Amplificatoare de masurare

Amplificatoare de masurare

Dintre circuitele electronice liniare (sunt acele circuite la care semnalul de iesire este proportional cu semnalul de intrare) cele mai folosite sunt amplificatoarele.

Un amplificator este un cuadripol activ, care are doua borne de intrare si doua borne de iesire, avand rolul de a dezvolta in circuitul de iesire o putere mai mare decat cea aplicata la intrare, fara a se modifica forma semnalului amplificat. Castigul de putere rezulta pe seama consumului de energie de la o sursa de alimentare.

In functie de natura marimilor de intrare si de iesire se disting patru tipuri de amplificatoare:

amplificatorul de tensiune, la care marimile de intrare si de iesire sunt tensiuni electrice;

amplificatorul de curent, la care marimile de intrare si de iesire sunt curenti electrici;

amplificatorul de transconductanta, la care marimea de intrare este tensiune, iar cea de iesire este curent;

amplificatorul de transimpedanta, la care marimea de intrare este curent, iar cea de iesire este tensiune.

Principalii parametrii ai unui amplificator sunt:

- amplificarile in putere, tensiune si in curent;

- impedantele de intrare si de iesire;

- puterea nominala;

- raportul semnal/zgomot.

In Fig.4.1 este prezentata schema echivalenta Thevenin pentru un lant de amplificare in tensiune, ce cuprinde sursa de semnal U_s cu rezistenta interna R_s si amplificatorul, care are la intrare tensiunea U_i si rezistenta R_i si furnizeaza la iesire tensiunea U₀ pe sarcina rezistiva R_L.

Fig. Sistem de amplificare in tensiune

S-a considerat ca circuitul de intrare al amplificatorului nu contine alte surse de curent sau de tensiune si este pur rezistiv. Circuitul echivalent de iesire al amplificatorului contine o sursa de tensiune de valoare AU_i si o rezistenta de iesire R₀. Amplificarea in tensiune a lantului este:

(4.1)

Aceasta relatie arata ca amplificarea globala este independenta de sursa de semnal si de sarcina doar daca R_i= si R₀=0, caz in care amplificarea lantului de amplificare devine egala cu amplificarea A a amplificatorului. Un astfel de lant de amplificare este ideal.

Caracteristicile de frecventa ale amplificatorului reprezinta dependentele: amplificare-frecventa si defazaj-frecventa. Dependenta amplificare-frecventa A=A(f), poarta denumirea uzuala de caracteristica de frecventa. Amplificatoarele pot avea forme variate ale caracteristici de frecventa (Fig.4.2), in care f_j este frecventa joasa de taiere, iar f_j este frecventa inalta de taiere.

In practica intereseaza domeniul de frecventa in care amplificarea este aproximativ constanta. Acest domeniu (interval) se numeste banda de trecere (de frecventa) a amplificatorului si se defineste ca fiind intervalul pe axa frecventelor, in care amplificarea nu variaza cu 3 dB fata de amplificarea de la frecventa medie a benzii. Scaderea cu 3 dB a amplificarii, la extremitatile benzii de trecere, este echivalenta cu scaderea amplificarii la valoarea , unde A₀ este amplificarea la frecventa medie a benzii si corespunde micsorarii la jumatate a puterii la iesirea amplificatorului.

Fig.4.2. Caracteristica de frecventa a unui amplificator,

pentru f_j 0 (a) si f_j=0 (b)

Obtinerea unor performante superioare pentru amplificatoare se poate realiza prin introducerea acestora in bucle de reactie negativa. Folosirea reactiei in amplificatoare presupune readucerea la intrarea amplificatorului a unei parti din semnalul de iesire prin bucla de reactie, in scopul modificarii caracteristicilor acestuia; daca semnalul adus prin bucla de reactie produce cresterea semnalului de intrare, reactia este pozitiva, iar in caz contrar, negativa. Reactia pozitiva este folosita la oscilatoarele electronice, in timp ce reactia negativa se foloseste pentru imbunatatirea performantelor amplificatoarelor.

