Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительной техники и может быть использована в качестве нормирующего усилителя в системах сбора данных, а также в устройствах ввода аналоговых сигналов в ЭВМ. Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой содержит модулятор, выполненный на интегральных прерывателях и подключенный к первичной обмотке сигнального трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен усилитель переменного сигнала с симметричным дифференциальным входом, выход которого подключен через разделительный конденсатор к демодулятору, также к демодулятору подключена схема смещения выходного сигнала; демодулятор и модулятор подключены через питающий трансформатор к усилителю мощности, а входы усилителя мощности подключены к выходам генератора импульсов; усилитель постоянного тока, демодулятор, генератор и усилитель мощности подключены к схеме стабилизации питающих напряжений. Технический результат - модуляция, усиление и демодуляция постоянного входного сигнала, уменьшение влияния синфазной составляющей сигнала, подстройка «нулевого уровня» выходного сигнала с эффективным подавлением паразитного смещения «нулевого уровня», повышение точностных характеристик устройства и использование двух номиналов питающих напряжений с расширенным диапазоном питающих напряжений.

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительной техники и может быть использована в качестве нормирующего усилителя в системах сбора данных, а также в устройствах ввода аналоговых сигналов в ЭВМ.

Известен усилитель постоянного тока с гальванической развязкой, являющийся наиболее близким по технической сущности к заявляемой модели (см. патент РФ 59348 от 07.07.2006, прототип), содержащий модулятор и демодулятор, сигнальный и питающий трансформаторы, усилитель переменного тока, усилитель мощности и генератор импульсов.

Недостатками существующего усилителя постоянного тока с гальванической развязкой являются низкий коэффициент подавления переменной синфазной составляющей сигнала, которая увеличивает погрешность преобразования всего устройства вследствие несимметричного исполнения входного дифференциального каскада устройства, отсутствие эффективного подавления влияния напряжения смещения нуля реального операционного усилителя из-за конечного значение входного сопротивления (входного тока), а также дрейф этих параметров под воздействием внешних факторов, различия значений коэффициента усиления ОУ демодулятора в инвертирующем включении от коэффициента в неинвертирующем, за счет примененного схемотехнического решения, что ведет к увеличению действующего значения пульсаций выходного напряжения устройства, необходимость трех номиналов питающих напряжений с существенными ограничениями по их стабильности.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели являются увеличение значения коэффициента подавления синфазной составляющей сигнала, эффективное подавление паразитной постоянной составляющей сигнала, равенство коэффициентов усиления ОУ демодулятора, использование двух номиналов питающих напряжений с расширенным диапазоном значений питающих напряжений.

Технический результат достигается применением симметричного исполнения входного дифференциального каскада усилителя переменного тока, использованием Т-образной отрицательной обратной связи по переменному току во всех каскадах усилителя переменного тока, включением разделительного конденсатора между усилителем переменного тока и демодулятором, усовершенствованием схемы демодулятора, включением в состав устройства схемы стабилизации питающих напряжений.

Этот результат достигается тем, что предлагаемый усилитель постоянного тока с гальванической развязкой содержит модулятор, выполненный на интегральных прерывателях, подключенный к первичной обмотке сигнального трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен усилитель переменного сигнала с симметричным дифференциальным входом, выход которого подключен через разделительный конденсатор к демодулятору, также к демодулятору подключена схема смещения выходного сигнала; демодулятор и модулятор подключены через питающий трансформатор к усилителю мощности, а входы усилителя мощности подключены к выходам генератора импульсов; усилитель постоянного тока, демодулятор, генератор и усилитель мощности подключены к схеме стабилизации питающих напряжений.

Совокупность предложенных признаков позволяет осуществлять модуляцию, усиление и демодуляцию постоянного входного сигнала, снизить влияние синфазной составляющей сигнала, подстраивать «нулевой уровень» выходного сигнала с эффективным подавлением паразитного смещения «нулевого уровня», повысить точностные характеристики устройства и использовать два номинала питающих напряжений с расширенным диапазоном питающих напряжений.

Функциональная электрическая схема усилителя постоянного тока с гальванической развязкой представлена на фигуре 1.

1. Модулятор;

2. Сигнальный трансформатор;

3. Первичная обмотка сигнального трансформатора;

4. Вторичная обмотка сигнального трансформатора;

5. Усилитель переменного тока;

6. Разделительный конденсатор;

7. Демодулятор (фигура 2);

8. Схема стабилизации питающих напряжений;

9. Схема смещения;

10. Питающий трансформатор;

11. Первая вторичная обмотка питающего трансформатора;

12. Вторая вторичная обмотка питающего трансформатора;

13. Первичная обмотка питающего трансформатора;

14. Ключевой усилитель мощности;

15. Генератор импульсов;

Принципиальная электрическая схема демодулятора представлена на фигуре 2.

