設計目標

設計の説明

この回路は、AMC3330 絶縁型アンプおよび分圧回路を利用して、分岐タップのライン間の絶縁型電圧検出測定を行います。ライン間測定は、120° の位相差がある 2 つの 277V_AC 電源間で行われます。分圧回路により、±480V のライン間電圧が AMC3330 の入力電圧範囲と一致する ±1V に降圧されます。AMC3330 は、2V/V の固定ゲインで ±1V の差動信号を測定できます。AMC3330 は、差動入力インピーダンスが 1.2GΩ、入力バイアス電流が 2.5nA と小さいため、高電圧アプリケーションでのゲイン誤差とオフセット誤差の小さい信号検出に対応できます。

平衡な 3 相 AC 電圧システムで分岐タップ構成を使用することで、ラインとニュートラルの間の導出による 3 つの電圧をすべて測定するのに十分な 2 つのライン間電圧を測定できます。

デザイン ノート

1. AMC3330 は入力インピーダンスが高く、入力バイアス電流が低いため、DC 誤差を最小限に抑えることができ、電圧検出アプリケーションに最適です。内蔵の絶縁電源とバイポーラ入力電圧範囲により、AMC3330 は AC ライン間電圧検出に理想的です。
2. システムが目的の入力信号範囲について線形動作することを確認します。これは、「DC 伝達特性」セクションで、シミュレーションにより検証しています。
3. 分圧抵抗回路で使用する抵抗について、電源入力電圧を AMC3330 の入力電圧範囲である ±1V まで降圧できることを確認します。
4. 分圧抵抗回路に使用する抵抗について、十分な動作電流および電圧定格を備えていることを確認します。
5. データシートの絶対最大定格の表に記載されているように、AMC3330 の入力電流が ±10mA 未満であることを確認します。

設計手順

1. 120° 離れた 2 つの 277V_AC 電源間の合計ライン間電圧 (V_LL) を計算します。
   $V_{LL}=\sqrt{3}\times 277 V=480 V$
2. 分圧回路について、AMC3330 の入力電圧に対するライン間電圧の比率を計算します。
3. $Ratio=\frac{{1 V}_{AMC330,input}}{480 V}=0.0020833$
4. R₁、R₂、R_1'、および R_2' に 1MΩ の抵抗を選択します。前の手順から得られた比率と次の分圧器の式を使用して、AMC3330 の入力電圧を ±1V に降圧するのに必要な等価検出抵抗 R_sense を求めます。
   $0.0020833=\frac{R_{sense}}{R_1+R_2+R_{1\text{'}}+R_{2\text{'}}+R_{sense}}=\frac{R_{sense}}{4 M\mathrm{\Omega }+R_{sense}}$
   $R_{sense}=\frac{8333.2 \mathrm{\Omega }}{1-0.0020833}=8350.6 \mathrm{\Omega }$
5. 分岐タップ構成には、2 つの等価検出抵抗 R_S および R_S' が必要です。アナログ技術者向けカリキュレータを使用して、R_S および R_S' の最も近い標準値を決定します。
   $R_S=R_{S\text{'}}=\frac{R_{sense}}{2}=\frac{8350.6 \mathrm{\Omega }}{2}=4175.3 \mathrm{\Omega }=4.17 k\mathrm{\Omega }$
6. 電圧源から分圧回路に流れる電流を計算し、消費電力が抵抗の定格を超えないことを確認します。詳細については、「高電圧測定の考慮事項」を参照してください。
   $I_{AMC330,input}=\frac{V}{R}=\frac{480 V}{4\times 1 M\mathrm{\Omega }+2\times 4.17 k\mathrm{\Omega }}=0.039 mA$
7. 分圧器のゲインは $\frac{1}{480}$ 、AMC3330 のゲインは 2 であるため、入力電圧 480V に対する出力電圧は、伝達関数式 $V_{OUT}=Gain\times V_{IN}$ を使用して次のように計算できます。
   $V_{OUT}=\frac{1}{480}\times 2\times 480 V=2 V$

DC 伝達特性

次のグラフは、±800V の入力に対する AMC3330 の差動出力のシミュレーション結果を示しています。前のページで計算したように、入力電圧 480V に対する出力電圧は約 2V です。

AC 伝達特性

シミュレートされたゲインは -47.62dB であり、分圧器と AMC3330 で予測されるゲインとほぼ一致しています。

シミュレーション結果

以下のシミュレーションは、AMC3330 の入力信号と出力信号を示しています。

設計の参照資料

1. 絶縁型アンプ電圧センシング Excel カリキュレータ
2. 『アナログ エンジニア向け回路クックブック』
3. TI プレシジョン ラボ - オペアンプ
4. TI プレシジョン ラボ - A/D コンバータ

設計に使用されている絶縁型オペアンプ

設計の代替絶縁型オペアンプ