In Fig.4.3 este prezentata schema bloc a unui amplificator cu reactie, format dintr-un amplificator cu amplificarea A si un circuit de reactie avand functia de transfer b. Din figura, rezulta ca pot fi scrise relatiile:

A=U_e/DU; b=U_r/U_e; DU=U_I - U_r (4.2)

Rezulta ca amplificarea amplificatorului cu reactie va fi:

(4.3)

Fig.4.3. Schema bloc a unui amplificator cu reactie

Daca amplificarea A a amplificatorului de baza este suficient de mare, astfel incat bA>>1, rezulta ca amplificarea amplificatorului cu reactie devine:

A_r = 1/b (4.4)

ceea ce arata ca, in acest caz, valoarea amplificarii amplificatorului cu reactie este independenta de valoarea amplificarii amplificatorului de baza si depinde numai de circuitul de reactie care se poate realiza cu elemente pasive precise.

Astazi, majoritatea amplificatoarelor sunt realizate sub forma integrata monolitica, cele mai reprezentative fiind amplificatoarele operationale.

In practica, este deseori utila exprimarea amplificarii in decibeli. Astfel, se defineste amplificarea de putere, in decibeli (dB):

(4.5)

unde P_i si P₀ sunt puterile la intrarea, respectiv iesirea amplificatorului.

Considerand ca rezistenta de sarcina de la iesirea amplificatorului este egala cu rezistenta de intrare a amplificatorului (R_L = R_i =R) se poate defini amplificarea de tensiune si respectiv amplificarea de curent in decibeli:

(4.6)

Se observa ca daca U₀ > U_i (la amplificatoare), atunci A_U > 0 iar daca U₀ < U_i (la atenuatoare), atunci A_U <

Scaderea amplificarii in tensiune cu 1/reprezinta o atenuare de -3dB. Astfel, valoarea atenuarii de - 3dB corespunde unui raport a tensiunilor de 1/:

=0,707=1/

Se observa ca daca rezistenta de sarcina de la iesirea amplificatorului este egala cu rezistenta de intrare a amplificatorului (R_L = R_i =R), amplificarea de tensiune si cea de curent sunt duble fata de amplificarea de putere. Totusi, amplificarea in decibeli poate fi exprimata si pentru R_i R_L, situatie aproape generala la amplificatoare cand R_i >> R_L.

Aplicatia 4.1

Sa se determine amplificarea de tensiune, de curent si de putere, in decibeli pentru un amplificator de tip repetor, cunoscand R_i = 10MW si R_L = 1KW

Amplificatorul fiind repetor, U₀=U_i si deci:

(4.7)

Se observa ca doar A_I = 2A_P.

In telecomunicatii se utilizeaza mult o marime relativa, adimensionala numita nivel de transmisie q, care de regula se exprima in dB (numita adesea si decibel relativ). Aceasta marime a aparut ca urmare a necesitatii alegerii unei referinte (termenul de la numitor), la exprimarea in dB a nivelului de transmisie si a nivelului sonor. Astfel, luand ca referinta P_i = P_r si U_i = U_r si notand P₀ = P si U₀ = U, nivelul de transmisie (in dB) se defineste prin:

(4.8)

ce reprezinta nivelul de putere (q_P) si nivelul de tensiune (q_U).

In telefonie (deci in audio frecventa AF) s-a generalizat ca referinta puterea P_r = 1mW disipata printr-un rezistor de 600W, ceea ce prescurtat se scrie 1mW/600W, careia ii corespunde o tensiune de referinta de

In radiocomunicatii (RF) referinta este de 1mW/50W, adica U_r = 0,224V.

