OPTOZZ - izolační zesilovač
Audio Isolation Amplifier

Zesilovač umožňuje propojit dvě audiozařízení, jejichž země mají mírně rozdílný potenciál. V takovém případě přímé připojení vnese do signálu brum, vzniklý nejčastěji zemní smyčkou. Galvanickým oddělením přístrojů se smyčka přeruší.

Občas potřebuji propojit audiosestavu s počítačem PC, nejčastěji za účelem digitalizace archivních nahrávek nebo nahrání kazety z mp3 archivu. Při přímém propojení se však v signálu objeví brum. Problém bylo možné vyřešit odpojením magnetofonu od ostatních zařízení a jeho přímým spojením s PC. Magnetofon byl přitom napájen ze stejné zásuvky jako PC. Gramofon již tak snadno připojit nelze, neboť vyžaduje předzesilovač, který je součástí zesilovače. Rozebírat a skládat sestavu, rozpojovat a spojovat množství kabelů mne přestalo brzy bavit. Problém jsem vyřešil zde popsaným optoizolačním zesilovačem.

Galvanické oddělení signálů lze elegantně vyřešit oddělovacím transformátorem. Problematice oddělovacích transformátorů pro nf aplikace jsou např. věnovány internetové stránky http://www.jensen-transformers.com . Amatérsky schůdnější (a taky levnější) je použít ke galvanickému oddělení optočlen. Nejvhodnější jsou optočleny s jednou LED a dvěma fotodiodami, určené speciálně pro přenos analogových signálů. Zatímco jedna fotodioda je určena pro přenos galvanicky odděleného signálu, druhá, se stejnými vlastnostmi, je zapojena ve zpětné vazbě a neutralizuje nelinearitu obvodu. Použití fotodiod namísto fototranzistorů umožňuje nejen dosáhnout menšího zkreslení optočlenu, ale také rozšířit kmitočtový rozsah. Základem oddělovacího zesilovače je doporučené zapojení z obr. 16 katalogového listu optočlenu HCNR201 (lze stáhnout na http://www.semiconductor.agilent.com), které bylo pro daný účel doplněno o další součástky.

Obr. 1. OPTOZZ

Popis zapojení

Schéma zesilovače je na obr. 1. Zesilovač má dva shodně zapojené kanály; pro zjednodušení je popsán jen levý. Přes trimr P2 a rezistor R3 je přiveden proud do fotodiody, zapojené mezi vývody 3 a 4 optočlenu. Proud tekoucí R3 a fotodiodou není zcela shodný, jejich rozdílem se otevírá tranzistor T1. Tranzistory T1 a T2 řídí proud LED tak, aby proud fotodiodou právě kompenzoval proud tekoucí rezistorem R3. Přivede-li se přes C1 a R1 na bázi T1 nf signál, moduluje tento signál proud procházející rezistorem R3 a potažmo také proud fotodiodou. Protože druhou fotodiodou v systému optočlenu teče prakticky shodný proud, stačí jej zesílit. K tomu slouží zesilovač s T3 a T4, který je zapojen obdobně jako zesilovač s T1 a T2. Rozdílná je pouze zpětná vazba, která na výstupní straně není optická přes LED, ale běžná proudová přes rezistor R6. Rezistor R6 musí mít přibližně poloviční odpor, než je součet odporů R2, P2 a R3, aby na výstupu zesilovače byla asi polovina napájecího napětí. Jen tak lze totiž zajistit maximální vybuditelnost zesilovače.

Nízkofrekvenční signál je přiveden nejdříve na potenciometr a přes C1 a R1 na vstupní část zesilovače. Protože rezistor R1 má oproti R6 přibližně poloviční odpor, je vlastní zesílení oddělovacího zesilovače asi 2 (+6 dB). Potenciometrem můžeme nastavit zesílení od 0 do 2. Protože se dá předpokládat, že nejčastěji bude zesílení nastaveno na 1, byl použit lineární potenciometr. Zesílení 1 (0 dB) pak odpovídá středu odporové dráhy. Potenciometr by bylo možné vypustit, možnost regulace zesílení se však ukázala jako praktická. Výstupní nf signál se odebírá z kondenzátoru C3.

Kmitočtový rozsah zesilovače je zhora omezen kapacitou kondenzátoru C4. Bez tohoto kondenzátoru zesilovač přenese s jen nepatrným zeslabením signály až do 1 MHz. Omezení kmitočtového pásma nemá vliv na kvalitu nf signálu, účinněji se však potlačí případné rušení. Zdola je kmitočtový rozsah omezen především kapacitou kondenzátoru C1, vlastní optoizolační převodník přenese i stejnosměrné signály.

Napájecí zdroj

U izolačního zesilovače potřebujeme dva napájecí zdroje. Jeden napájí vstupní, druhý výstupní stranu zesilovače. Tento zesilovač lze napájet třemi způsoby.

