مكبر عزل
مضخمات العزل هي نوع من المضخمات التفاضلية التي تسمح بقياس الإشارات الصغيرة في وجود جهد الوضع المشترك العالي، وذلك بتوفير عزل كهربائي وحاجز أمان كهربائي. تحمي هذه المضخمات مكونات جمع البيانات من جهود الوضع المشترك ، وهي فروق الجهد بين أرضي الجهاز وأرضي الإشارة. عند استخدام الأجهزة في وجود جهد الوضع المشترك دون حاجز عزل، تسمح تيارات الأرض بالدوران، مما يؤدي في أفضل الأحوال إلى تمثيل مشوش للإشارة قيد الدراسة. وفي أسوأ الأحوال، بافتراض أن مقدار جهد أو تيار الوضع المشترك كافٍ، فمن المرجح تلف الجهاز. تُستخدم مضخمات العزل في الأجهزة الطبية لضمان عزل المريض عن تيار التسرب من مصدر الطاقة. [ 1 ]
تسمح المضخمات المزودة بحاجز عزل لطرفها الأمامي بالتحرك بحرية بالنسبة لجهد الوضع المشترك حتى حد جهد انهيار الحاجز، والذي غالبًا ما يكون 1000 فولت أو أكثر. يحمي هذا الإجراء المضخم والجهاز المتصل به، مع الحفاظ على دقة قياس معقولة.
تُستخدم هذه المضخمات أيضًا لتضخيم الإشارات منخفضة المستوى في التطبيقات متعددة القنوات . كما أنها تُزيل أخطاء القياس الناتجة عن حلقات التأريض . وتُغني المضخمات المزودة بمحولات داخلية عن الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي معزول . وعادةً ما تُستخدم كواجهات تناظرية بين الأنظمة ذات التأريض المنفصل .
قد تتضمن مضخمات العزل مصادر طاقة معزولة لكل من مرحلتي الإدخال والإخراج، أو قد تستخدم مصادر طاقة خارجية في كل جزء معزول. [ 1 ]
المفاهيم
مكونات مصدر الإشارة
تتكون جميع مصادر الإشارة من عنصرين رئيسيين. يُمثل عنصر الوضع الطبيعي (V<sub> NM</sub> ) الإشارة المراد قياسها، وهو الجهد المُطبق مباشرةً على مدخلات المُضخّم. أما عنصر الوضع المشترك (V<sub> CM</sub> ) فيُمثل فرق الجهد بين الطرف السالب لعنصر الوضع الطبيعي والأرضي للمُضخّم، ويُستخدم لقياس الإشارة المراد قياسها (جهد الوضع الطبيعي).
في العديد من حالات القياس، يكون مُكوّن الوضع المشترك منخفضًا بشكل غير ذي أهمية، ولكنه نادرًا ما يكون معدومًا. غالبًا ما تُصادف مُكوّنات الوضع المشترك التي لا تتجاوز بضعة ميلي فولتات، ويتم تجاهلها إلى حد كبير وبنجاح، خاصةً عندما يكون مُكوّن الوضع الطبيعي أكبر بكثير.
أول مؤشر على تنافس مقدار جهد الوضع المشترك مع مُركّبة الوضع الطبيعي هو ظهور ضوضاء في الأخيرة عند مخرج المُضخّم. لا تستدعي هذه الحالة عادةً استخدام مُضخّم عزل، بل مُضخّم تفاضلي . وبما أن مُركّبة الوضع المشترك تظهر في آنٍ واحد وبطورٍ مُتوافق على كلا مدخلي المُضخّم، فإن المُضخّم التفاضلي، ضمن حدود تصميم المُضخّم، قادر على رفضها.
ومع ذلك، إذا تجاوز مجموع جهد الوضع العادي وجهد الوضع المشترك نطاق الوضع المشترك لمضخم التفاضل، أو النطاق الأقصى دون حدوث ضرر، فإن الحاجة إلى مضخم عزل تصبح ثابتة.
مبادئ التشغيل
تتوفر مضخمات العزل تجارياً كدوائر متكاملة هجينة من إنتاج عدة شركات مصنعة. وهناك ثلاث طرق لتوفير العزل.
