अलगाव प्रवर्धक
आइसोलेशन एम्पलीफायर विभेदक एम्पलीफायर का एक रूप है जो विद्युत अलगाव और एक विद्युत सुरक्षा बाधा प्रदान करके उच्च सामान्य मोड वोल्टेज की उपस्थिति में छोटे संकेतों को मापने की अनुमति देता है। वे डेटा अधिग्रहण घटकों को सामान्य-मोड संकेत वोल्टेज से बचाते हैं, जो उपकरण ग्राउंड और सिग्नल ग्राउंड के बीच संभावित अंतर हैं। ऐसे उपकरण जो बिना किसी अलगाव बाधा के सामान्य मोड वोल्टेज की उपस्थिति में लगाए जाते हैं, ग्राउंड धाराओं को प्रसारित करने की अनुमति देते हैं, जिससे सबसे अच्छे मामले में जांच के तहत सिग्नल का शोर प्रतिनिधित्व होता है। सबसे खराब स्थिति में, यह मानते हुए कि सामान्य मोड वोल्टेज या करंट का परिमाण पर्याप्त है, उपकरण नष्ट होने की संभावना है। किसी मरीज को बिजली आपूर्ति रिसाव करंट से अलग करना सुनिश्चित करने के लिए चिकित्सा उपकरणों में आइसोलेशन एम्पलीफायरों का उपयोग किया जाता है।[1]
आइसोलेशन बैरियर वाले एम्पलीफायर, एम्पलीफायर के फ्रंट-एंड को सामान्य मोड वोल्टेज के संबंध में बैरियर के ब्रेकडाउन वोल्टेज की सीमा तक तैरने की अनुमति देते हैं, जो अक्सर 1,000 वोल्ट या अधिक होता है। यह क्रिया एम्पलीफायर और उससे जुड़े उपकरण की सुरक्षा करती है, साथ ही यथोचित सटीक माप की अनुमति भी देती है।
इन एम्पलीफायरों का उपयोग स्टीरियोफोनिक ध्वनि | मल्टी-चैनल अनुप्रयोगों में निम्न-स्तरीय संकेतों को बढ़ाने के लिए भी किया जाता है। वे ग्राउंड लूप (बिजली) के कारण होने वाली माप त्रुटियों को भी समाप्त कर सकते हैं। आंतरिक ट्रांसफार्मर वाले एम्पलीफायर बाहरी पृथक बिजली आपूर्ति को खत्म करते हैं। इन्हें आमतौर पर अलग-अलग जमीन (बिजली) वाले सिस्टम के बीच एनालॉग इंटरफेस के रूप में उपयोग किया जाता है।
आइसोलेशन एम्पलीफायरों में इनपुट और आउटपुट दोनों चरणों के लिए पृथक बिजली आपूर्ति शामिल हो सकती है, या प्रत्येक पृथक हिस्से पर बाहरी बिजली आपूर्ति का उपयोग किया जा सकता है।[1]
अवधारणाएँ
सिग्नल स्रोत घटक
सभी सिग्नल स्रोत दो प्रमुख घटकों का मिश्रण हैं। सामान्य मोड घटक (वीNM) रुचि के संकेत का प्रतिनिधित्व करता है और वह वोल्टेज है जो सीधे एम्पलीफायर के इनपुट पर लगाया जाता है। सामान्य मोड घटक (वीCM) सामान्य मोड घटक के निचले हिस्से और एम्पलीफायर की जमीन के बीच क्षमता में अंतर का प्रतिनिधित्व करता है जिसका उपयोग रुचि के संकेत (सामान्य मोड वोल्टेज) को मापने के लिए किया जाता है।
कई माप स्थितियों में सामान्य मोड घटक अप्रासंगिक रूप से कम है, लेकिन शायद ही कभी शून्य होता है। केवल कुछ मिलीवोल्ट के सामान्य मोड घटकों का अक्सर सामना किया जाता है और बड़े पैमाने पर और सफलतापूर्वक अनदेखा किया जाता है, खासकर जब सामान्य मोड घटक परिमाण के आदेश से बड़ा होता है।
