Isolationsförstärkare Säker överföring av signaler med hjälp av elektriskt isolerade delar Agneta Bränberg dec 2014 Behov av galvanisk (elektrisk) isolation mellan signalkällan och resten av mätsystemet finns inom många områden. Det innebär att signaler ska kunna överföras men stora spänningar på grund av fel (kortslutningar mm), läckströmmar och andra störningar ska isoleras bort. Ett exempel är vid medicinska mätningar där kraftförsörjningen till mätsystemen oftast är nätansluten. Detta innebär att det finns risk för olyckor om det blir fel på utrustningen samtidigt som mätningar utförs på en sjukhuspatient, läckströmmar kan innebära fara för liv. Isolation behövs även vid mätningar där man har mycket stor spänningsskillnad mellan mätobjektet och platsen för den övriga mätutrustningen, t ex vid mätningar på spänningsförande kraftledningar. Men även inom industrin där man kan behöva skydda känslig elektronik från skadliga läckströmmar. Här fokuserar vi på de medicinska mätningarna. Mätning av biopotentialer eller bioelektricitet Inom medicinsk teknik mäter man ofta bioelektriska signaler på patienter. Det kan till exempel röra sig om att man vill mäta hjärtfrekvens på en patient och då behöver en mätutrustning för detta. Bioelektriska signaler finns mellan μv till Volt. Frekvensområdet är typiskt från DC till 50-250 Hz (EMG 10kHz). EKG 0.5-4mV EEG 0.001-0.1mV EOG 0.005-0.2mV ERG 0.01-0.6mV Nervpotentialer 0.01-3mV För att föra över biokemiska och fysiologiska fenomen till elektriska strömmar används bioelektroder. De utnyttjar att elektrolyter i biologiska lösningar och i kroppsvävnader har laddade partiklar, joner. Så här beskriver Joachim H Nagel hur man kan koppla för att mäta biopotentialer:
Signalen från givaren (bioelektroden) behöver antagligen förstärkas vilket lämpligast görs med en instrumentförstärkare. Instrumentförstärkaren behöver, i sin tur, yttre spänningsmatning och utgångsdelen på mätsystemet behöver också yttre spänningsmatning. Det är denna yttre spänningsmatning som medför problem eftersom den är kopplad till 230V nätet. Det är bland annat härifrån som skadliga läckströmmar eller jordslingor kan komma bakvägen till elektroderna på patienten. Ett blockschema över ett mätsystem kan se ut så här: Ett annat sätt att se det är att man delar upp isolationsförstärkaren i tre delar förstärkardel, utgångsdel och strömförsörjningsdel. I förstärkardelen finns: En förstärkare; ofta en differentialförstärkare eller en instrumentförstärkare (hög inimpedans). En strömförsörjningsenhet till förstärkaren. Både + och behövs. En modulator som modulerar signalen som ska mätas för att den ska kunna överföras antingen via en transformator eller optiskt. (Idag finns det även optokopplare där signalen inte behöver moduleras). I utgångsdelen finns: En demodulator. Ett lågpassfilter och/eller en spänningsföljare. En strömförsörjningsenhet till den eventuella spänningsföljaren. Både + och behövs. I strömförsörjningsdelen finns: En oscillator för att ge en frekvenskurva till moduleringen av signalen. De tre delarna är galvaniskt helt åtskilda och signalen kan exempelvis överföras via transformatorer, optokopplare, kondensatorer med switchar, radiosändare eller IR.