يعتمد مضخم الصوت المعزول بالمحول على اقتران إشارة حاملة عالية التردد بين المدخل والمخرج بواسطة محول. تتضمن بعض الطرازات أيضًا وحدة تغذية طاقة معزولة بالمحول، والتي يمكن استخدامها لتشغيل أجهزة معالجة الإشارات الخارجية على الجانب المعزول من النظام. يختلف عرض النطاق الترددي المتاح حسب الطراز، ويتراوح عادةً بين 2 و20 كيلوهرتز. يحتوي مضخم العزل على محول جهد إلى تردد موصول عبر محول إلى محول تردد إلى جهد. يتم توفير العزل بين المدخل والمخرج بواسطة العزل الموجود على ملفات المحول.
يقوم مضخم معزول بصريًا بتعديل التيار المار عبر مُقترن ضوئي ثنائي باعث للضوء (LED) . وتتحسن الخطية باستخدام مُقترن ضوئي ثانٍ ضمن حلقة تغذية راجعة. توفر بعض الأجهزة نطاق تردد يصل إلى 60 كيلوهرتز. ويتم توفير العزل الجلفاني عن طريق تحويل التيار الكهربائي إلى تدفق ضوئي عبر الفراغ بين الثنائي الباعث للضوء والكاشف، بغض النظر عن الوسط الفاصل.
تتمثل الاستراتيجية الثالثة في استخدام مكثفات صغيرة لربط موجة حاملة عالية التردد مُعدَّلة؛ إذ يمكن لهذه المكثفات تحمُّل جهد التيار المستمر أو جهد التيار المتردد عالي التردد، مع توفير الربط اللازم لإشارة الموجة الحاملة ذات التردد الأعلى بكثير. بعض النماذج التي تعمل بهذا المبدأ قادرة على تحمُّل جهد يصل إلى 3.5 كيلوفولت، وتوفير نطاق ترددي يصل إلى 70 كيلوهرتز. [ 1 ]
مخطط كتلي لمضخم معزول بمحول
رسم تخطيطي نموذجي لمضخم معزول بصريًا
دائرة مكبر صوت هجين معزولة بصريًا (من شركة بور براون ) مع فجوة العزل الظاهرة في الدائرة المفتوحة على اليمين
مخطط كتلي لمضخم عزل مقترن بمكثفات
استخدام مكبرات العزل
تُستخدم مضخمات العزل لقياس الإشارات الصغيرة في وجود جهد الوضع المشترك العالي. وتعتمد سعة مضخم العزل على مواصفتين أساسيتين:
- يُحدد جهد انهيار العزل للمضخم الحد الأقصى المطلق لجهد الوضع المشترك الذي يتحمله دون تلف. وتُعدّ المواصفات التي تبلغ 1000 فولت أو أكثر شائعة.
- نسبة رفض الوضع المشترك للمضخم (CMRR). تحدد مواصفات CMRR مدى تأثير جهد الوضع المشترك على قياس مكون الوضع العادي، وبالتالي على دقة القياس.
قد يؤثر تردد جهد الوضع المشترك سلبًا على الأداء. فجهود الوضع المشترك ذات الترددات العالية تُسبب صعوبةً للعديد من مُضخّمات العزل نظرًا للسعة الطفيلية لحاجز العزل. تظهر هذه السعة كمقاومة منخفضة لإشارات الترددات العالية، مما يسمح لجهد الوضع المشترك بتجاوز الحاجز والتداخل مع القياسات، أو حتى إتلاف المُضخّم. مع ذلك، فإن معظم جهود الوضع المشترك هي مُركّبة من جهود الخط، لذا تبقى الترددات عمومًا في نطاق 50 إلى 60 هرتز مع بعض التوافقيات، وهو نطاق يقع ضمن نطاق رفض معظم مُضخّمات العزل.
مضخمات تفاضلية
لا يوفر مكبر الإشارة التفاضلي غير المعزول عزلاً بين دوائر الإدخال والإخراج، إذ تشترك هذه الدوائر في مصدر طاقة واحد، وقد يوجد مسار تيار مستمر بينها. ولا يتحمل مكبر الإشارة التفاضلي غير المعزول إلا جهد الوضع المشترك الذي يصل إلى جهد مصدر الطاقة.
على غرار مضخم القياس ، تتميز مضخمات العزل بكسب تفاضلي ثابت على نطاق واسع من الترددات، ومقاومة دخل عالية ومقاومة خرج منخفضة .
