Was ist ein Trennverstärker?
Ein Trennverstärker ist ein Verstärker, der in der Lage ist, Signale zu übertragen und gleichzeitig eine elektrische Isolierung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen zu gewährleisten.
Trennverstärker werden in die Eingangs- und Ausgangsschaltungen von Leiterplatten, wie z. B. Mikrocomputer-Steuerplatinen, eingebaut und können eingehende Signale von der Außenwelt gleichstrommäßig isolieren, was genaue Messungen ermöglicht. Als solche werden sie im Allgemeinen in Messinstrumenten und medizinischen Geräten eingesetzt.
Sie dienen auch der Sicherheit des Benutzers. Zu den Merkmalen gehören der Schutz gegen elektrischen Schlag, die Signalaufspaltung, Maßnahmen gegen hohe Erdpotentiale und Rauschen.
Anwendungen von Trennverstärkern
Trennverstärker beseitigen durch hohe Erdpotenziale verursachte Rückströme und schützen die Stromversorgung. Sie können auch in Umgebungen mit vielen Störquellen eingesetzt werden. Konkrete Einsatzmöglichkeiten sind.
- Schienenfahrzeuge
Überwachung von Oberleitungsspannung und -strom, Überwachung von Antriebssystemen, Steuersignalschnittstellen zwischen Fahrzeugen, usw. - Stromerzeugungsanlagen
Schnittstellen zwischen Stromerzeugungs- und Steuereinheiten, Überwachung der Klemmenspannung jeder Batteriezelle und jeder in Reihe geschalteten Solarzelle, Übertragung von Steuersignalen für Stromaufbereiter usw. - FA-bezogen
Schnittstellen zwischen verschiedenen Sensoren und Steuergeräten, Übertragung von Steuersignalen für große Stromversorgungen, usw. - Andere
Medizinische Geräte, Geräte für die Halbleiterherstellung, Kommunikationsgeräte, Messgeräte usw.
Durch den Einbau an wichtigen Punkten des Stromkreises dienen sie als Sicherheitsmaßnahme, um den Benutzer im Falle eines Geräteausfalls vor einem Stromschlag zu schützen.
Funktionsweise der Trennverstärker
Ein Trennverstärker ist ein Verstärkertyp, der Schaltkreise unter vollständiger Trennung und Isolierung betreibt, sodass die Schaltkreise nicht in beide Richtungen durch Erdung oder gemeinsame Stromversorgung beeinflusst werden. Die wichtigsten Signalübertragungsmethoden sind optisch, magnetisch und kapazitiv, wobei die magnetische Methode wie folgt funktioniert.
Das Eingangssignal des Trennverstärkers gelangt zunächst in den Pufferverstärker 1 auf der Eingangsseite. Dieser Verstärker weist eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz auf. Ein ähnlicher Trennverstärker 2 ist auf der Ausgangsseite des Trennverstärkers vorgesehen.
Zwischen den beiden Pufferverstärkern befindet sich eine Trennschaltung, wobei die Eingangs- und die Ausgangsseite DC-mäßig vollständig voneinander isoliert sind. In der Trennschaltung befindet sich ein Signaltransformator mit Schaltelementen, die an die Primär- bzw. Sekundärspule angeschlossen sind. Eine synchrone Gleichrichtung ist möglich, indem die beiden Schaltelemente gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.
Die Synchrongleichrichtung überträgt dann eine Spannung an die Sekundärseite, die der in die Primärseite eintretenden Signalspannung entspricht. Selbst wenn die Primär- und die Sekundärseite eines Signaltransformators vollständig isoliert sind, kann das Signal daher immer noch der Sekundärseite entnommen werden.
Merkmale von Trennverstärkern
Trennverstärker zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:
- Kein Leckstrom von der Ausgangsseite zur Eingangsseite, sodass keine Gefahr eines Stromschlags besteht und die Sicherheit gewährleistet ist.
- Signalverstärkung von Hochspannungsabschnitten ist möglich, da der Verstärker auch dann arbeitet, wenn zwischen Eingang und Ausgang hohe Spannungen vorhanden sind.
- Funktioniert auch bei extrem hohem Rauschen zwischen Eingang und Ausgang und ermöglicht die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen.
- Hohe Spannungsfestigkeit. (Viele Produkte sind mehrere tausend Volt belastbar).
Weitere Informationen zu Trennverstärker
1. Spannungsversorgung für Trennverstärker
Trennverstärker haben neben dem Signaltransformator auch einen Leistungstransformator. Auf der Primärseite des Leistungstransformators wird eine Rechteckwelle aus dem Oszillator eingespeist und die gleiche Rechteckwelle auf der Sekundärseite erzeugt.
Die Oszillatorfrequenz ist so eingestellt, dass sie dem Frequenzgang des Trennverstärkers entspricht – ein Rechteckoszillator von etwa 50 kHz bis 100 kHz. Die Spannung des Leistungstransformators treibt die Schaltelemente auf der Primär- bzw. Sekundärseite an.
Die Primär- und Sekundärseite des Leistungstransformators sind ebenfalls galvanisch getrennt. Die Stromversorgung der primären und sekundären Trennverstärker erfolgt ebenfalls über die Primär- und Sekundärseite des Leistungstransformators.
2. Optokoppler für Trennverstärker
Erfolgt die Signalübertragung des Trennverstärkers optisch, wird ein Optokoppler eingesetzt. Dieser Optokoppler ist ein optisches IC, das in Trennverstärkerschaltungen verwendet wird, wenn der Eingang und der Ausgang vollständig in einem isolierten Stromkreis miteinander schweben oder wenn Signale mit unterschiedlichen Potentialen erfasst werden.