Analoge Isolation vs. digitale Isolation

Als allgemeine Faustregel gilt, dass die AC-Netzspannung immer durch einen Transformator oder eine Art Trennvorrichtung isoliert werden sollte. Es sollte auch eine Möglichkeit geben, sowohl den Strom (Sicherung) als auch die Spannung (TVS oder MOV) auf jeder Leitung zu begrenzen.

Abhängig von Ihren Plänen für diese Anwendung und dem Ort, an dem Sie sie verkaufen möchten, müssen Sie wahrscheinlich eine Art UL- oder CE-Zertifizierung durchlaufen. Werfen Sie einen Blick auf IEC 61010. Dieses Dokument deckt viele der erforderlichen grundlegenden Tests ab.

Wenn Sie Entscheidungen über die erforderliche Isolierung treffen, müssen Sie die Umgebung (Labortisch, draußen, kann es nass werden?), das Gehäuse, die Abstände und was passiert, wenn etwas schief geht, mindestens berücksichtigen. Angenommen, ein Widerstand oder eine Diode im Design fällt kurz aus, entzündet Ihr Design ein Feuer? Wenn etwas Feuer gefangen hat, konnte sich das Feuer über die Kiste ausbreiten? Könnte jemand einen Schock erleiden, wenn er die Box berührt, wenn sich ein Draht löst? Dies sind Dinge, über die Sie nachdenken müssen, bevor Sie versuchen, die Netzspannung zu messen. Sie bestimmen auch das Ausmaß der erforderlichen Isolierung.

Um die ursprüngliche Frage zu beantworten, bei der es um die Kosten ging. Ich habe beide Ansätze ausprobiert. Beides funktioniert, aber ich bevorzuge normalerweise die digitale Isolation. Bei älteren Produkten wurde die Isolierung normalerweise im analogen Raum durchgeführt. Das Front-End war typischerweise ein differentieller Operationsverstärker mit mehreren großen Widerständen in Reihe mit den Eingängen mit Schutzdioden, gefolgt von einem ISO124 zur galvanischen Trennung. Ein ISO124 ist kein billiges Teil (19,85 $), aber es hat sich bewährt. Es gibt Einschränkungen wie Bandbreite und Offset-Spannung, die berücksichtigt werden müssen. Es ist auch bipolar. Viele MCU AtoDs können keine Spannung unter 0 V verarbeiten. Da Sie ein AC-Signal messen, müssen Sie möglicherweise einen separaten AtoD verwenden.

Die wirklich billigen Isolations-Operationsverstärker sind normalerweise für die Strommessung über einen Shunt gedacht und haben einen kleinen Eingangsbereich. Obwohl Sie das Eingangssignal mit Präzisionswiderständen herunterteilen können, wird das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt. Auch die Verstärkung kann von Kanal zu Kanal variieren. Dies kann ein Problem für Ihre Anwendung sein oder auch nicht. Es hängt von der Genauigkeit ab, die Sie erreichen möchten. Der kleine Eingangsbereich war normalerweise ein Problem für mich, daher habe ich diesen Ansatz nicht ausprobiert, obwohl er funktionieren könnte.

Ich habe es auch mit digitaler Isolierung versucht. Digitale Isolatoren sind reichlich vorhanden und billig. Ich habe persönlich digitale Isolatoren für CAN-Bus, I2C und SPI verwendet. Ein typisches Frontend ist normalerweise eine Art Filterschaltung, gefolgt von einem Operationsverstärker und dann AtoD. Der AtoD wird mithilfe des digitalen Isolators von der MCU isoliert. Da der AtoD dem Isolator vorgeschaltet ist, muss das Quantisierungsrauschen des Isolators nicht berücksichtigt werden. Dies erzeugt eine genauere Messung mit einer größeren Bandbreite.

Ein letzter Punkt. Sicherheit geht immer vor Kosten und sollte Ihr Hauptanliegen sein.

Angesichts der lächerlich niedrigen Preise von MCUs mit anständigen integrierten ADCs wäre der einfachste Weg, dies zu tun, eine digitale Isolierung zwischen MCUs vorzunehmen. Behandeln Sie einfach einen kleinen Ein-Chip-Mikrocontroller als "kundenspezifischen" ADC und digitalen Modulator in einem. Auf diese Weise haben Sie die volle Flexibilität bei der Wahl des Formats des isolierten digitalen Signals, das Ihren Anforderungen entspricht.