إرشادات اختيار مكبر الصوت
يمكن تصنيف مضخمات القياس إلى أربع فئات رئيسية، مرتبة من الأقل تكلفة إلى الأكثر تكلفة:
- أحادي الطرف. مدخل غير متوازن، غير معزول. مناسب للقياسات التي تكون فيها جهود الوضع المشترك صفرًا أو صغيرة للغاية. رخيص جدًا.
- تفاضلي. مدخل متوازن، غير معزول. مناسب للقياسات التي يبقى فيها مجموع جهد الوضع المشترك وجهد الوضع العادي ضمن نطاق قياس المضخم.
- مدخل أحادي الطرف ذو طرف مشترك عائم. مدخل معزول وشبه متوازن (عادةً ما يتم توصيل الطرف المشترك العائم بالمدخل السالب لمضخم تفاضلي). مناسب للقياسات خارج الأرض حتى جهد انهيار حاجز العزل، ويتميز برفض ممتاز للنمط المشترك (100 ديسيبل نموذجيًا).
- تفاضلي، مشترك عائم. مدخل معزول ومتوازن. مناسب للقياسات خارج الأرض حتى جهد انهيار حاجز العزل، ويُظهر رفضًا ممتازًا للوضع المشترك (>120 ديسيبل).
بالنسبة لمعظم التطبيقات الصناعية التي تتطلب العزل، يوفر التصميم العائم أحادي الطرف أفضل سعر مقابل الأداء.
هناك أيضاً تصنيفان رئيسيان لمضخمات العزل يجب أخذهما في الاعتبار بالتزامن مع التطبيق:
- مضخمات توفر عزلًا بين المدخلات والمخرجات دون عزل بين القنوات. يُعد هذا النوع من العزل أقل تكلفة، حيث يوفر حاجز عزل واحد فقط للأجهزة متعددة القنوات. على الرغم من أن نقاط التوصيل المشتركة لكل قناة معزولة عن أرضي الطاقة بواسطة حاجز العزل بين المدخلات والمخرجات، إلا أنها غير معزولة عن بعضها البعض. لذلك، فإن جهد الوضع المشترك على إحدى القنوات سيحاول التأثير على جميع القنوات الأخرى، مما قد يؤدي إلى نتائج كارثية. يُناسب هذا النوع من العزل فقط عندما يكون من المؤكد وجود جهد وضع مشترك واحد فقط يُطبق بالتساوي على جميع القنوات.
- تُوفر مُضخّمات الصوت عزلًا بين المدخلات والمخرجات، وبين القنوات نفسها. يُعدّ هذا النوع من العزل أنقى أشكاله، وهو الخيار الأمثل لمعظم التطبيقات. تتميز الأجهزة متعددة القنوات التي تستخدمه بمناعتها ضدّ تقلبات الجهد المشترك على أي مجموعة من القنوات ضمن حدود قدرة المُضخّمات.
التطبيق النموذجي
قياسات خلايا الجهد المكدسة
مع تزايد شعبية الخلايا الشمسية وخلايا الوقود، أصبحت قياسات جهد الخلايا المتصلة على التوالي شائعة. في هذا التطبيق، يرغب الفني في تحديد أداء كل خلية من خلايا الجهد المتصلة على التوالي، ولكن غالبًا ما يتم إغفال الحاجة إلى مضخم معزول. يتم فصل كل خلية جهد (جهد الوضع الطبيعي) عن الأرض بمقدار يساوي مجموع جهد الخلايا التي تليها (جهد الوضع المشترك). ما لم يُسمح للمضخمات المستخدمة لقياس جهد كل خلية على حدة بالطفو عند مستوى يساوي جهد الوضع المشترك، فمن غير المرجح أن تكون القياسات دقيقة لأي خلية باستثناء الخلية الأولى في السلسلة حيث يكون جهد الوضع المشترك صفرًا.
يمكن استخدام مضخم تفاضلي غير معزول، ولكن سيكون له جهد وضع مشترك أقصى مصنف لا يمكن تجاوزه مع الحفاظ على الدقة.
مراجع
روابط خارجية
- تعرّف على أهمية العزلة
- دليل لاختيار مضخم العزل
- التصميم الإلكتروني
- مكبرات الصوت الإلكترونية