पहला संकेतक कि सामान्य मोड वोल्टेज परिमाण सामान्य मोड घटक के साथ प्रतिस्पर्धा कर रहा है, एम्पलीफायर के आउटपुट पर बाद वाले का शोर पुनरुत्पादन है। ऐसी स्थिति आम तौर पर एक अलगाव एम्पलीफायर की आवश्यकता को परिभाषित नहीं करती है, बल्कि एक विभेदक एम्पलीफायर की आवश्यकता को परिभाषित करती है। चूंकि सामान्य मोड घटक दोनों एम्पलीफायर इनपुट पर एक साथ और चरण में दिखाई देता है, इसलिए एम्पलीफायर के डिज़ाइन की सीमा के भीतर विभेदक एम्पलीफायर इसे अस्वीकार कर सकता है।
हालाँकि, यदि सामान्य मोड और सामान्य मोड वोल्टेज का योग अंतर एम्पलीफायर की सामान्य मोड सीमा, या क्षति के बिना अधिकतम सीमा से अधिक है, तो एक अलगाव एम्पलीफायर की आवश्यकता दृढ़ता से स्थापित होती है।
संचालन सिद्धांत
आइसोलेशन एम्पलीफायर कई निर्माताओं द्वारा बनाए गए हाइब्रिड इंटीग्रेटेड सर्किट के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं। अलगाव प्रदान करने की तीन विधियाँ हैं।
एक ट्रांसफार्मर-पृथक एम्पलीफायर इनपुट और आउटपुट के बीच उच्च आवृत्ति वाहक सिग्नल के ट्रांसफार्मर युग्मन पर निर्भर करता है। कुछ मॉडलों में एक ट्रांसफॉर्मर-पृथक बिजली आपूर्ति भी शामिल होती है, जिसका उपयोग सिस्टम के पृथक पक्ष पर बाहरी सिग्नल प्रोसेसिंग उपकरणों को बिजली देने के लिए भी किया जा सकता है। उपलब्ध बैंडविड्थ मॉडल पर निर्भर करता है और 2 से 20 किलोहर्ट्ज़ तक हो सकता है। आइसोलेशन एम्पलीफायर में एक वोल्टेज-टू-फ़्रीक्वेंसी कनवर्टर होता है जो ट्रांसफार्मर के माध्यम से फ़्रीक्वेंसी-टू-वोल्टेज कनवर्टर से जुड़ा होता है। इनपुट और आउटपुट के बीच अलगाव ट्रांसफार्मर वाइंडिंग्स पर इन्सुलेशन द्वारा प्रदान किया जाता है।
एक ऑप्टिकली पृथक एम्पलीफायर एक एलईडी optocoupler के माध्यम से करंट को नियंत्रित करता है। फीडबैक लूप के भीतर दूसरे ऑप्टोकॉप्लर का उपयोग करके रैखिकता में सुधार किया जाता है। कुछ डिवाइस 60 kHz बैंडविड्थ तक प्रदान करते हैं। हस्तक्षेप करने वाले माध्यम की परवाह किए बिना, एलईडी और डिटेक्टर के बीच की जगह के माध्यम से विद्युत प्रवाह को फोटोनिक फ्लक्स में परिवर्तित करके गैल्वेनिक अलगाव प्रदान किया जाता है।
तीसरी रणनीति एक संग्राहक उच्च-आवृत्ति वाहक को जोड़ने के लिए छोटे कैपेसिटर का उपयोग करना है; कैपेसिटर बड़े डीसी या बिजली आवृत्ति एसी वोल्टेज का सामना कर सकते हैं लेकिन बहुत अधिक आवृत्ति वाहक सिग्नल के लिए युग्मन प्रदान करते हैं। इस सिद्धांत पर कुछ मॉडल 3.5 किलोवोल्ट का सामना कर सकते हैं और 70 किलोहर्ट्ज़ बैंडविड्थ तक प्रदान कर सकते हैं।[1]