Wenn Sie beispielsweise nur den RMS-Wert messen müssen, können Sie den ADC mit maximaler Geschwindigkeit betreiben und den Durchschnitt zwischen Nulldurchgängen berechnen und nur diesen Wert über eine langsame Verbindung an die isolierte Seite senden, indem Sie einen billigen Optokoppler verwenden, der direkt von angetrieben wird die MCU. Die MCU und der Optokoppler haben einen sehr geringen Stromverbrauch, daher können Sie sie direkt von der zu überwachenden Netzleitung mit einem Reihenkondensator, einem Widerstand und einem billigen Shunt-Spannungsregler versorgen, vielleicht würde nur eine Zenerdiode ausreichen. Der ungefähre Preis für die Hochspannungsseite könnte nur etwas über 10 US-Dollar in einer Menge von 100 oder so liegen.

Gibt es einen Grund, nicht einfach einen Miniatur-Netztransformator für die Leiterplattenmontage am Eingang des Dings zu verwenden und die Sekundärseite zu messen? Sofortige Isolierung, kein Bedarf an Strom auf der Nicht-Iso-Seite der Barriere, leicht erhältlich mit jeder gewünschten Sicherheitszertifizierung und günstig....

Wenn Sie nun versuchen, detaillierte Oberschwingungen oder schnelle transiente Ereignisse zu messen, reicht dies möglicherweise nicht aus, aber für viele Anwendungen ist ein Miniatur-Netztransformator für die Leiterplattenmontage durchaus geeignet, ein bescheidener Lastwiderstand auf der Sekundärseite hilft in den meisten Fällen bei der Leistung.

In Bezug auf die digitale Isolierung leistet ein Jellybean 6N137 je nach benötigter Geschwindigkeit etwa 30 KBaud, und heutzutage gibt es einige sehr kleine Mikros, um den ADC-Ausgang in etwas Asynchrones zu codieren, das den Opto passieren wird ...

Auf der analogen Seite sollten Sie Dinge wie die IL300 nicht außer Acht lassen, alte Schule, aber immer noch sehr nützlich.

Und ja, Chipanbieter neigen dazu, Whitepaper zu veröffentlichen, in denen ihre Lösungen bevorzugt werden, ähnlich wie die Marketingabteilung die Titelseite des Datenblatts schreibt ....

Ich würde vorschlagen, dass Sie Ihr Design zunächst auf die erforderliche U / L-zertifizierte Isolierung zentrieren. Wählen Sie einen wirklich anständigen Optoisolator mit U/L-Bewertung wie den OPI1268S: http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Optek%20PDFs/OPI1268S_Brief.pdf
Sie haben bereits ein anständiges Netzteil ausgewählt.

Jetzt können Sie Ihr gesamtes Messfrontend (Mikro und A/D) auf Netzspannung schweben lassen. Es scheint, dass Sie kein Hochgeschwindigkeits-A / D (aus Ihrer Auswahl) benötigen, und wenn Sie mit einem 10-Bit-A / D auskommen, können Sie etwas so Einfaches wie einen Arduino Nano für das Frontend verwenden und dann den Optoisolator ansteuern zu Ihrem Backend.

Teile: 4,50 $ für isolierte Stromversorgung für isolierten Abschnitt (z. B. R1SE-0505-R) (1-kV-Isolierung U/L-zertifiziert)
2 $ Präzisions-Verstärkungs-/Offset-Widerstände
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 Isolation U/L zertifiziert)

Über das Bild (nicht verstehen? ) mit den Widerständen R4 und R3 bei 250 V AC, Spitze 400 V DC). Beachten Sie, dass Widerstände mit einer Nennspannung angegeben sind (... 100 V ?) ... wenn Sie SMD-Teile verwenden ... Überprüfen Sie, ob 2 Widerstände ausreichen.

Warum nicht eine Übertragung durch nRF-Schaltkreise verwenden? Alle Probleme werden über Isolierung gelöst.