Síťový zdroj

Tato varianta je nakreslena ve schématu. Z praktických důvodů je vhodné použít transformátor se dvěma sekundárními vinutími. Běžné transformátory však nemají zaručenu elektrickou pevnost mezi sekundárními vinutími. Rozdíl potenciálů mezi vstupní a výstupní stranou pak nemůže být větší než několik desítek voltů, protože izolaci mezi vinutími tvoří ve většině případů jen lak na povrchu vodičů. Nelze tak využít možnosti optočlenu oddělit potenciály s rozdílem až 1500 V. Popravdě řečeno s oddělením tak velkých napětí nepočítá ani návrh desky s plošnými spoji - spoje vstupní a výstupní části nejsou od sebe dostatečně vzdáleny.

Napětí ze sekundárních vinutí jsou usměrněna můstkovými usměrňovači. Za každým usměrňovačem následuje filtrační kondenzátor (C23, C33) a stabilizátor. Hlavní funkcí stabilizátoru je vyfiltrovat napájecí napětí. Proto je použit stabilizátor LM317L, který potlačí zvlnění více než stabilizátory řady 78xx. Filtraci napomáhá i kondenzátor C24 (C34).

Měnič

V blízkosti PC je vhodné napájet zesilovač napětím 12 V z PC. K tomu slouží měnič, který je na fotografiích vzorku. Měnič je popsán zde. Poloha měniče je na obr. 3 naznačena rámečkem. Měnič se zapojí místo transformátoru a usměrňovače. Celkový odběr s měničem je asi 50 mA z napětí 12 V.

Baterie

Pro příležitostné použití lze zesilovač napájet z „destičkových“ baterií 9 V. Při bateriovém napájení lze vypustit celý síťový zdroj včetně stabilizátorů. Ponecháme jen kondenzátory C25 a C35. Přívody baterie zapojíme místo C23 a C33. Na místě D21 a D32 zapojíme propojky.

Obr. 2. Deska s plošnými spoji izolačního zesilovače. Kliknutím získáte obrázek v rozlišení 600 dpi (80 kB)
Figure 2. Audio Isolation Amplifier PCB layout. Click to get 600 dpi resolution image (80 kB)

Obr. 3. Rozmístění součástek na desce
Figure 3. Locations of components on the board

Stavba a oživení

Izolační zesilovač je postaven na desce podle obr. 2. Deska byla navržena pro krabičku KP02. Konektory K3 a K4 slouží pro připojení konektorů Cinch. Zásuvky jack 3,5 mm SCJ-0354 (K1 a K2) jsou zapájeny do desky. Oživení je snadné. Trimry P2 (P12) nastavíme na kolektoru T4 (T14) polovinu napájecího napětí. Přesněji lze nastavit zesilovač pomocí osciloskopu. Trimry nastavíme při přebuzení symetrickou limitaci signálu na výstupu. V zapojení lze použít bez úprav optočlen HCNR200, s úpravou i IL300. Pro IL300 zmenšíme odpor rezistorů R1, R2, R3 a R6 asi na 2/3, kapacitu C1 a C4 o polovinu zvětšíme.

Závěr

I když má oddělovací zesilovač relativně malé zkreslení a velmi dobrý odstup od šumu, praktické zkoušky a měření ukázaly, že potlačení rozdílového napětí (mezi zeměmi) se zhoršuje se vzrůstajícím kmitočtem. Zesilovač velmi dobře funguje při odstranění brumu, vznikajícího zemními smyčkami, v extrémních případech si však nedovede poradit s rušením od spínaných zdrojů. Někdy pomůže zkratovat země pro vf signály kondenzátorem C26, jindy spojit některou ze zemí s nulovým vodičem (kolíkem) v zásuvce. Kondenzátor C26 s spínač jsem dodatečně přidal mimo desku s plošnými spoji. Na úplný konec bych rád poděkoval panu Alanu Krausovi, který mi změřil zkreslení a kmitočtový rozsah zesilovače (obr. 4 až 6)

Obr. 4. Kmitočtová charakteristika zesilovače
Figure 4. Gain vs. frequency

Obr. 5. Závislost zkreslení na kmitočtu při 0 dB (775 mV)
Figure 5. THD + noise vs. frequency at 0 dB

Obr. 6. Závislost zkreslení na vybuzení při kmitočtu 1 kHz
Figure 6. THD + noise vs. signal level at 1 kHz

(při všech měřeních bylo nastaveno zesílení 1)

Obr. 7. Optoizolační zesilovač v krabičce bez vrchního krytu
Figure 7. Isolation Amplifier without cover - DCDC convertor to supply used

Obr. 8. Připojení konektorů CINCH
Figure 8. CINCH input & output

Rozpiska součástek

Literatura

[1] http://www.jensen-transformers.com (výrobce audiotransformátorů)
[2] Brunnhofer, V.; Kryška, L.; Zuska, J.: Přenos analogového signálu optoelektrickým vazebním členem. Amatérské radio řada B č. 5/80, s. 175.
[3] ký: Optoizolátor s lineárním přenosem. Sdělovací technika č. 6/1991, s. 235.
[4] Katalogový list optočlenu CNR201 http://www.semiconductor.agilent.com
[5] Katalogový list optočlenu IL300 http://www.infineon.com/opto

Jaroslav Belza

Zapojení bylo otištěno v Praktické elektronice 7/2001 na s. 22

12. 7. 2001