पृथक्कारी प्रवर्धक
पृथक्कारी प्रवर्धक, भेद (डिफरेंशियल) प्रवर्धकों का ही एक रूप है, जो विद्युत पृथक्करण और विद्युत सुरक्षा बाधा प्रदान करके एक उच्च सामान्य अवस्था वोल्टेज की उपस्थिति में छोटे संकेतों के मापन की अनुमति देता है। ये डेटा अधिग्रहण घटकों को सामान्य अवस्था संकेत वोल्टेज से सुरक्षित करते हैं, जो उपकरण ग्राउंड और संकेत ग्राउंड के बीच विभवान्तर होते हैं। एक पृथक्करण बाधा के बिना एक सामान्य अवस्था वोल्टेज की उपस्थिति में प्रयुक्त होने वाले उपकरण, ग्राउंड धाराओं को प्रसारित करने की अनुमति देते हैं, जो जाँच के अधीन संकेत के ध्वनिक निरूपण के लिए सबसे अच्छी स्थिति होती है। यह मानते हुए कि सामान्य अवस्था वोल्टेज या धारा का परिमाण पर्याप्त है, सबसे खराब स्थिति में उपकरण के नष्ट होने की संभावना होती है। पृथक्करण प्रवर्धकों का उपयोग चिकित्सा उपकरणों में किया जाता है, जिससे रोगी को विद्युत् आपूर्ति रिसाव धारा से अलग किया जा सके।[1]
पृथक्करण बाधा वाले प्रवर्धक, प्रवर्धकों के अग्र-सिरे को बाधा के ब्रेकडाउन वोल्टेज की सीमा तक सामान्य अवस्था वोल्टेज के संबंध में फ्लोट करने की अनुमति देते हैं, जो प्रायः 1,000 वोल्ट या उससे अधिक होता है। यह क्रिया प्रवर्धक और उससे जुड़े उपकरण को सुरक्षा प्रदान करती है, जबकि यह अभी भी एक यथोचित सटीक माप की अनुमति देती है।
इन प्रवर्धकों का उपयोग मल्टी-चैनल अनुप्रयोगों में निम्न-स्तरीय संकेतों को बढ़ाने के लिए भी किया जाता है। ये ग्राउंड लूप के कारण होने वाली मापन त्रुटियों को भी समाप्त कर सकते हैं। आंतरिक ट्रांसफार्मर वाले प्रवर्धक बाह्य पृथक विद्युत-आपूर्ति को समाप्त करते हैं। ये सामान्यतः अलग-अलग ग्राउंड वाली प्रणालियों के बीच एनालॉग इंटरफेस के रूप में उपयोग किए जाते हैं।
पृथक्कारी प्रवर्धकों में इनपुट और आउटपुट दोनों चरणों के लिए पृथक बिजली की आपूर्ति सम्मिलित हो सकती है, या ये प्रत्येक पृथक हिस्से पर बाह्य विद्युत आपूर्ति का उपयोग कर सकते हैं।[1]
अवधारणाएँ
संकेत स्रोत घटक
सभी संकेत स्रोत दो प्रमुख घटकों के सम्मिश्रण होते हैं। सामान्य अवस्था घटक (VNM), सामान्य अवस्था वोल्टेज का निरूपण करता है और ये सीधे प्रवर्धक के इनपुट पर प्रयुक्त होने वाला वोल्टेज होता हैं। उभयनिष्ठ अवस्था घटक (VCM), सामान्य मोड घटक के निचले हिस्से और प्रवर्धक के ग्राउंड के बीच विभवान्तर का निरूपण करता है, जिसका उपयोग सामान्य अवस्था वोल्टेज को मापने के लिए किया जाता है।
कई मापन स्थितियों में सामान्य अवस्था घटक अप्रासंगिक रूप से कम होता है, लेकिन असामान्यतः शून्य होता है। इसमें प्रायः केवल कुछ मिलीवोल्ट के सामान्य अवस्था घटकों का सामना किया जाता है एवं इसे सफलतापूर्वक और बड़े पैमाने पर अनदेखा किया जाता है, विशेषतः जब सामान्य अवस्था घटक बड़े परिमाण के आदेश होते हैं।
पहला संकेतक प्रवर्धक के आउटपुट पर उत्तरार्द्ध का ध्वनिक पुनरुत्पादन है, जिसमें सामान्य अवस्था वोल्टेज का परिमाण सामान्य अवस्था घटक के साथ प्रतिस्पर्धा करता है। ऐसी स्थिति सामान्यतः एक पृथक्करण प्रवर्धक की आवश्यकता को नहीं, बल्कि एक डिफरेंशियल प्रवर्धक की आवश्यकता को परिभाषित करती है। चूंकि सामान्य मोड घटक दोनों प्रवर्धक इनपुटों पर एक साथ और चरण में प्रदर्शित होता है, इसलिए प्रवर्धक की संरचना की सीमा के भीतर डिफरेंशियल प्रवर्धक इसे अस्वीकार कर सकता है।