Utilizarea puterilor de referinta (1mW) in asociere cu impedantele standard (600W in AF si 50W in RF), prezinta marele avantaj ca masurarea unei puteri se reduce la masurarea unei tensiuni (sau curent), operatie mult mai simpla si mai comoda. Aceste valori ale impedantelor (600W in AF si 50W in RF), corespund valorilor standard ale impedantelor caracteristice ale cuadripolilor utilizati in AF si respectiv RF. Voltmetrele de pe panoul generatoarelor de AF au de regula si o scara gradata in dB, insa pentru evitarea confuziilor, pe cadran se mentioneaza si referinta (de exemplu 1mW/600W sau 1mW/50W

In acustica se utilizeaza marimea numita nivel sonor (q_s), adimensionala, care se exprima in dB (relativi) prin relatia:

(4.9)

unde Y_r reprezinta intensitatea sonora de refetinta (egala cu 10^-16 W/cm², care corespunde pragului de audibilitate al urechii umane in banda de sensibilitate maxima de 1,5Hz2,5kHz). Decibelul definit in

referinta Y_r = 10^-16W/cm² se mai numeste si fon.

Exemple de nivele sonore:

vorbirea obisnuita 40dB;

ciocane pneumatice 70-80dB;

strada circulata din marile orase 60-80dB;

avion turbopropulsor, la 2-3m distanta 90-100dB.

1. Amplificatoare operationale (AO)

Reprezinta categoria cea mai raspandita de amplificatoare integrate, caracterizate prin amplificare mare in tensiune, impedanta mare de intrare, impedanta mica de iesire, stabilitate buna cu temperatura si cu tensiunea de alimentare.

Denumirea de "operationale" are doar o justificare istorica, primele astfel de amplificatoare fiind utilizate pentru realizarea unor operatii matematice: adunare, integrare, derivare, e.t.c.

Un AO este constituit din mai multe etaje de amplificare conectate in cascada. Deoarece AO este un circuit integrat, pentru a putea fi utilizat trebuie sa stim ce se afla in interiorul circuitului. Cu toate acestea, caracteristicile AO pot fi intelese suficient de bine avand doar cateva idei despre ce se afla in interiorul circuitului integrat.

Fig.4.4. Structura unui AO tipic

In Fig.4.4 este prezentata schema bloc a unui AO tipic. Etajul de intrare, alcatuit dintr-un amplificator diferential, prezinta avantajele unei rejectii de mod comun mari, unei intrari diferentiale si unei impedante mari de intrare (de ordinul megohmilor). Al doilea etaj este un amplificator de tensiune cu amplificare (castig) mare, compus din mai multe tranzistoare care sunt adesea conectate in perechi Darlington. Amplificarea in tensiune realizata de acest etaj depaseste 200.000, in c.c. Etajul de iesire este de regula un repetor pe emitor, care determina o impedanta mica de iesire pentru AO.

In Fig.4.5 este prezentata schema echivalenta a unui amplificator operational, care are doua intrari, intrarea inversoare " " si intrarea neinversoare "+", o iesire si un punct de masa. Alte borne servesc la alimentarea amplificatorului (cu potentiale simetrice +V si -V ), la echilibrarea tensiunii de decalaj (offset), la compensarea (modificarea) caracteristicii de frecventa a AO (prin circuite exterioare constand din capacitati si rezistente).

Fig.4.5.    Modelul practic pentru amplificatorul operational

Fig.4.6. Aspectul general (a) si reprezentarea in schemele electronice a unui AO

In Fig.4.6 este aratat aspectul general si modulul in care un AO se reprezinta in schemele electronice, iar in Fig.4.7 este prezentata caracteristica de transfer in tensiune (tensiunea de iesire u₀, in functie de tensiunea diferentiala de intrare u_d) a unui AO.

Fig.4.7. Caracteristica de transfer in tensiune a unui AO

Relatia de functionare a unui AO este:

u₀ = A₀(u_p-u_n) = A₀u_d (4.10)

Tensiunea u_d se numeste tensiune diferentiala de intrare si se regaseste pe rezistenta diferentiala de intrare R_d, iar A₀ este amplificarea in bucla deschisa a AO. Amplificarea este o functie de frecventa, A₀=A₀(f), si are valoarea maxima la f = 0 (A₀(0)=10³10⁶).