16. Первый резистор демодулятора;

17. Второй резистор демодулятора;

18. Третий резистор демодулятора;

19. Источник опорного напряжения;

20. Четвертый резистор демодулятора;

21. Пятый резистор демодулятора;

22. Операционный усилитель;

23. Интегральный прерыватель;

Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой (фиг.1) состоит из генератора импульсов (15) два выхода которого подключены к входам ключевого усилителя мощности (14), выходы которого подключены к первичной обмотке (13) питающего трансформатора (10), первая вторичная обмотка (11) питающего трансформатора (10) подключена к управляющим входам модулятора (1), вход которого является входом устройства, а выходы подключены к первичной обмотке (3) сигнального трансформатора (2), вторичная обмотка (4) сигнального трансформатора (2) подключена к симметричному дифференциальному входу усилителя переменного тока (5), выход которого подключен через разделительный конденсатор (6) к входу демодулятора(7), выход которого является выходом устройства, а управляющие входы подключены ко второй вторичной обмотке (12) питающего трансформатора (10), усилитель постоянного тока (5), демодулятор (7), генератор (15) и усилитель мощности (14) подключены к схеме стабилизации питающих напряжений (8), а схема смещения выходного сигнала (9) подключена к демодулятору (7).

Демодулятор (фиг.2) состоит из переключателя полярности коэффициента усиления, первого резистора демодулятора (16) первый вывод которого подключен к первому выводу второго резистора демодулятора (17) и является входом демодулятора (7), а второй вывод подключен к инверсному входу операционного усилителя (22) выход которого является выходом демодулятора (7) и через пятый резистор демодулятора (21) подключен к своему инверсному входу, второй вывод четвертого резистора демодулятора (20) подключен к первому выводу пятого резистора демодулятора (21), второй вывод второго резистора демодулятора (17) подключен к первому выводу третьего резистора демодулятора (18), второй вывод которого подключен к не инверсному входу операционного усилителя (22) и к входу интегрального прерывателя (17), выход которого подключен к общей шине питания, управляющие входы интегрального прерывателя (23) являются управляющими входами демодулятора, кроме того, инверсный вход операционного усилителя (22) подключен к управляемому источнику опорного напряжения (19).

Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой работает следующим образом. Входной сигнал постоянного тока в модуляторе (1) преобразуется в переменное напряжение, амплитуда которого равна величине входного сигнала, а частота определяется частотой управляющего напряжения генератора импульсов (15). Переменное напряжение прикладывается к первичной обмотке (3) сигнального трансформатора (2). Управляющий сигнал имеет форму меандра и через питающий трансформатор (10) передается на управляющие входы модулятора (1) и демодулятора (7). На вторичной обмотке (4) сигнального трансформатора (2) образуется сигнал в виде меандра с размахом амплитуды удвоенного входного сигнала. Полученный сигнал усиливается усилителем переменного тока (5) с использованием Т-образной отрицательной обратной связи по переменному току во всех каскадах усилителя и передается через разделительный конденсатор (6), который подавляет постоянную составляющую сигнала, на вход демодулятора (7), на выходе которого образуется сигнал постоянного тока, пропорциональный входному сигналу, причем коэффициент пропорциональности равен коэффициенту усиления усилителя переменного тока (5).

В качестве демодулятора (фигура 2) применен переключатель полярности усиления управляемый напряжением.

Схема смещения представляет собой подстраиваемый источник опорного напряжения (19), который подключен к инвертирующему входу операционного усилителя (22) и служит для подстройки «нулевого уровня» (осуществления масштабирования) выходного сигнала. Использование подстройки «нулевого уровня» позволяет исключить инструментальную погрешность смещения «нулевого уровня» и обеспечить любое требуемое значение смещения диапазона изменения выходного сигнала от входного, что необходимо при работе с системами сбора данных.

Для расширения диапазона питающих напряжений создана схема стабилизации питающих напряжений (8), к которой подключены усилитель постоянного тока (5), демодулятор (7), генератор (15) и усилитель мощности (14).

Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой, содержащий: модулятор и демодулятор, сигнальный и питающий трансформаторы, усилитель переменного тока, схему стабилизации питающих напряжений, схему смещения, усилитель мощности и генератор импульсов, отличающийся тем, что усилитель постоянного тока с гальванической развязкой содержит модулятор, выполненный на интегральных прерывателях и преобразующий входной сигнал постоянного тока в переменное напряжение, амплитуда которого равна величине входного сигнала, а частота определяется частотой управляющего напряжения генератора импульсов, модулятор подключен к первичной обмотке сигнального трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен усилитель переменного сигнала с симметричным дифференциальным входом, выполненный с использованием Т-образной отрицательной обратной связи по переменному току во всех каскадах усилителя переменного тока, выход усилителя переменного сигнала подключен через разделительный конденсатор, который подавляет постоянную составляющую сигнала, к демодулятору, на выходе которого образуется сигнал постоянного тока, пропорциональный входному сигналу, причем коэффициент пропорциональности равен коэффициенту усиления усилителя переменного тока, также к демодулятору подключена схема смещения выходного сигнала, которая представляет собой подстраиваемый источник опорного напряжения и служит для подстройки «нулевого уровня» выходного сигнала, демодулятор и модулятор подключены через питающий трансформатор к усилителю мощности, а входы усилителя мощности подключены к выходам генератора импульсов, усилитель постоянного тока, демодулятор, генератор и усилитель мощности подключены к схеме стабилизации питающих напряжений, созданной для расширения диапазона питающих напряжений.