हालांकि, यदि सामान्य अवस्था वोल्टेज और उभयनिष्ठ अवस्था वोल्टेज का योग या तो अंतर प्रवर्धक की सामान्य मोड सीमा या क्षति के बिना अधिकतम सीमा से अधिक है, तो पृथक्कारी प्रवर्धक की आवश्यकता दृढ़ता से स्थापित होती है।
संचालन सिद्धांत
पृथक्कारी प्रवर्धक व्यावसायिक रूप से कई निर्माताओं द्वारा बनाए गए हाइब्रिड एकीकृत सर्किट के रूप में उपलब्ध हैं। पृथक्कारी प्रदान करने के तीन तरीके हैं।
एक ट्रांसफॉर्मर-पृथक प्रवर्धक इनपुट और आउटपुट के बीच एक उच्च आवृत्ति वाहक सिग्नल के ट्रांसफॉर्मर युग्मन पर निर्भर करता है। कुछ मॉडलों में एक ट्रांसफॉर्मर-पृथक बिजली की 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 kHz तक हो सकता है। पृथक्करण प्रवर्धक में एक वोल्टेज-टू-फ़्रीक्वेंसी कनवर्टर होता है जो एक ट्रांसफ़ॉर्मर के माध्यम से फ़्रीक्वेंसी-टू-वोल्टेज कनवर्टर से जुड़ा होता है। इनपुट और आउटपुट के बीच पृथक्कारी ट्रांसफार्मर वाइंडिंग पर इन्सुलेशन द्वारा प्रदान किया जाता है।
एक वैकल्पिक रूप से पृथक प्रवर्धक एक एलईडी ऑप्टोकॉप्लर के माध्यम से वर्तमान को नियंत्रित करता है। फीडबैक लूप के भीतर दूसरे ऑप्टोकॉप्लर का उपयोग करके रैखिकता में सुधार किया जाता है। कुछ डिवाइस 60 kHz तक बैंडविड्थ 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 प्रवाह में परिवर्तित करके गैल्वेनिक पृथक्कारी प्रदान किया जाता है।
एक तीसरी रणनीति है छोटे संधारित्रों का उपयोग एक संग्राहक उच्च-आवृत्ति वाहक को जोड़ने के लिए; कैपेसिटर बड़े डीसी या बिजली आवृत्ति एसी वोल्टेज खड़े हो सकते हैं लेकिन बहुत अधिक आवृत्ति वाहक सिग्नल के लिए युग्मन प्रदान करते हैं। इस सिद्धांत पर कुछ मॉडल 3.5 किलोवोल्ट से दूर खड़े हो सकते हैं और 70 किलोहर्ट्ज़ बैंडविड्थ तक प्रदान कर सकते हैं।[1]
पृथक्कारी प्रवर्धक उपयोग
उच्च सामान्य मोड वोल्टेज की उपस्थिति में छोटे संकेतों के मापन की अनुमति देने के लिए पृथक्कारी प्रवर्धकों का उपयोग किया जाता है। एक पृथक्करण प्रवर्धक की क्षमता दो प्रमुख पृथक्करण प्रवर्धक विनिर्देशों का एक कार्य है:
- प्रवर्धक का पृथक्कारी ब्रेकडाउन वोल्टेज, जो पूर्ण अधिकतम सामान्य मोड वोल्टेज को परिभाषित करता है जिसे वह बिना नुकसान के सहन करेगा। 1,000 वोल्ट और अधिक के विनिर्देश सामान्य हैं।
- प्रवर्धक का सामान्य मोड अस्वीकृति अनुपात (CMRR)। सीएमआरआर विनिर्देश उस डिग्री को परिभाषित करता है जिससे 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 सामान्य मोड वोल्टेज पृथक्कारी बाधा के परजीवी समाई के कारण कई पृथक्कारी प्रवर्धकों के लिए कठिनाई पैदा करते हैं। यह समाई उच्च आवृत्ति संकेतों के लिए कम प्रतिबाधा के रूप में प्रकट होती है, और सामान्य मोड वोल्टेज को अनिवार्य रूप से बाधा से आगे बढ़ने और माप में हस्तक्षेप करने की अनुमति देती है, या यहां तक कि प्रवर्धक को नुकसान पहुंचाती है। हालांकि, सबसे आम मोड वोल्टेज लाइन वोल्टेज का एक संयोजन है, इसलिए आवृत्ति आमतौर पर 50 से 60 हर्ट्ज क्षेत्र में कुछ हार्मोनिक सामग्री के साथ रहती है, साथ ही अधिकांश पृथक्कारी प्रवर्धकों की अस्वीकृति सीमा के भीतर।
डिफरेंशियल प्रवर्धक
एक गैर-पृथक अंतर प्रवर्धक इनपुट और आउटपुट सर्किट के बीच पृथक्कारी प्रदान नहीं करता है। वे एक बिजली की आपूर्ति साझा करते हैं और इनपुट और आउटपुट के बीच एक डीसी पथ मौजूद हो सकता है। एक गैर-पृथक अंतर प्रवर्धक केवल बिजली आपूर्ति वोल्टेज तक सामान्य-मोड वोल्टेज का सामना कर सकता है।
इंस्ट्रूमेंटेशन प्रवर्धक के समान, पृथक्करण प्रवर्धकों में आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला, उच्च इनपुट प्रतिबाधा और कम आउटपुट प्रतिबाधा पर अंतर लाभ होता है।