In regiunea centrala functionarea AO este liniara (tensiunea de iesire este proportionala cu tensiunea diferentiala de intrare) iar panta caracteristicii este amplificarea in tensiune A₀.

(4.11)

Pentru ca functionarea AO sa fie liniara, acesta trebuie sa lucreze numai in regiunea liniara a caracteristicii lui. Daca tensiunea diferentiala de intrare u_d creste astfel incat tensiunea de iesire se apropie pana la 1-2 V de tensiunea de alimentare +V ultimul etaj al AO se satureaza. Ca urmare, la cresterea in continuare a tensiunii u_d, tensiunea de iesire ramane constanta (u_o = U_OH). Acelasi lucru se intampla daca tensiunea de iesire scade apropiindu-se pana la 1-2 V de tensiunea -V. Limita superioara a tensiunii de iesire se numeste tensiune de saturatie pozitiva (U_OH) iar cea inferioara, tensiune de saturatie negativa (U_OL).

In Fig.4.8 este aratat modul practic de alimentare a unui AO.

Fig.4.8. Alimentarea unui AO.

Aplicatia 4.2

Sa se determine valoarea tensiunii de la iesirea AO din Fig.4.9, in doua situatii:

a) u_d=0,09mV

b) u_d=0,5mV

Fig.4.9. Schema si caracteristica de transfer a AO

Parametrii esentiali ai unui AO ideal sunt:

amplificarea in bucla deschisa infinita.

(4.12)

Rezulta u_p = u_n sau u_d = 0

impedanta de intrare infinita Z _i =

impedanta de iesire nula Z _e = 0 ;

tensiune de decalaj (de offset) nula V_off = 0.

S-a constatat ca atunci cand ambele intrari sunt scurtcircuitate la masa (u_d=0), tensiunea de iesire este diferita de zero (u ₀

Se numeste tensiune de decalaj (de offset), tensiunea care trebuie aplicata la intrare astfel incat la iesire, tensiunea sa fie nula. Tensiunea de decalaj are valori cuprinse intre 1mV si 10mV la AO de uz general si sub 1 mV, la cele de precizie.

curentii de decalaj si de polarizare de la intrare sunt nuli.

- Curentul de decalaj (offset):    I_off = i _n- i_p = 0

- Curentul de polarizare:    I_pol=1/2(i _n+i_p)=0

Din cele doua relatii rezulta : i _n = i_p = 0

factorul (raportul) de rejectie de mod comun infinit

RRMC =

In cazul ideal, tensiunea de iesire este data de relatia:

u₀ =A₀ (u_P - u _n) = A₀*u_d (4.13)

Fig.4.10. Comportarea reala a AO

Comportarea reala a AO difera, tensiunea de iesire cuprinzand doua componente, conform schemei de modelare a unui AO prezentata in Fig.4.9.

u₀ = A_d*u_d+A_mc*u_c    (4.14)

(4.15)

unde:

A_d - amplificarea diferentiala (utila);

A_mc - amplificarea de mod comun;

u_mc - tensiune de mod comun.

Factorul de rejectie de mod comun este deci raportul dintre amplificarea diferentiala si amplificarea pe modul comun.

(4.16)

In realitate astfel de parametrii ideali nu pot fi realizati, existand diferite tipuri de AO care au anumiti parametrii ce tind catre valorile ideale.

In Fig.4.11 este aratata schema echivalenta pentru un AO ideal.

Fig.4.11 Modelul ideal pentru AO.

In bucla deschisa AO sunt putin utilizate deoarece parametrii lor nu sunt stabili, depinzand de marimea semnalului de intrare, de temperatura, de tensiunea de alimentare etc. Prin utilizarea unei reactii se pot modifica proprietatile AO obtinandu-se o amplificare constanta, a carei valoare este determinata in special de parametrii elementelor din reactie.

