Designziele

Designbeschreibung

Dieser Schaltkreis führt eine isolierte Spannungsmessung von Leitung zu Leitung mithilfe des isolierten AMC3330-Verstärkers und eines Spannungsteilerschaltkreises durch. Die Line-to-Line-Messung erfolgt zwischen zwei 277 V_-AC- Quellen, die um 120 Grad phasenverschoben sind. Der Spannungsteilerschaltkreis reduziert die Line-to-Line-Spannung von ±480 V auf ±1 V, was dem Eingangsspannungsbereich des AMC3330 entspricht. Der AMC3330 kann Differenzsignale von ±1 V mit einer festen Verstärkung von 2 V/V messen. Der AMC3330 weist eine differenzielle Eingangsimpedanz von 1,2 GΩ und einen niedrigen Eingangsruhestrom von 2,5 Na auf, welche die Erfassung von Signalen mit geringem Verstärkungsfehler und geringem Offset-Fehler in Hochspannungsanwendungen unterstützen.

Durch Verwendung der Split-Tap-Konfiguration in einem symmetrischen dreiphasigen Wechselspannungssystem sind zwei Line-to-Line-Spannungsmessungen ausreichend, um alle drei Line-to-Neutral-Spannungen durch Ableitung zu messen.

Designhinweise

1. Der AMC3330 eignet sich aufgrund seiner hohen Eingangsimpedanz und des geringen Eingangsruhestroms optimal für Spannungsmessanwendungen, wodurch DC-Fehler minimiert werden. Die integrierte isolierte Stromversorgung und der bipolare Eingangsspannungsbereich machen den AMC3330 zur idealen Lösung für die AC-Strommessung.
2. Überprüfen Sie den linearen Betrieb des Systems für den gewünschten Eingangssignalbereich. Dies wird mithilfe der Simulation im Abschnitt Merkmale der Gleichstromübertragung überprüft.
3. Stellen Sie sicher, dass die im Widerstandsteilerschaltkreis verwendeten Widerstände in der Lage sind, die Quelleneingangsspannung auf den Eingangsspannungsbereich von AMC3330 von ±1 V zu reduzieren.
4. Stellen Sie sicher, dass die im Widerstandsteilerschaltkreis verwendeten Widerstände über ausreichende Betriebsstrom- und Spannungswerte verfügen.
5. Überprüfen Sie, dass der Eingangsstrom von AMC3330 weniger als ±10 mA beträgt, wie in der Tabelle der absoluten Grenzdaten im Datenblatt angegeben.

Designschritte

1. Berechnen Sie die gesamte Line-to-Line-Spannung (V_LL) zwischen den beiden 277 V_-AC- Quellen, die im Abstand von 120 Grad liegen.
   $V_{LL}=\sqrt{3}\times 277 V=480 V$
2. Berechnen Sie das Verhältnis der Leitungsspannung zur Eingangsspannung des AMC3330 für den Spannungsteilerschaltkreis.
3. $Ratio=\frac{{1 V}_{AMC330,input}}{480 V}=0.0020833$
4. Wählen Sie 1 MΩ-Widerstände für R₁, R₂, R_1'und R_2'. Berechnen Sie anhand des Verhältnisses aus dem vorherigen Schritt und der folgenden Spannungsteilergleichung den äquivalenten Messwiderstand R_sense, der erforderlich ist, um die Eingangsspannung von AMC3330 auf ±1 V zu verringern
   $0.0020833=\frac{R_{sense}}{R_1+R_2+R_{1\text{'}}+R_{2\text{'}}+R_{sense}}=\frac{R_{sense}}{4 M\mathrm{\Omega }+R_{sense}}$
   $R_{sense}=\frac{8333.2 \mathrm{\Omega }}{1-0.0020833}=8350.6 \mathrm{\Omega }$
5. Für die Split-Tap-Konfiguration werden zwei äquivalente Messwiderstände benötigt, R_S und R_S'. Ermitteln Sie mit Hilfe des Taschenrechners für Analogingenieure den nächstliegenden Standardwert für R_S und R_S'.
   $R_S=R_{S\text{'}}=\frac{R_{sense}}{2}=\frac{8350.6 \mathrm{\Omega }}{2}=4175.3 \mathrm{\Omega }=4.17 k\mathrm{\Omega }$
6. Berechnen Sie den Strom, der durch den Spannungsteilerschaltkreis von der Spannungsquelle fließt, um sicherzustellen, dass die Verlustleistung die Nennwerte des Widerstands nicht überschreitet. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Überlegungen für Hochspannungsmessungen.
   $I_{AMC330,input}=\frac{V}{R}=\frac{480 V}{4\times 1 M\mathrm{\Omega }+2\times 4.17 k\mathrm{\Omega }}=0.039 mA$
7. Da die Verstärkung des Spannungsteilers $\frac{1}{480}$ beträgt und der Verstärkungsfaktor des AMC3330 2 beträgt, kann die Ausgangsspannung mit der Übertragungsfunktionsgleichung bei einer Eingangsspannung von 480 V berechnet werden,
   Gleichung 37. $V_{OUT}=Gain\times V_{IN}$
   $V_{OUT}=\frac{1}{480}\times 2\times 480 V=2 V$

DC-Übertragungskennlinie

Die folgende Abbildung zeigt den simulierten Differenzausgang des AMC3330 bei einem Eingang von ±800 V. Die Ausgangsspannung beträgt bei einer Eingangsspannung von 480 V ca. 2 V, wie auf der vorherigen Seite errechnet.

AC-Übertragungskennlinie

Die simulierte Verstärkung beträgt –47,62 dB und entspricht damit weitgehend der erwarteten Verstärkung für den Spannungsteiler und AMC3330.

Simulationsergebnisse

In der folgenden Simulation werden die Eingangs- und Ausgangssignale des AMC3330 gezeigt.

Designreferenzen

1. Excel-Rechner Für Spannungsmessung bei Isolierten Verstärkern
2. Analog Engineer's Circuit Cookbooks
3. TI Precision Labs – Operationsverstärker
4. TI Precision Labs – Analog-zu-Digital-Wandler

Design vorgestellter isolierter Operationsverstärker

Design alternativer isolierter Operationsverstärker