प्रवर्धक चयन दिशानिर्देश
इंस्ट्रुमेंटेशन प्रवर्धकों को चार व्यापक श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है, जो कम से कम सबसे महंगे से व्यवस्थित होते हैं:
- एकल-समाप्त। एक असंतुलित इनपुट, गैर-पृथक। माप के लिए उपयुक्त जहां सामान्य मोड वोल्टेज शून्य, या बहुत छोटा है। बहुत सस्ता।
- अंतर। एक संतुलित इनपुट, गैर-पृथक। माप के लिए उपयुक्त जहां सामान्य मोड और सामान्य मोड वोल्टेज का योग प्रवर्धक की माप सीमा के भीतर रहता है।
- सिंगल-एंडेड, फ्लोटिंग कॉमन। एक पृथक और अर्ध-संतुलित इनपुट (फ्लोटिंग कॉमन आमतौर पर एक अंतर प्रवर्धक के (-) इनपुट से जुड़ा होता है)। पृथक्करण बैरियर के ब्रेकडाउन वोल्टेज तक ऑफ-ग्राउंड मापन के लिए उपयुक्त, और बहुत अच्छा कॉमन मोड रिजेक्शन (100 डीबी विशिष्ट) प्रदर्शित करता है।
- डिफरेंशियल, फ्लोटिंग कॉमन। एक पृथक और संतुलित इनपुट। पृथक्करण बैरियर के ब्रेकडाउन वोल्टेज के लिए ऑफ-ग्राउंड मापन के लिए उपयुक्त, और शानदार कॉमन मोड रिजेक्शन (> 120 डीबी) प्रदर्शित करता है।
अधिकांश औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए जिन्हें पृथक्कारी की आवश्यकता होती है, सिंगल-एंडेड फ्लोटिंग डिज़ाइन सर्वोत्तम मूल्य/प्रदर्शन प्रदान करता है।
पृथक्कारी प्रवर्धकों के दो व्यापक वर्गीकरण भी हैं जिन्हें आवेदन के साथ मिलकर माना जाना चाहिए:
- चैनल-से-चैनल पृथक्कारी के बिना इनपुट-टू-आउटपुट पृथक्कारी प्रदान करने वाले प्रवर्धक। यह पृथक्करण का एक कम खर्चीला रूप है जो मल्टी-चैनल इंस्ट्रूमेंट के लिए केवल एक पृथक्करण बैरियर प्रदान करता है। हालांकि प्रत्येक चैनल के कॉमन्स को इनपुट-टू-आउटपुट पृथक्करण 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 तैरने का प्रयास करेगा, कभी-कभी विनाशकारी परिणामों के साथ। पृथक्कारी का यह रूप तभी उपयुक्त है जब यह निश्चित हो कि केवल एक सामान्य मोड वोल्टेज है जो सभी चैनलों पर समान रूप से लागू होता है।
- इनपुट-टू-आउटपुट और चैनल-टू-चैनल पृथक्करण दोनों प्रदान करने वाले प्रवर्धक। यह पृथक्कारी का सबसे शुद्ध रूप है, और विकल्प जिसे लगभग सभी अनुप्रयोगों के लिए माना जाना चाहिए। मल्टी-चैनल उपकरण जो इसे नियोजित करते हैं, प्रवर्धकों की सीमा के भीतर चैनलों के किसी भी संयोजन पर असंगत सामान्य मोड वोल्टेज के प्रति प्रतिरक्षित हैं।
विशिष्ट अनुप्रयोग
स्टैक्ड वोल्टेज सेल माप
स्टैक्ड वोल्टेज सेल माप सौर कोशिकाओं और ईंधन कोशिकाओं की बढ़ती लोकप्रियता के साथ आम हैं। इस एप्लिकेशन में तकनीशियन व्यक्तिगत श्रृंखला से जुड़े वोल्टेज कोशिकाओं के प्रदर्शन को प्रोफाइल करना चाहता है, लेकिन एक पृथक प्रवर्धक की आवश्यकता को अक्सर अनदेखा कर दिया जाता है। प्रत्येक वोल्टेज सेल (सामान्य मोड वोल्टेज) को उसके नीचे वोल्टेज कोशिकाओं (सामान्य मोड वोल्टेज) के योग के बराबर राशि से जमीन से हटा दिया जाता है। जब तक अलग-अलग सेल वोल्टेज को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रवर्धकों को सामान्य मोड वोल्टेज के बराबर स्तर पर तैरने की अनुमति नहीं दी जाती है, तब तक माप किसी के लिए सटीक होने की संभावना नहीं है, लेकिन स्ट्रिंग में पहला सेल जहां सामान्य मोड वोल्टेज शून्य है।
एक गैर-पृथक अंतर प्रवर्धक का उपयोग किया जा सकता है लेकिन इसमें एक 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
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