2. Aplicatii ale AO cu reactie negativa

Intrucat amplificatoarele operationale sunt amplificatoare de tensiune, aplicatiile directe ale acestora sunt ca amplificatoare de tensiune. Modificand mai mult sau mai putin conexiunile de baza, se obtin alte circuite cu o mare diversitate de aplicatii. In scopul determinarii relatiilor de functionare pentru diferitele tipuri de configuratii de AO, vom considera amplificatoarele operationale ideale. Relatiile in cazul real difera putin de cazul ideal, dar sunt mult mai greu de obtinut.

Amplificator inversor

Fig.4.12. Amplificator inversor

Amplificarea in tensiune    a acestui amplificator este :

(4.18)

Se observa ca amplificarea este negativa, conexiunea inversoare inversand semnul tensiunii de iesire fata de semnul tensiunii de intrare. Impedanta de intrare:

(4.19)

Rolul rezistentei R este de a asigura rezistente egale fata de masa pentru cele doua intrari ale amplificatorului. Astfel, valoarea acesteia va fi egala cu valoarea in paralel a lui R₁ cu R₂.

(4.20)

Aplicatia 4.3

Sa se traseze graficul in timp al tensiunii la iesirea unui amplificator inversor, in doua situatii:

a)      v_i(t)=0,1sinwt; R₁=1kW; R₂=10kW V = 15V.

b)      v_i(t)=2sinwt; R₁=1kW; R₂=10kW V = 15V.

Amplificator neinversor

Fig.4.13. Amplificator neinversor

Amplificarea in tensiune:

(4.22)

este pozitiva, conexiunea neinversoare nu inverseaza semnul tensiunii.

Impedanta de intrare:

(4.23)

Rezistenta R are acelasi rol ca si in cazul anterior

Circuit repetor de tensiune

Fig.4.14. Repetor de tensiune

Repetorul de tensiune este adesea utilizat pentru eliminarea "efectului de sarcina". El se foloseste ca etaj tampon intre sursa de tensiune si sarcina atunci cand este necesar ca sursa de tensiune sa nu simta incarcarea produsa de sarcina.

Aplicatia 4.4

Sa se determine tensiunea pe rezistenta de sarcina in cazul celor doua divizoare de tensiune prezentate in Fig.4.15. Dar daca valoarea rezistentei de sarcina scade la 2k.

Fig.4.15. Divizoare de tensiune fara (a) si cu (b) AO

Amplificatorul diferential

Fig.4.16. Amplificator diferential

Pentru determinarea expresiei tensiunii de iesire functie de tensiunile de intrare se v-a aplica teorema superpozitiei. Astfel, se va considera initial ca tensiunea V_i2 = 0 si se va determina tensiunea de iesire V_e1 doar ca urmare a aplicarii la intrare a tensiunii V_i1. Apoi se va considera V_i1 = 0 si se va determina o tensiune de iesire V_e2 ca urmare a aplicarii la intrare a tensiunii V_i2. Tensiunea de iesire va fi data de relatia:

V_e = V_e1 + V_e2 (4.26)

Pentru V_i2 = 0 si V_i1 0 se pot scrie relatiile:

V_i1 = i₁R₁

V_e1 = -i₁R₂    (4.27)

V_e1 = -(R₂/R₁) V_i1

Pentru V_i1 = 0 si V_i2 0 se pot scrie relatiile:

V_i2 = i₂ (R₃+R₄)

V_e2 = -i₁ (R₁+R₂)    (4.28)

i₁R₁+ i₂R₄=0

i₂ = -(R₁/R₄) i₁

Din relatiile (4.28) rezulta:

(4.29)

Ca urmare tensiunea totala de iesire este:

(4.30)

Se observa ca pentru R₁ = R₃ si R₂ = R₄ tensiunea de iesire devine:

(4.31)

unde R₂/R₁ este amplificarea diferentiala

Circuit sumator

Fig.4.17. Circuit sumator

V_e= R*i = R (4.32)

Circuit integrator

Fig.4.18. Circuit integrator

Aplicatia 4.5

Sa se traseze graficul tensiunilor la intrarea si la iesirea unui circuit integrator, daca tensiunea aplicata la intrare este sub forma unor impulsuri dreptunghiulare.