आइसोलेशन एम्पलीफायर का उपयोग
उच्च सामान्य मोड वोल्टेज की उपस्थिति में छोटे संकेतों को मापने की अनुमति देने के लिए अलगाव एम्पलीफायरों का उपयोग किया जाता है। एक आइसोलेशन एम्पलीफायर की क्षमता दो प्रमुख आइसोलेशन एम्पलीफायर विनिर्देशों का एक कार्य है:
- एम्पलीफायर का आइसोलेशन ब्रेकडाउन वोल्टेज, जो पूर्ण अधिकतम सामान्य मोड वोल्टेज को परिभाषित करता है जिसे वह बिना किसी क्षति के सहन करेगा। 1,000 वोल्ट और उससे अधिक की विशिष्टताएँ आम हैं।
- एम्पलीफायर का सामान्य मोड अस्वीकृति अनुपात (सीएमआरआर)। सीएमआरआर विनिर्देश उस डिग्री को परिभाषित करता है जिस तक सामान्य मोड वोल्टेज सामान्य मोड घटक माप को बाधित करेगा, और इसलिए माप सटीकता को प्रभावित करेगा।
सामान्य मोड वोल्टेज की आवृत्ति प्रदर्शन पर प्रतिकूल प्रभाव डाल सकती है। उच्च आवृत्ति वाले सामान्य मोड वोल्टेज, आइसोलेशन बैरियर के परजीवी समाई के कारण कई आइसोलेशन एम्पलीफायरों के लिए कठिनाई पैदा करते हैं। यह कैपेसिटेंस उच्च आवृत्ति संकेतों के लिए कम प्रतिबाधा के रूप में प्रकट होता है, और सामान्य मोड वोल्टेज को अनिवार्य रूप से बाधा को पार करने और माप में हस्तक्षेप करने या यहां तक कि एम्पलीफायर को नुकसान पहुंचाने की अनुमति देता है। हालाँकि, अधिकांश सामान्य मोड वोल्टेज लाइन वोल्टेज का एक संयोजन होते हैं, इसलिए आवृत्तियाँ आम तौर पर कुछ हार्मोनिक सामग्री के साथ 50 से 60 हर्ट्ज क्षेत्र में रहती हैं, जो कि अधिकांश अलगाव एम्पलीफायरों की अस्वीकृति सीमा के भीतर होती है।
विभेदक एम्पलीफायर
एक गैर-पृथक विभेदक एम्पलीफायर इनपुट और आउटपुट सर्किट के बीच अलगाव प्रदान नहीं करता है। वे एक बिजली आपूर्ति साझा करते हैं और इनपुट और आउटपुट के बीच एक डीसी पथ मौजूद हो सकता है। एक गैर-पृथक विभेदक एम्पलीफायर केवल बिजली आपूर्ति वोल्टेज तक सामान्य-मोड वोल्टेज का सामना कर सकता है।
इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के समान, आइसोलेशन एम्पलीफायरों में आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला, उच्च इनपुट प्रतिबाधा और कम आउटपुट प्रतिबाधा पर निश्चित अंतर लाभ होता है।
एम्प्लीफायर चयन दिशानिर्देश
इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायरों को चार व्यापक श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है, जो कम से कम से लेकर सबसे महंगी तक व्यवस्थित हैं:
- एकल-समाप्त। एक असंतुलित इनपुट, गैर-पृथक। उन मापों के लिए उपयुक्त जहां सामान्य मोड वोल्टेज शून्य या बेहद छोटा है। बहुत सस्ता.