Användning av isolationstransformator Ett sätt att isolera utgången från ingången i ett system är att använda en transformator. En nackdel med detta är att man endast kan överföra växelspänningar. Detta löser man genom att omvandla likspänningen till en signal med en frekvens som är proportionell mot likspänningen. Denna signal använder man sedan för att modulera en bärvåg som för över informationen genom transformatorn. Informationen återfås sedan på utsidan med hjälp av en demodulator och frekvens-till-spänningsomvandlare. Bärvågen skapas av en oscillator och återförs till ingångssidan med hjälp tranformatorn. Här ser vi en mycket förenklad bild som ändå på ett överskådligt sett återger de tre delarna som ingår i isolationsförstärkaren och visar principen för överföringen via transformator. Det som är intressant här är inte själva förstärkarkopplingarna med beräkningar för förstärkning utan principen för överföringen av signaler och spänningar. Insignalen från förstärkaren förs till en modulator, där den modulerar en bärvåg som via transformatorn förs över till utgångssidan. På utgångssidan återställs sedan signalen med en demodulator. Lågpassfiltret skär bort eventuella bärvågsrester. Efter filtret kan man sedan sätta en spänningsföljare om man vill minska utimpedansen. Matningsspänningen kommer in i oscillatorn och styr demodulatorn. Därefter förs den via en transformator till modulatorn där den modulerar signalen som ska mätas för att denna signal lättare ska kunna föras över till utgångssidan. Från oscillatorn förs även spänningen över till ingångens spänningsdel där den omvandlas tillbaka till DC för att kunna driva ingångsförstärkaren. Här har vi en förenklad bild på en integrerad isolationsförstärkare av denna typ där det yttremotståndet RG bestämmer förstärkningen.
Följande krets är en ISO212 från Burr-Brown: Användning av optokopplare En optisk kopplad isolationsförstärkare brukar innehålla en lysdiod som sänder och fotomotstånd, fotodiod eller fototransistor som mottagare. Ett exempel på en enkel koppling är en med en lysdiod och en fotodiod (D1), denna koppling lämpar sig endast till att användas vid frekvens- eller pulsmodulerande bärvågssystem, därför att överföringsfunktionen för den här kretsen blir långtifrån linjär. För att förbättra linjäriteten använder man istället två matchande fotodioder (D1 och D2) som samtidigt belyses av lysdioden. Signalen från D1 överförs till utgången, och D2 s signal återkopplas till ingångssidan. På så sätt får man en kompensering för olinjäriteter i överföringsfunktionen, så att den slutgiltiga överföringsfunktionen blir acceptabelt linjär. Något förenklat kan det se ut så här: Eftersom både förstärkare och optokopplare behöver drivspänning är det nödvändigt att använda batteridrift på primärsidan i detta fall.
Så här ser en integrerad isolationsförstärkare av typen ISO100 från Burr-Brown ut: Ännu en variant är att insignalen A/D-omvandlas. Den digitala signalen för över optiskt för att sedan D/A-omvandlas på utgången. Det här är ett blockschema över en ISO130: Användning av radiosändare och IR sändare I vissa fall behöver man ännu kraftfullare isolation än vad som går att uppnå med transformator och optokopplare. Anta att man vill mäta temperaturen på en 400 kv högspänningsledning under drift. En utmärkt metod är då att överföra informationen med en radiosändare. Man får då även fördelen att man kan placera mottagare och övrig databehandlingsutrustning mycket fritt i förhållande till mätobjektet. Om radiostörningarna är stora kan man även använda en IR-sändare för att överföra informationen. Man kan då välja att dra en optofiber mellan givarenhet och mottagande enhet eller använda trådlös överföring, enligt samma princip som fjärrkontroller till TV-apparater.
Isolationsförstärkare med switchade kondensatorer En förhållandevis ny teknik är att använda sig av så kallade switchade kondensatorer. Principen bygger på att man styr när en kondensator laddas upp/ur och när dess laddning läses av med hjälp av två switchar. När S1 är stängd och S2 är öppen får man upp-/urladdning så att UCs=Uin När S1 är öppen och S2 stängd får man Uut=UCs. I en isolationsförstärkare av den här typen omvandlas den differentiella insignalen till en laddning på en kondensator genom att insignalen styr gaten till den switch S1som öppnar och stänger så att kondensatorn kan laddas upp. En mindre insignal öppnar under kortare tid vilket ger en lägre laddning är en större insignal. Laddningen detekteras senare av en differentiell förstärkare med hög ingångsresistans. Principschema: Analog Insignal Modulator Demodulator Analog Utsignal Switchade kondensatorer
Här följer två blockscheman på ISO120 och ISO124.