Circuit derivator

Fig.4.19. Circuit derivator

Aplicatia 4.6

Sa se traseze graficul tensiunilor la intrarea si la iesirea unui circuit derivator, daca tensiunea aplicata la intrare este sub forma unor impulsuri dreptunghiulare.

3. Amplificatoare instrumentale (AI)

Pentru amplificarea unor tensiuni mici in prezenta unor tensiuni de mod comun mari, furnizate de punti de masura, termocupluri sau alte traductoare, montate la distanta fata de punctul de citire si prelucrarea datelor, in tehnica masurarii se utilizeaza asa numitele amplificatoare instrumentale (sau de masura). Acestea sunt amplificatoare diferentiale, concepute si realizate sa functioneze in circuit inchis, elementele de reactie necesare fiind incluse in structura circuitului integrat. In exteriorul circuitului integrat se conecteaza numai o rezistenta (sau o pereche de rezistente) prin care se obtine factorul de amplificare dorit, fara a influenta alti parametrii, cum ar fi impedanta de intrare sau factorul de rejectie de mod comun. Pe de alta parte, AI permit realizarea de performante superioare AO, referitor la impedanta de intrare, tensiunea de decalaj si deriva termica, liniaritatea, stabilitatea si precizia factorului de amplificare.

Fig.4.20. Amplificator instrumental

Schema cea mai raspandita de amplificator instrumental contine trei AO si este prezentata in Fig.4.20. Amplificatoarele operationale A₁ si A₂ formeaza un prim etaj de amplificare. Acesta realizeaza impedante mari de intrare pentru sursele de semnal u_i1 si u_i2, deoarece atat A₁ cat si A₂ sunt in montaj neinversor. Cel de-al doilea etaj, realizat cu A₃, este un amplificator diferential. Considerand cele trei AO ideale, relatiile de functionare ale AI din Fig.4.20 sunt:

u_d = i(2R₁+R_G) (4.35)

u_i2 - u_i1 = iR_G (4.36)

(4.37)

(4.38)

Amplificarea totala este deci:

(4.39)

Aplicatia 4.7

Sa se determine tensiunea la iesirea celor doua AI din Fig.4.21.

Fig.4.21. AI cu doua AO

In Fig.4.22. este prezentat un amplificator instrumental de transconductanta ce furnizeaza la iesire un curent I₀ proportional cu tensiunea diferentiala de intrare.

Se pot scrie urmatoarele relatii:

I = (U₁ - U₂)/R (4.40)

U_D = - I(2R₃+R) (4.41)

Din cele doua relatii rezulta:

(4.42)

De asemenea:

U_D = I₂R₁ - I₁R₁ = R₁(I₂ - I₁) (4.43)

I₁R₂ + I₃R₂ = 0 T I₃ = - I₁    (4.44)

I₀ = I₂ + I₃ = I₂ - I₁ (4.45)

Din relatiile 4.43 si 4.45 rezulta:

I₀ = U_D/R₁ (4.46)

si tinand seama de relatia 4.42 rezulta expresia curentului de iesire:

(4.47)

Fig.4.22. Amplificator instrumental de transconductanta

4. Amplificatoare cu modulare - demodulare (AMD)

Pentru masurarea unor tensiuni sau curenti continui de valori foarte mici (V respectiv pA), amplificatoarele de c.c. cu cuplaj direct, datorita tensiunii de decalaj si datorita derivei cu temperatura, nu pot asigura precizia necesara. In astfel de situatii se recurge la folosirea AMD, care prin transformarea semnalului continuu in alternativ si amplificarea in aceasta forma elimina erorile mentionate.

