complet du signal qui est récupéré par démodulation au niveau de la sortie du dispositif. Les entrées et les sorties utilisent des alimentations isolées.

Figure 2 : Un amplificateur d'isolement générique illustrant les trois méthodes d'isolement couramment utilisées, à savoir le couplage par transformateur, capacitif ou optique. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La technique de modulation utilisée dépend du dispositif, mais la modulation de fréquence, de largeur d'impulsions ou Sigma-Delta sont fréquemment utilisées. La modulation Sigma-Delta est la plus courante. Les entrées sont différentielles et les configurations de sortie peuvent être asymétriques ou différentielles. Notez que les sections d'entrée et de sortie de l'amplificateur d'isolement ont des connexions d'alimentation séparées. Généralement, la section d'entrée utilise une alimentation « flottante » qui n'est pas référencée à la masse. Maintenir un bon isolement exige des alimentations bien isolées.

Les caractéristiques de l'amplificateur d'isolement pour la différence de tension maximale entre les entrées appliquées et la ou les sorties sont généralement spécifiées pour les tensions CC et CA durables. La tension maximale appliquée aux transitoires est spécifiée séparément avec la synchronisation de la condition transitoire. Ces spécifications s'appliquent tant que la configuration physique maintient l'espacement recommandé entre les broches d'entrée et de sortie du dispositif, qui est soigneusement précisé dans la fiche technique.

Couplage par transformateur (magnétique)

L'isolement couplé par transformateur est historiquement le moyen le plus ancien d'isoler des circuits. L'AD202JY d'Analog Devices est un amplificateur d'isolement à couplage magnétique (Figure 3).

Figure 3 : L'AD202JY d'Analog Devices utilise le couplage par transformateur pour obtenir un isolement de 1 000 VCC avec une alimentation unique de 15 V non isolée. (Source de l'image : Analog Devices)

L'AD202JY a une tension d'isolement maximale de 750 VCA RMS à 60 Hz et 1 000 VCC, plus CA continu. Il utilise des transformateurs doubles, dont le premier concerne le trajet du signal. Le second relie un porteur de 25 kHz de la sortie à l'entrée et constitue le porteur du modulateur. Il est également utilisé pour générer deux sorties de puissance isolées pour la section d'entrée. Cela répond au besoin d'une alimentation séparée et isolée.

Le gain de l'amplificateur peut être réglé par l'utilisateur entre 1 et 100 volts/volt, et a une bande passante à pleine puissance de 5 kHz. L'étage de sortie est une sortie différentielle sans tampon capable de fournir ±5 V.

Couplage optique

Le couplage optique est une autre possibilité permettant d'assurer l'isolement entre l'entrée et la sortie d'un amplificateur d'isolement. La section d'entrée de l'amplificateur d'isolement commande une diode électroluminescente (LED), dont la lumière est captée par un phototransistor au niveau de la section de sortie (Figure 4). La liaison est totalement optique, sans connexion électrique entre la LED et le phototransistor.

Figure 4 : Le schéma fonctionnel de la gamme d'amplificateurs d'isolement ACPL790X de Broadcom démontre l'utilisation d'une liaison optique pour fournir un isolement électrique entre l'entrée et la sortie. (Source de l'image : Broadcom Limited)

La gamme d'amplificateurs d'isolement ACPL790 de Broadcom combine un couplage optique exceptionnel avec la technologie de convertisseur Sigma-Delta et des amplificateurs stabilisés par dispositif de découpage pour offrir un isolement haute tension, une sortie différentielle et une bande passante de 200 kHz. Elle présente une tension d'isolement de fonctionnement de 891 V (crête) conforme à CEI/EN/DIN EN60747-5-5. Il existe trois produits dans la gamme qui diffèrent par leurs spécifications de précision. L'ACPL-7900, l'ACPL-790A et l'ACPL-790B offrent respectivement une précision de 3 %, 1 % et 0,5 %.

Couplage capacitif

L'amplificateur d'isolement AMC1301 de Texas Instruments représente la troisième méthode pour obtenir un isolement, à savoir le couplage capacitif (Figure 5).

Figure 5 : L'AMC1301 de TI utilise deux condensateurs série dans chaque branche de sa barrière galvanique renforcée pour fournir un isolement capacitif. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'AMC1301 est un amplificateur d'isolement à sortie différentielle avec une tension d'isolement nominale de 1 500 V (crête). L'étage d'entrée de l'amplificateur d'isolement est constitué d'un amplificateur différentiel qui commande un modulateur Delta-Sigma. L'horloge isolée (porteur) est dérivée en interne. Le circuit d'attaque de l'émetteur (TX) transfère les données via la barrière galvanique à double condensateur. Les données modulées reçues sont démodulées et synchronisées au niveau bas potentiel avec l'horloge, puis transmises en tant que signal différentiel. L'AMC1301 présente un gain fixe de 8,2 et une largeur de bande nominale de 200 kHz (typique).

Comme lors des discussions précédentes, les côtés entrée et sortie de l'AMC1301 nécessitent des alimentations isolées.

Conception de référence pour l'AMC1301

Texas Instruments fournit un exemple de conception de référence pour l'amplificateur d'isolement AMC1301 sous forme de simulation TINA-TI (TINA-TI est un simulateur de circuit gratuit disponible auprès de Texas Instruments). Le circuit émet un signal de 200 millivolts (crête) et 5 kHz sur une tension de mode commun de 500 V en tant qu'entrée simulée. La sortie différentielle a une amplitude maximale de 1,6 V avec un décalage de 0 V pour une charge de 10 kilohms. Cet exemple montre la capacité de l'amplificateur d'isolement à éliminer l'important décalage de mode commun (ici, 500 V) du signal d'entrée.

Figure 6 : La conception de référence de Texas Instrument pour l'AMC1301, exécutée en tant que simulation dans TINA-TI, est un exemple de l'AMC1301 fournissant un isolement pour un décalage CC de mode commun de 500 V. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Isoler les boucles de masse

L'isolement entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur d'isolement peut servir à rompre les boucles de masse, comme celle illustrée à la Figure 1b. En plaçant l'amplificateur d'isolement entre l'émetteur et le récepteur, la connexion à la terre entre eux via le câble coaxial est interrompue et il n'y a pas de trajet de masse direct entre eux (Figure 7).

Figure 7 : L'interposition d'un amplificateur d'isolement entre l'émetteur et le récepteur élimine la boucle de masse due à la connexion du câble coaxial d'origine. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Conclusion

Les amplificateurs d'isolement, qu'ils soient basés sur un couplage magnétique, optique ou capacitif, constituent un outil utile pour mesurer de petits signaux circulant sur de hautes tensions de mode commun ou pour isoler la masse des circuits afin d'éliminer les boucles de masse dans les systèmes ayant une largeur de bande pouvant atteindre 200 kHz. Ils sont souvent utilisés dans les alimentations, les contrôleurs moteurs, la détection de tension à distance, les mesures biomédicales et l'acquisition de données à distance.