絶縁アンプはいつ、なぜ
使用するのでしょうか?

アンプ技術の種類

アンプ技術には、基本的に次の3つの種類があります。

• シングルエンドアンプ
• 差動アンプ
• 絶縁アンプ

それぞれを詳しく見てみましょう。

シングルエンドアンプ

シングルエンドアンプの構造は非常にシンプルなので、これらのアンプは安価です。

シングルエンドアンプは他の機器のグランドに接続されていないため、バッテリ駆動の電圧計 (フローティング ソース) でのみ意味を持ちます。現在では高精度計測分野においてこのアンプの意義は、非常に小さくなっています。

差動アンプ

差動アンプは、両方の入力に存在するノイズ（長いセンサケーブルや環境ノイズ）を打ち消します。差動アンプは、ノイズになり得ない差、つまり「差動」信号のみを増幅します。

この概念により各ラインの入力電圧が最大コモンモード電圧を下回っている場合のみ、グランドループを回避できます。

差動アンプ

絶縁アンプ

この「心配無用のソリューション」は、ガルバニック絶縁と差動入力を同時に提供します。 絶縁型Dewesoftデータ収録装置では、センサ信号と電源（センサ励起を含む）の両方が光学的に絶縁されています。

信号源とシステムの残りの部分の間に絶縁バリア を作成する方法はいくつかあります 。

• 光絶縁
• 誘導絶縁
• 容量性絶縁

絶縁アンプの入力は、コモンモード電圧より高く「浮遊」しています。絶縁アンプは1000ボルト以上のブレークダウン電圧を持つ絶縁バリアで設計されています。これにより、非常に高いCMVノイズを除去し、グラウンド ループを排除できます。

これらのアンプは、チャネル間およびチャネルとグランド間の絶縁に最適なソリューションです 。最大1000Vのグランド電圧差に対応し、あらゆる産業用アプリケーションに対応します。

SIRIUS DAQアンプの絶縁バリアの回路図

【動画】SIRIUS 高アイソレーションデータ収録

最も一般的な計測エラー

コモンモード電圧

コモンモード電圧とは計測チェーンに混入する不要な信号のことで、通常はセンサと計測システムを接続するケーブルから入り込みます。この電圧は「ノイズ」と呼ばれることもあり、計測しようとしている実際の信号を歪めます。その振幅によって、「些細な迷惑 」から、実信号を完全に不明瞭にして計測を台無しにするものまで様々です。

熱電対計測（ACコモンモード）
コモンモード電圧の振幅がアンプのコモンモード電圧入力範囲を超えると、アンプは「クリッピング」を開始し、出力信号が歪んで使用できなくなります。

コモンモード電圧の除去

差動アンプの信号クリッピング

絶縁アンプを使用すると、コモンモードが高い場合でも計測を行うことができます。

絶縁アンプに接続された熱電対

正極ラインにシャント接続した電流計測（DCコモンモード）
以下の計測構成は、24V電源システムの電流を計測する1つの方法を示しています。この場合、最適なアンプ入力範囲は500mVです。これは、下図のCh 2では問題なく機能しますが、Ch 1では機能しません。このチャネルは最大コモンモード電圧を超え、クリップします。

電流計測。解決策としては低電圧ラインで計測するか絶縁アンプを使用する

コモンモード除去比

コモンモード除去比 (CMRR) は、 アンプが入力の不要な同相 (非差動) 信号をどれだけ抑制できるかを示します。例えば、静的信号を計測する場合、DCコモンモードは精度に影響し、ACモンモードはノイズの原因になります。

センサ付きグラウンドループ

計測データのノイズは多くの場合、「グラウンドループ」によって発生します。グラウンドループが発生する原因はさまざまです。グラウンド ループの中には、計測機器に非常に有害なものや、電子機器を破壊してしまうものもあります。

センサ接続は非対称シールドケーブルで行われる

上の図では

• 計測アンプは片側がグランド（GND 1）に接続されており、センサとの接続には非対称シールドケーブルが使用されます。
• 金属製ハウジングは導電性の接地（GND 2）上に配置されます。

ケーブルの長さによりすでに接地レベルに差があり、それが電磁ノイズと結合する電圧源のように機能します。

質問: どの程度の誤差があれば、重大なエラーとなりますか？

状況によって異なります。例えば140dBの高ダイナミック出力を持つ電荷センサまたはIEPEセンサを10V入力範囲に設定されたアンプに接続する場合、許容される電位差はわずか1µVになります。

正しい解決策は、センサまたは信号アンプを絶縁することです。

絶縁アンプの例

電源付きグランドループ

グラウンドループは、非絶縁電源によっても発生します。Dewesoft DAQシステムのように、各デバイス自体に過電圧保護や逆極性保護が施されている場合でも、複数のデバイスに電源を供給する場合は注意が必要です。

Ｄewesoftのチャネル間が完全に絶縁された 最新のデジタルデータ収集システムをご覧ください

以下の図は、一般的な構成を示しています。センサとDAQシステムには、同じDC電源 (車両のオンボード電源など) から電力が供給されます。

グランド (GND) が 2 点で接続されていることがわかります。主電流は青い太線 (「高電流パス」) に沿って負荷まで流れ戻ります。ただし両方のデバイスのGNDも、センサ出力とDAQ入力を介して相互に接続されています。

一般的なセンサ接続

重要！GNDケーブルが破損したエラーケース

「高電流パス」が開いているときに何が起こるかは想像がつくでしょう。電流は異なる方法で流れます。これでセンサの戻り電源パスは、DAQデバイスからのセンサ入力のGNDを経由してルーティングされます。

GNDケーブルが破損したエラーケース

通常、内部回路はこの高電流を駆動することができません。これによりデータ収録デバイスが損傷する可能性があります。 絶縁電源を使用すると、エラー電流が供給ラインに伝導されることはありません。

結論

信号と調整に関しては、次の2種類の実用的な信号調整アンプから選択できます。

絶縁信号調整アンプ

絶縁アンプと差動アンプの組み合わせは、非絶縁アンプやシングルエンドアンプに比べて高価ですが、「心配のない」計測ソリューションを提供します。また、経験の浅いエンジニアでも正確な計測を行えるようになり、計測機器とオペレータの安全を守ることもできます。

差動信号調整アンプ

このタイプのアンプは製造コストが安く、ひずみゲージ，電流クランプ，加速度，圧力センサのような絶縁センサを使用する場合に適しています。これらのアンプは高品質の計測結果を提供しますが、エンジニアは信号がアンプのコモンモード能力内に収まるっていることを確認し、正しい計測結果を得るためにケーブルを正しく配線する必要があります。