Fig.4.23. AMD cu "chopper"

Fig.4.24. Formele de unda ale tensiunilor pentru un AMD

Schema de principiu si formele de unda ale tensiunilor pentru un AMD cu "chopper" sunt prezentate in Fig.4.23 respectiv Fig.4.24. Tensiunea continua U_i este modulata in impulsuri dreptunghiulare de frecventa f_e, cu ajutorul comutatorului k₁ actionat de oscilator. Condensatorul C_i rejecteaza componenta continua 2¹ si semnalul alternativ 2 ramas, de amplitudine U/2 este amplificat de amplificatorul de curent alternativ ACA.

Condensatorul C_e rejecteaza eventuala componenta continua introdusa de amplificator. Semnalul amplificat 3 este demodulat cu ajutorul lui k₂, comandat sincron cu k₁ de la acelasi oscilator. R₂C₂ alcatuieste un filtru trece jos care lasa sa treaca numai semnalul continuu de amplitudine A*(U/4), blocand semnalul 4¹. R₁C₁ alcatuieste tot un filtru trece jos pentru reducerea zgomotelor parazite.

Din punct de vedere constructiv k₁ si k₂ pot fi mecanice sau electronice. In prima categorie intra releele care au avantajul unor caracteristici foarte bune la semnale mici (R_i=0 si R_d= ) dar fiabilitate si frecventa de comutare scazuta. Comutatoarele electronice sunt de diverse tipuri: cu tranzistoare bipolare, cu TEC sau MOS. Comutatoarele electronice asigura frecvente de comutare mult mai mari decat cele mecanice dar R_i si R_d se abat sensibil de la valorile ideale.

5. Amplificatoare de izolare

Sunt amplificatoare de masurare care pe langa avantajele obisnuite ale amplificatoarelor instrumentale, prezinta in plus si o izolare galvanica intre intrare, iesire si sursa de alimentare. Izolarea galvanica asigura protectia componentelor sistemului de masurare si a personalului de exploatare fata de tensiunile ridicate ce pot sa apara in cadrul procesului de masurare si de asemenea, permite intreruperea buclelor de masa cu consecinta reducerii perturbatiilor.

Fig.4.25. Schema de principiu a unui amplificator de izolare

In Fig.4.25, izolarea galvanica intre intrare, iesire si sursa de alimentare este pusa in evidenta prin utilizarea de simboluri de conectare la masa diferite pentru cele trei componente ale unui amplificator de izolare. Transferul semnalului de la amplificatorul de intrare la cel de iesire se poate realiza prin cuplaj inductiv sau optic. Cuplajul inductiv se realizeaza cu ajutorul unor transformatoare miniaturale ce lucreaza la frecvente de 10²-10⁶ Hz si cu izolarea infasurarilor pentru tensiuni de 1-5 kV. Pentru cuplajul optic se utilizeaza ansambluri de diode electroluminiscente cu fotodiode sau cu fototranzistoare, cu tensiuni de izolare de 1-2,5 kV. Prin intercalarea unui cablu optic intre cele doua elemente ale fotocuplorului se pot obtine tensiuni de izolare de ordinul 10²-10³ kV. De asemenea, cuplajul optic prezinta o banda de frecventa de lucru mai mare decat cuplajul inductiv, in timp ce cuplajul inductiv permite obtinerea unor amplificatoare cu liniaritate mai buna decat cel optic.

In Fig.4.26 este prezentata o schema de principiu a unui amplificator de izolare cu cuplaj optic, ce cuprinde doua fotocuploare FC₁ si FC₂. Fiecare circuit fotocuplor este constituit dintr-o dioda electroluminiscenta si un fototranzistor.

Curentii de colector corespunzatori celor doua fototranzistoare sunt dati de relatiile:

(4.48)

Fig.4.26. Amplificator de izolare cu cuplaj optic

Deoarece cele doua LED-uri sunt conectate in serie, rezulta I₁ = I₂ si ca urmare functia de transfer a amplificatorului de izolare este:

(4.49)