- विभेदक। एक संतुलित इनपुट, गैर-पृथक। माप के लिए उपयुक्त जहां सामान्य मोड और सामान्य मोड वोल्टेज का योग एम्पलीफायर की माप सीमा के भीतर रहता है।
- सिंगल-एंडेड, फ्लोटिंग कॉमन। एक पृथक और अर्ध-संतुलित इनपुट (फ्लोटिंग कॉमन आमतौर पर एक अंतर एम्पलीफायर के (-) इनपुट से जुड़ा होता है)। आइसोलेशन बैरियर के ब्रेकडाउन वोल्टेज तक ऑफ-ग्राउंड माप के लिए उपयुक्त, और बहुत अच्छा सामान्य मोड अस्वीकृति (100 डीबी विशिष्ट) प्रदर्शित करता है।
- डिफरेंशियल, फ्लोटिंग कॉमन। एक पृथक और संतुलित इनपुट. आइसोलेशन बैरियर के ब्रेकडाउन वोल्टेज के ऑफ-ग्राउंड माप के लिए उपयुक्त, और शानदार सामान्य मोड अस्वीकृति (>120 डीबी) प्रदर्शित करता है।
अधिकांश औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए जिन्हें अलगाव की आवश्यकता होती है, सिंगल-एंडेड फ्लोटिंग डिज़ाइन सर्वोत्तम मूल्य/प्रदर्शन प्रदान करता है।
आइसोलेशन एम्पलीफायरों के दो व्यापक वर्गीकरण भी हैं जिन पर आवेदन के साथ विचार किया जाना चाहिए:
- चैनल-टू-चैनल अलगाव के बिना इनपुट-टू-आउटपुट अलगाव प्रदान करने वाले एम्पलीफायर। यह अलगाव का एक कम महंगा रूप है जो मल्टी-चैनल उपकरण के लिए केवल एक अलगाव बाधा प्रदान करता है। यद्यपि प्रत्येक चैनल के कॉमन्स को इनपुट-टू-आउटपुट आइसोलेशन बैरियर द्वारा पावर ग्राउंड से अलग किया जाता है, लेकिन वे एक-दूसरे से अलग नहीं होते हैं। इसलिए एक पर एक सामान्य मोड वोल्टेज अन्य सभी को फ़्लोट करने का प्रयास करेगा, कभी-कभी विनाशकारी परिणामों के साथ। अलगाव का यह रूप केवल तभी उपयुक्त है जब यह निश्चित हो कि केवल एक सामान्य मोड वोल्टेज है जो सभी चैनलों पर समान रूप से लागू होता है।
- एम्प्लीफायर इनपुट-टू-आउटपुट और चैनल-टू-चैनल अलगाव दोनों प्रदान करते हैं। यह अलगाव का सबसे शुद्ध रूप है और लगभग सभी अनुप्रयोगों के लिए इस विकल्प पर विचार किया जाना चाहिए। इसे नियोजित करने वाले मल्टी-चैनल उपकरण एम्पलीफायरों की सीमा के भीतर चैनलों के किसी भी संयोजन पर असंगत सामान्य मोड वोल्टेज से प्रतिरक्षित हैं।
विशिष्ट अनुप्रयोग
स्टैक्ड वोल्टेज सेल माप
सौर कोशिकाओं और ईंधन कोशिकाओं की बढ़ती लोकप्रियता के साथ स्टैक्ड वोल्टेज सेल माप आम हो गए हैं। इस एप्लिकेशन में तकनीशियन व्यक्तिगत श्रृंखला से जुड़े वोल्टेज कोशिकाओं के प्रदर्शन को प्रोफाइल करना चाहता है, लेकिन एक पृथक एम्पलीफायर की आवश्यकता को अक्सर अनदेखा कर दिया जाता है। प्रत्येक वोल्टेज सेल (सामान्य मोड वोल्टेज) को उसके नीचे के वोल्टेज सेल (सामान्य मोड वोल्टेज) के योग के बराबर मात्रा में जमीन से हटा दिया जाता है। जब तक व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले एम्पलीफायरों को सामान्य मोड वोल्टेज के बराबर स्तर पर तैरने की अनुमति नहीं दी जाती है, तब तक माप स्ट्रिंग में पहले सेल को छोड़कर किसी के लिए सटीक होने की संभावना नहीं है जहां सामान्य मोड वोल्टेज शून्य है।
एक गैर-पृथक विभेदक एम्पलीफायर का उपयोग किया जा सकता है लेकिन इसमें रेटेड अधिकतम सामान्य मोड वोल्टेज होगा जिसे सटीकता बनाए रखते हुए पार नहीं किया जा सकता है।
संदर्भ
- ↑ 1.0 1.1 1.2 Paul Horowitz, Winfield Hill The Art of Electronics Second Edition, Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7 pages 462-464